多軸精密控制系統參數鑑別與同動控制技術

摘要：在半導體產業中，精密、快速及穩定的設備對於曝光或晶片封裝等製程至關重要，在定位平台部分通常使用一種在兩個平行的軌道上，使用兩個馬達來驅動的架構，稱為龍門系統，受益於在兩邊都安裝了馬達，平台具有更高的速度、推力；但也因此系統整體較為複雜，在兩側的馬達需要進行精準的同動控制，否則將會出現相互拉扯、震動等等情況。本文以干擾觀測器(Disturbance Observer, DOB)來觀測馬達輸入訊號以及響應之誤差，藉此透過推導模型計算系統參數對其之影響，並且估測系統參數值。此方法可以減少傳統掃頻鑑別方法對半導體之精密機台的損耗，並使用雙軸強健式同動控制器進行控制，降低精密定位平台對環境溫度、外部干擾等變因的控制要求。本文亦提出線性馬達相位角最佳化的方法，降低因為相位角的偏移導致底層換相控制之誤差，進而使控制性能下降。本文成果可以用於如半導體製程中所使用的定位平台，完整的流程包含系統鑑別開始到控制器的設計，實現將待加工物快速且精準的移動到指定位置。
Abstract：In the semiconductor industry, precise, rapid, and stable equipment is crucial for processes such as exposure or chip packaging. For positioning platforms, a commonly employed structure is known as a gantry system, which utilizes two motors to drive along two parallel tracks. Benefiting from motors installed on both sides, the platform achieves higher speed and thrust. However, this complexity leads to a more intricate system. Precise synchronous control of the motors on both sides is necessary to prevent issues such as mutual pulling and vibration. In this article, we designed a disturbance observer (DOB) to observe the error between the motor input signal and its response. By deriving a model and calculating the influence of system parameters, the DOB estimates the values of these parameters. This method reduces the wear and tear on precision machinery in the semiconductor industry compared to traditional sweeping identification methods. We employ a dual-axis robust synchronization control to manage the precision positioning platform, thereby lowering like the control requirements concerning environmental temperature fluctuations, external disturbances, and other variables. We also propose a novel method for commutation angle alignment. This method reduces the lower-level control error which is caused by commutation angle offset and prevents performance degradation. The proposed algorithms can be applied to positioning platforms used in semiconductor manufacturing processes. The complete process encompasses system identification to controller design, achieving fast and precise movement of the workpieces to the designated position.

關鍵詞：精密定位平台、龍門式同動系統、多軸強健式同動控制
Keywords：Precision positioning platform, Synchronous gantry system, Multi-axis robust synchronization control

前言
定位平台在半導體產業中，占有舉足輕重的地位，其中龍門架構的定位平台，透過兩個馬達來驅動一個平台，更大的出力使得平台可以更加快速地移動到目標位置，對於高產值的半導體產業來說非常關鍵。
直接將兩個馬達用一個平台座連接，需要同時對兩個馬達做精密的同動控制，否則平台可能會出現旋轉、震動等問題，傳統的同動控制主要有三種:
(1)串聯控制架構(Cascade Control): 是將同動系統中的控制軸，分別表示成主動軸(Master Axis)以及從動軸(Follower Axis)，主從控制的控制架構如運動命令輸入至主動軸後，經過主動軸的伺服控制迴路產生響應，再將主動軸的響應作為從動軸的運動命令，讓從動軸追隨主動軸。
(2)並聯式架構(Parallel Control): 各軸馬達的伺服控制器獨立設計，並且輸入同樣的運動命令到各軸。
(3)交叉耦合控制架構(Cross-Coupling Control): 將雙軸響應的差輸入到交叉耦合控制器中，輸出各軸命令的補償量，當同動誤差發生時，協調各軸使得同動誤差最小化，因為有別於(1)(2)兩種方法，能夠根據兩軸情況來做補償，近年來多軸同動控制器的設計，幾乎都以交叉耦合的架構進行研究設計。
為了精密的控制龍門系統必須先取得準確的系統模型，Li等人[1]使用了頻率響應系統鑑別(Frequency Response Identification)來取得龍門系統的動態模型，馬達的同動控制器也同樣重要，Liu等人[2]在面對系統的參數不確定性、以及考慮了外部干擾的情況下，使用了一種適應強健控制(Adaptive Robust Control)，來確保控制精度。
本文提出了一種使用干擾觀測器(Disturbance Observer) 來觀測馬達輸入訊號以及響應之誤差，藉此透過推導模型計算系統參數對其之影響，並且估測系統參數值，並且本文還設計了雙軸強健式同動控制器，使得各軸運動互相協調，降低同動誤差。另為了減少因相位角的偏移，而造成底層控制之誤差，進而影響到控制性能的下降，如額外的虛功帶來能量的損耗；另外亦提出了一種相位角最佳化方法，來減少相位角的偏移誤差。
多軸精密控制系統參數鑑別與同動控制技術
本文分成三個部分，第一部分針對雙軸同動控制器作介紹，以及本文所設計的強健式同動控制器；第二部分介紹使用干擾觀測器進行精密定位與平台鑑別的原理、方法；第三部分為相位角最佳化的方法以及驗證。
1. 雙軸強健式同動控制技術
在多軸運動控制系統中，除了單軸追蹤誤差的問題之外，同時還要考慮軸與軸之間的同動誤差，誤差來源可能因為各軸間的性能差異、組裝誤差、回授系統量測誤差等，為了對應不同的機構及誤差來源，各式同動控制架構不斷被提出，本文針對過去同動控制關鍵技術進行文獻探討。回顧過去相關文獻，龍門同動平台架構，如圖1所示，同動控制架構主要可分為三類:

圖1 龍門同動平台架構

(1)串聯式控制(Cascade Control)
主從控制架構是將同動系統中的控制軸，分別表示成主動軸(Master Axis)以及從動軸(Fellower Axis)，主從控制的控制架構如運動命令輸入至主動軸後，經過主動軸的伺服控制迴路產生響應，再將主動軸的響應作為從動軸的運動命令，讓從動軸追隨主動軸，在這種架構下，雖然主動軸與從動軸的伺服迴路可以獨立設計，甚至以不同的驅動器模式進行控制，但是這種控制架構容易受到伺服延遲的影響，導致同動誤差的發生。
(2)並聯式控制(Parallel Control)
並聯式架構設計，各軸馬達的伺服控制器獨立設計，並且輸入同樣的運動命令到各軸，在理想情況下，若各軸馬達的伺服響應極快，且誤差極小，兩軸間即使有機構耦合也不會產生過大的耦合力而造成機構毀損，但是在實際應用中，各軸馬達的負載、伺服響應、外擾等變因都不一定相同，當系統突然受到干擾時，必然造成嚴重的機構損壞。