面向真空机械手的直接驱动电机及其驱动控制系统研究

摘要

真空机械手是集束型设备中晶圆在各反应工艺腔室之间传输的核心部件,负责在各制程模块、卡闸模块和前端模块之间传输晶圆。进口一台真空机械手交货周期长,价格昂贵。真空机械手归属于禁运产品,对国内买家严加审查,制约了我国半导体整机设备的发展。所以真空机械手关键技术的突破及原型系统的设计,对实现具有自主知识产权的半导体整机设备核心部件具有重要实际应用价值。
　　 直驱型真空机械手采用大间隙的直接驱动电机进行动力传递,是目前市场上的主流产品。本文的研究内容主要涉及到大间隙真空直驱电机的设计、直接驱动电机驱动控制系统设计、直接驱动电机的测试及优化仿真等,为直驱型真空机械手的成功研制打下基础。
　　 本文首先对分数槽直接驱动电机的结构进行设计,对不同极槽配合下的电机的绕组系数进行分析,优选分数槽电机的极槽配合;对比集中式绕组和分布式绕组大间隙直接驱动电机的参数指标,对定子绕组方式进行选择;计算所选择电机构型的参数指标;建立大间隙直接驱动电机的二维有限元模型,对不同间隙电机的气隙磁通密度进行谐波分析,分析电机在空载和负载下的反电动势的波形及其谐波含量和电机磁力线分布,分析电机的转矩.转速、效率.转速关系特性;设计大间隙直接驱动电机原型样机。
　　 以所设计的大间隙直接驱动电机为对象,建立在dq坐标系下的数学模型,对电机的电压方程、磁链方程以及转矩方程进行简化;设计基于磁场定向控制(id=0控制)的速度环、电流环双闭环大间隙直接驱动电机的驱动控制系统;对于在真空环境下位置传感器的选择进行分析;设计基于高性能数字信号处理器的双闭环驱动控制系统原型样机,实现电机的宽范围调速。
　　 基于电机性能综合测试平台,对电机的相电流波形、反电动势、开环特性和闭环特性进行测试;分析电机反电动势的谐波含量、电机在开环和闭环下的转矩-转速特性、电机输入\输出功率-转矩特性;建立电机空载反电动势与速度、输出转矩与q轴输入电流之间的对应关系。
　　 最后,根据测试结果对电机进行性能优化,主要包括电机转子极弧系数、定子槽开口宽度、电机的不平衡磁拉力、驱动控制系统的控制算法。对不同极弧系数和槽开口宽度电机性能进行比较,分析所设计电机不平衡磁拉力;对比PID控制算法和模糊自适应PID控制算法电机系统的响应;提出电机低速平稳运行的改善方法。