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無刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

晶圓清洗機(jī)專用無刷電動(dòng)機(jī)

1．前言

     在大型和超大型集成電路製程中，晶圓洗淨(jìng)之技術(shù)及潔淨(jìng)度，是影響晶圓製程良品率、元件品質(zhì)及可靠度zui重要的因素之一。要製作精密複雜的産品，是需要非常潔淨(jìng)的晶圓表面來製作。所以，晶圓清洗作業(yè)對無塵工作環(huán)境和清洗設(shè)備都有很高的要求。
      晶圓置於晶舟中生產(chǎn)過程需經(jīng)由高速清洗以便去掉表面殘留化學(xué)物質(zhì)，由於晶圓結(jié)構(gòu)屬易脆品，在清洗過程中經(jīng)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，緩慢加、減速旋轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)直流有刷電動(dòng)機(jī)調(diào)試性能好，永磁體?磁，控制簡單，特性滿足晶圓清洗設(shè)備性能要求。但是有刷電動(dòng)機(jī)碳刷的磨損，給無塵工作環(huán)境帶來污染，還增加了碳刷的維護(hù)成本。
     稀土永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)，有著可以與有刷直流電動(dòng)機(jī)相媲美的優(yōu)良調(diào)速性能，而電機(jī)結(jié)構(gòu)上取消了碳刷和換向器，有著類似永磁交流同步電機(jī)的簡單結(jié)構(gòu)，大大提高了電機(jī)的可靠性和免維護(hù)的方便，同時(shí)運(yùn)行效率極高，而且能夠在負(fù)載方面從輕載到滿載的變化範(fàn)圍內(nèi)保持近似相等的率，是一種高性能、價(jià)格低的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，受到工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域上普遍的關(guān)注。

     在深入分析晶圓清洗行業(yè)特殊要求的基礎(chǔ)上，TPG中國臺灣精密齒輪公司與晶圓清洗機(jī)機(jī)械廠合作，研製專用電機(jī)針對6~12吋晶圓清洗設(shè)備，由於原直流有刷電動(dòng)機(jī)功率無法滿足12吋晶圓滿載使用，因此特別提高直流無刷電動(dòng)機(jī)及其控制器性能。讓電機(jī)從零速度到額定3000RPM無段調(diào)速，電壓系統(tǒng)採用單相110V/50~60Hz、或者單相220V/50~60Hz供電，滿足不同地區(qū)的應(yīng)用。

2．無刷電機(jī)採用組合定子鐵心和集中繞組結(jié)構(gòu)
     晶圓清洗機(jī)專用無刷電動(dòng)機(jī)定子鐵心由若干個(gè)小 T 形片（即帶一段軛的齒，小T 形片數(shù)等於齒/槽數(shù)）拼接而成，其中高壓直流無刷電動(dòng)機(jī)即由12 個(gè)小T 形片拼成一個(gè)整圓鐵心，如圖1 所示。

圖 1：組合鐵心結(jié)構(gòu)示意圖，a.爲(wèi)T 形片，b.爲(wèi)無刷電動(dòng)機(jī)定子鐵心採用此組合定子鐵心結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：
     A. 組合定子鐵心沖片可以大大提高矽鋼片材料的利用率，甚至可以用大電機(jī)沖片後的邊角料進(jìn)行沖片，顯著降低電機(jī)鐵心的材料成本。
     B. 組合定子鐵心，齒上爲(wèi)集中式繞組，即變壓器式同心繞組，機(jī)器繞綫設(shè)備簡單，效率高，降低電機(jī)製造成本。
     C. 實(shí)現(xiàn)“少槽多極”結(jié)構(gòu)，增大電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，降低永磁電機(jī)齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
     D. 組合定子鐵心的集中式繞組爲(wèi)整距繞組，優(yōu)化磁路設(shè)計(jì)，反電動(dòng)勢波形爲(wèi)比較理想的梯形，有效率低無刷電機(jī)運(yùn)行過程中換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，保證電機(jī)高速、低速運(yùn)行條件下轉(zhuǎn)速平穩(wěn)性。
     採用集中繞組，大大減小電機(jī)繞組端部高?和跨距，繞綫方式與電機(jī)端部（見圖2）所示。結(jié)合高性能燒結(jié)釹鐵硼永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，優(yōu)化磁極形狀設(shè)計(jì)，顯著提高電機(jī)氣隙磁密，電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、小巧，與傳統(tǒng)同規(guī)格電機(jī)相比，縮小框架節(jié)省矽鋼片和銅綫材料約30%，提高電機(jī)性價(jià)比。
     優(yōu)化永磁轉(zhuǎn)子磁鐵設(shè)計(jì)，合理設(shè)計(jì)磁路分佈，提升氣隙磁密度，得到較理想梯形波反電動(dòng)勢，如圖3所示，反電動(dòng)勢波形是在無刷電機(jī)被拖動(dòng)發(fā)電狀態(tài)下，三相繞組相對星形接法中點(diǎn)的電壓波形，波形*對稱，平頂足夠?qū)挾?、平坦?/span>

3. 無刷電機(jī)中空軸設(shè)計(jì)、高防護(hù)等級
     爲(wèi)配合晶圓清洗行業(yè)設(shè)備的安裝方式，晶圓清洗行業(yè)專用無刷電動(dòng)機(jī)採用不銹鋼中空軸結(jié)構(gòu)，安裝固定十分方便，大量節(jié)約軸向安裝空間，使設(shè)備更好地布局。此專用電機(jī)設(shè)備應(yīng)用環(huán)境中有腐蝕性化學(xué)物質(zhì)，電機(jī)和控制器均採用高防護(hù)等級設(shè)計(jì)，（見圖4）出綫盒採用防水接頭，連接固件採用密封圈，控制器置於密封的鋁合金箱體內(nèi)，無刷電機(jī)與箱體的接頭採用塑膠軍規(guī)頭對接。

4.專業(yè)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

     A.晶圓體為高精密易碎件，要求在運(yùn)轉(zhuǎn)清洗過程中，始終平穩(wěn)的加速、減速時(shí)間從0~20秒時(shí)間可調(diào)，而且速度安定、直線規(guī)律化，系統(tǒng)應(yīng)用中實(shí)測電機(jī)轉(zhuǎn)速變化波形（見圖5），20秒加速、15秒減速平穩(wěn)。同時(shí)為了配合不同用戶在不同場合下的速度範(fàn)圍要求，設(shè)置可調(diào)位器，用來調(diào)整電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的zui大值和zui小值範(fàn)圍。

     B.晶圓外徑大，清洗設(shè)備在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，依慣量自然減速停車時(shí)間長，為滿足可調(diào)的減速停車時(shí)間，設(shè)計(jì)能耗剎車減速停車電路，將晶舟的高速旋轉(zhuǎn)慣量轉(zhuǎn)移到馬力電阻上，實(shí)現(xiàn)減速、停車時(shí)間可控時(shí)間範(fàn)圍。

     C.外部控制接口針對晶圓清洗行業(yè)設(shè)備控制特性設(shè)計(jì)，行業(yè)中多採用PLC可程制，編輯驅(qū)動(dòng)晶圓清洗旋轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)運(yùn)行與剎車製動(dòng)減速互補(bǔ)接口，一個(gè)PLC端口便可以控制提供電機(jī)速度信號輸出端口02，供上位機(jī)檢測用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)本身可選配電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示模塊。晶圓清洗行業(yè)專用無刷電動(dòng)機(jī)在內(nèi)部永磁轉(zhuǎn)子附件安裝3顆磁敏感霍爾器件，用於感測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。將3路霍爾信號6倍頻轉(zhuǎn)化成方波寬度固定的脈衝信號後，脈衝頻率提供電機(jī)轉(zhuǎn)速信號，30%額定轉(zhuǎn)速時(shí)脈衝波形（如圖6）所示，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)精度高於1%。

     D.控制器有輸出短路、過流、電機(jī)過載、轉(zhuǎn)子位置信號錯(cuò)誤等保護(hù)功能，當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)儲(chǔ)存錯(cuò)誤狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)在端口01上輸出一個(gè)10毫米的低電平信號脈衝，並點(diǎn)亮D8紅包LED燈光警報(bào)，直到RUN/STOP端口複位後解除鎖存。

       E. 關(guān)鍵電子元器件均採用國際原裝進(jìn)口，品質(zhì)可靠，性能優(yōu)良，抗干擾電磁干擾能力強(qiáng)，採用高防護(hù)等級全密封外殼，可應(yīng)用于各種惡劣的工況環(huán)境中。
5.率無刷電動(dòng)機(jī)系列化
       TPG阪神電機(jī)是國內(nèi)*家，建立符合IEC框架及NEMA框架尺寸的無刷馬達(dá)系列化公司，在節(jié)能減碳的前題下，研發(fā)一系列有調(diào)速功能，可以取代感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的直流無刷電動(dòng)機(jī)。由於無刷電動(dòng)機(jī)具備、體機(jī)小、效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)平順、編程容易等節(jié)能優(yōu)點(diǎn)，由於尺寸國際化互換性高，可以銜接應(yīng)用在各種傳動(dòng)系列原件上。（圖7） （圖8）

       本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無刷電機(jī)的起停、平滑調(diào)速、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、過電流保護(hù)、過熱保護(hù)、定電流起動(dòng)等功能，並具有運(yùn)行可靠、集成度高、操作簡便、保護(hù)功能完善、電機(jī)功率密度高以及調(diào)速範(fàn)圍寬，低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，正、反轉(zhuǎn)對稱性好，系統(tǒng)效率高等優(yōu)點(diǎn)。

6、正、反向運(yùn)行性能比較：
      表2給出了系統(tǒng)閉環(huán)時(shí)無刷電機(jī)的正、反向運(yùn)行性能測試資料。結(jié)果表明，無論電機(jī)空載還是滿載，控制器的輸入電流變化都很小，電機(jī)正、反向運(yùn)行基本對稱。
表2 系統(tǒng)閉環(huán)直流無刷電動(dòng)機(jī)的正、反向運(yùn)行性能

       需要指出的是，高壓無刷電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)的電流對稱性不僅與電機(jī)正、反轉(zhuǎn)電動(dòng)勢波形的對稱性有關(guān)，還與霍爾元件的位置以及霍爾與反電動(dòng)勢的羅輯關(guān)係有關(guān)。當(dāng)霍爾組件位置不正確，或霍爾與反電動(dòng)勢的羅輯關(guān)係不正確時(shí)，將導(dǎo)致電機(jī)一方向電流很大，甚至電機(jī)發(fā)生不能運(yùn)轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。

      稀土永磁無刷電機(jī)系統(tǒng)的效率特性與永磁同步電動(dòng)機(jī)的相類似。一、是當(dāng)電機(jī)輕載時(shí)系統(tǒng)就維持很高的效率，如電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩等於或大於2.0 N.m（本文無刷電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為8.0 N.m）時(shí)，系統(tǒng)效率高於80 %；二、是系統(tǒng)zui率與額定效率很接近，1.5 kW高壓無刷電機(jī)系統(tǒng)的zui率為92 %，額定效率為90 %，兩者相差不太。
       由於單相交流電流波形的畸變（尖頂波），導(dǎo)致系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，電機(jī)輕載時(shí)更為嚴(yán)重。對於功率因數(shù)要求較高，或功率較大的無刷電機(jī)系統(tǒng)，可考慮採用功率因數(shù)校正技術(shù)。
7、率無刷電動(dòng)機(jī)規(guī)格：
        馬力：45w - 2.2kw，電壓: 130V, 260V，
RPM 1000 / 2000 / 3000 / 4000。
阪神無刷馬達(dá)控制器規(guī)格 2.0A - 10.0A，
電壓115V, 230V，霍爾回溯裝置，過電流保護(hù)裝置。
8、一體化無刷減速電動(dòng)機(jī)系列：
      在電機(jī)力矩?zé)o法滿足所需，轉(zhuǎn)速也無法在控制範(fàn)圍內(nèi)，加上減速系統(tǒng)是*的選擇，由於傳動(dòng)環(huán)境不一，小型化結(jié)構(gòu)堅(jiān)固是工程師思考的選擇，減速方向基本上有兩大類:
1.） 平行軸減速機(jī)：
       率的電機(jī)擁有外部訊號迴授接口，容易接受編輯控制可定電流定轉(zhuǎn)速，加上減速箱傳動(dòng)效率大大提高力矩，除傳統(tǒng)輸送設(shè)備、紡織機(jī)、晶圓拉晶形成機(jī)、自動(dòng)化設(shè)備、包裝機(jī)械、製藥機(jī)械..等均適合使用。包括：螺旋齒輪、行星齒輪、擺線針輪。