CN102999016A - 一种多轴同步运动控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多轴同步运动控制系统，包括：上位机；同步信号模块；主机箱，主机箱与上位机通讯连接，主机箱包括：主板卡和多个次级板卡，主板卡通过背板分别与多个次级板卡进行通讯传输，主板卡与上位机通讯连接，每个次级板卡之间连接同步信号模块；多个次级机箱，各个次级机箱之间以及各个次级机箱与主机箱之间连接同步信号模块。本发明还提供了一种多轴同步运动控制系统的控制方法。本发明所提供的多轴同步运动控制系统的结构简单，层次化清晰，且易于维修、更换、重用和扩展。该控制系统可以满足各种复杂的控制算法、轨迹规划等的计算量要求，为控制轴数的扩展提供了保障。

Description

一种多轴同步运动控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及计算机控制领域，尤其涉及一种多轴同步运动控制系统及其控制方法。

背景技术

多轴同步运动控制包含两个层面的意思，一是多轴，包括多个速度、位置的控制，为几个甚至几十个传感器和执行器的统一体；二是同步，具体而言，是执行器运动的时间保持一致，在指定的时间开始运动，在指定的时间达到某个位置。现在大型的数控设备或光刻设备要求同步控制的轴数达到十几轴甚至几十轴，同时控制算法越来越复杂，而同步时间却要求越来越精确。

光刻是集成电路加工过程中最关键的工序，因此光刻机是集成电路加工过程中最关键的设备。在步进扫描光刻机中，光束通过一个狭缝并透过照明系统投影到掩膜面上，掩膜以设定的匀速通过这束光。同时，硅片在透镜的下方以相反方向运动。承载硅片的工件台和承载掩膜的掩膜台都能够实现高速运动，使得步进扫描光刻机具有很高的生产率，从而更好地满足了市场对半导体芯片加工的需求。

步进扫描光刻机需要非常注意同步的问题，这是因为：

(1)对所有涉及的子模块，扫描必须在相同的时间段内完成。具体来说，工件台和掩膜台必须在完全相同的时间段内通过事先规划好的轨迹；照明系统必须在相同的时间段内提供均匀分布的正确剂量；狭缝控制系统必须与掩膜台同步地打开和关闭它的狭缝。

(2)对于所有涉及的子模块，扫描的起始时刻和结束时刻必须相同。具体而言，工件台和掩膜台必须在照明系统开始提供曝光剂量的时刻，以正确的速度到达正确的位置。

通过以上的分析可以得出，对于曝光扫描同步，要求所有涉及的子模块必须在扫描时序上取得严格一致。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多轴同步运动控制系统及其控制方法，以解决子模块在扫描时序上如何取得严格一致的问题。

为了实现上述的目的，本发明提供一种多轴同步运动控制系统，包括：上位机；同步信号模块；主机箱，所述主机箱与所述上位机通讯连接，所述主机箱包括：主板卡和多个次级板卡，所述主板卡通过背板分别与多个所述次级板卡进行通讯传输，所述主板卡与所述上位机通讯连接，每个所述次级板卡之间连接所述同步信号模块；多个次级机箱，所述各个次级机箱之间以及所述各个次级机箱与所述主机箱之间连接所述同步信号模块。

进一步的，在所述多轴同步运动控制系统中，所述同步信号模块为参考时钟树。

进一步的，所述参考时钟树树形结构是一以所述主板卡或所述次级板卡为节点的二叉树。

进一步的，在所述多轴同步运动控制系统中，所述多个次级板卡包括控制板、同步板以及检测板。

进一步的，在所述多轴同步运动控制系统中，所述多轴同步运动控制系统还包括自定义总线，所述自定义总线设置在背板上，所述各个次级板卡分别连接至所述自定义总线。

进一步的，在所述多轴同步运动控制系统中，所述自定义总线包括地址总线、数据总线以及位置总线。

进一步的，在所述多轴同步运动控制系统中，所述自定义总线的时间单元分为数据传输周期、数据传输序元以及数据传输间隔三个级别。

进一步的，在所述多轴同步运动控制系统中，所述主机箱与所述上位机通过以太网或RS232通讯连接。

进一步的，在所述多轴同步运动控制系统中，所述主板卡通过背板分别与多个所述次级板卡进行VME通讯传输。

本发明还提供了一种多轴同步运动控制系统的控制方法，所述多轴同步运动控制系统的控制方法包括：主板卡与上位机进行通讯传输，所述主板卡接受所述上位机指派的任务；所述主板卡通过背板将所述任务分配给各个次级板卡；同步信号模块对所述各个次级板卡进行同步；所述同步信号模块对各个次级机箱进行同步以及对主机箱与各个次级机箱进行同步。

进一步的，在所述多轴同步运动控制系统的控制方法中，多个所述次级板卡包括控制板、同步板以及检测板。

进一步的，在所述多轴同步运动控制系统的控制方法中，所述主机箱与各个次级机箱通过至少一个同步板进行同步。

综上所述，本发明所提供的多轴同步运动控制系统中，同步信号模块的设置可使运动控制系统实现精确同步，多个次级板卡之间通过同步信号模块实现时钟的同步精确可调，增强了系统的可扩展性。多轴同步运动控制系统的结构简单，层次化清晰，且易于维修、更换、重用和扩展。该控制系统可以满足各种复杂的控制算法、轨迹规划等的计算量要求，为控制轴数的扩展提供了保障。

本发明提供的多轴同步运动控制系统的控制方法，同步信号模块对各个次级板卡进行同步、对各个次级机箱进行同步以及对主机箱与各个次级机箱进行同步，实现了机箱内以及机箱之间的同步数据的传递。

附图说明

图1为本发明实施例提供的多轴同步运动控制系统的系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的多轴同步运动控制系统的控制方法的步骤流程图；

图3为本发明实施例提供的步进扫描光刻机曝光扫描时的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的步进扫描光刻机同步运动控制系统的结构示意图；

图5a为本发明实施例提供的运动控制用同步机箱内时钟树的结构示意图；

图5b为本发明实施例提供的机箱间时钟树的结构示意图；

图6a为本发明实施例提供的时钟树的连接结构示意图；

图6b为本发明实施例提供的时钟调整前的脉冲信号示意图；

图6c为本发明实施例提供的时钟调整后的脉冲信号示意图；

图7为本发明实施例提供的机箱间同步数据交换结构示意图；

图8为本发明实施例提供的机箱内同步数据交换P2自定义总线结构示意图；

图9为本发明实施例提供的连续序元的控制机制结构示意图；

图10为本发明实施例提供的同步板通过FIFO队列及命令寄存器实现同步信号的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方案对本发明提出的多轴同步运动控制系统及其控制方法作进一步详细说明。

图1为本发明实施例提供的多轴同步运动控制系统的系统结构示意图。参照图1，多轴同步运动控制系统包括：上位机11；同步信号模块13；主机箱12，所述主机箱12与所述上位机11通讯连接，所述主机箱12包括：主板卡121和多个次级板卡122，所述主板卡121通过背板123分别与多个所述次级板卡122进行通讯传输，所述主板卡121与所述上位机11通讯连接，每个所述次级板卡122之间连接所述同步信号模块13；多个次级机箱14，各个所述次级机箱14之间以及所述各个次级机箱14与所述主机箱12之间连接所述同步信号模块13。

在本实施例中，同步信号模块13为参考时钟树。所述参考时钟树树型结构是一个二叉树，所述主板卡121或所述次级板卡122作为一个树的节点，其输入时钟来源于父节点的输出时钟，其输出时钟供给子节点作为输入时钟，各级时钟相对于源时钟的延时精确可调。

具体地，所述多个次级板卡122包括控制板122a、同步板122b以及检测板122c。

多轴同步运动控制系统还包括自定义总线123a，所述自定义总线123a设置在背板123上，所述各个次级板卡122分别连接至所述自定义总线123a。所述自定义总线123a包括地址总线、数据总线以及位置总线。所述自定义总线123a的时间单元分为数据传输周期、数据传输序元以及数据传输间隔三个级别。

在本实施例中，所述主机箱12与所述上位机11通过以太网或RS232通讯连接。进一步的，所述主板卡121具有标准VME总线123b，所述主板卡121分别与多个所述次级板卡122进行VME通讯传输。

图2为本发明实施例提供的多轴同步运动控制系统的控制方法的步骤流程图。参照图2，多轴同步运动控制系统的控制方法包括：

S21、主板卡与上位机进行通讯传输，所述主板卡接受所述上位机指派的任务；

S22、所述主板卡通过背板将所述任务分配给各个次级板卡；

S23、同步信号模块对所述各个次级板卡进行同步；所述同步信号模块对各个次级机箱进行同步以及对主机箱与各个次级机箱进行同步。

多个所述次级板卡122包括控制板122a、同步板122b以及检测板122c。所述主机箱12与各个次级机箱14通过至少一个同步板122b进行同步。一个机箱内的同步靠控制板122a、同步板122b以及检测板122c来进行同步。

图3为本发明实施例提供的步进扫描光刻机曝光扫描时的结构示意图。参照图3，将硅片31放在工件台32上，并且将硅片31上待曝光的区域移动到透镜33的下方，使硅片31在曝光过程中保持匀速运动，硅片31的运动与掩膜台34上的掩膜35以及扫描狭缝单元36的运动部分在时间上和位置上严格同步，同时使硅片31表面在曝光过程中一直保持在透镜33的最佳焦平面内，图中箭头所示的方向为硅片31、掩膜35以及扫描狭缝单元36的运动方向。照明系统37在工件台32和掩膜台34以指定速度到达指定位置时，被同步触发并开始提供曝光所需的曝光剂量38。由该工作过程可以看出，步进扫描光刻机在执行曝光扫描时，需要严格保证工件台32运动六个自由度、掩膜台34运动六个自由度的控制同步，且需要保证曝光剂量38的控制同步。

图4为本发明实施例提供的步进扫描光刻机同步运动控制系统的结构示意图。参照图4，步进扫描光刻机同步运动控制系统包括上位机11、运动控制用同步机箱41、对准用同步机箱42、照明用同步机箱43、主板卡121、若干控制板122a、同步板122b以及检测板122c、VME总线47、P2自定义总线48以及时钟树。所述时钟树信号由干涉仪参考信号44、机箱间时钟同步信号45、机箱内时钟同步信号46组成。干涉仪参考信号44给同步板122b一个参考信号，运动控制用同步机箱41、对准用同步机箱42以及照明用同步机箱43通过机箱间时钟同步信号45同步，具体地，运动控制用同步机箱41内的同步板122b通过机箱间时钟同步信号45同步运动控制用同步机箱41、对准用同步机箱42以及照明用同步机箱43。机箱内时钟同步信号46同步运动控制用同步机箱41内的若干控制板122a、同步板122b以及检测板122c。

上位机11分配任务给主板卡121，主板卡121通过VME总线47将所述任务分配给控制板122a、同步板122b以及检测板122c，并通过VME总线47收集控制板122a、同步板122b以及检测板122c的工作状态信息。P2自定义总线48传递控制板122a、同步板122b以及检测板122c之间必要的交互数据。

图5a为本发明实施例提供的运动控制用同步机箱内时钟树的结构示意图。参照图5a，同步板122b包含一个源于干涉仪的输入参考时钟通道501，一个源于其他机箱或其他板卡的输入参考时钟通道502，三个输出参考时钟通道503，其中一个输出参考时钟通道503与控制板122a的输入参考时钟通道501连通，另一个输出参考时钟通道503与检测板122c的输入参考时钟通道501连通，而控制板122a的另外两个输出参考时钟通道503分别作为次级板卡的输入参考时钟通道501，检测板122c的另外两个输出参考时钟通道503分别作为次级板卡的输入参考时钟通道501，在本实施例中，次级板卡可以是控制板122a，同步板122b以及检测板122c。运动控制用同步机箱41内的时钟树均以二叉树的形式传递。

图5b为本发明实施例提供的机箱间时钟树的结构示意图。参照图5b，运动控制用同步机箱41内的同步板122b通过输出时钟通道504给对准用同步机箱42和照明用同步机箱43。对准用同步机箱42和照明用同步机箱43自行完成机箱内板卡的同步。本领域的普通技术人员应该理解，机箱间的同步不仅仅局限于运动控制用同步机箱41、对准用同步机箱42和照明用同步机箱43，还可再有更多的机箱进行同步，同步时钟可以以时钟树的形式扩展。

图6a为本发明实施例提供的时钟树的连接结构示意图。参照图6a，运动控制用同步机箱41的第一同步板时钟61分别连接对准用同步机箱42的第二同步板时钟62、运动控制用同步机箱41的第一检测板时钟63以及照明用同步机箱43的第三同步板时钟64，其中，第一检测板时钟63分别连接第一控制板时钟65和第二检测板时钟66，而第二检测板时钟66分别连接第二控制板时钟67和第三检测板时钟68。图6b为本发明实施例提供的时钟调整前的脉冲信号示意图。参照图6b，各个时钟在调整前的脉冲信号不同步，即第一同步板时钟61、第二同步板时钟62、第一检测板时钟63、第三同步板时钟64、第一控制板时钟65、第二检测板时钟66、第二控制板时钟67以及第三检测板时钟68不同步。图6c为本发明实施例提供的时钟调整后的脉冲信号示意图。参照图6c，各个时钟在调整后，脉冲信号同步，即第一同步板时钟61、第二同步板时钟62、第一检测板时钟63、第三同步板时钟64、第一控制板时钟65、第二检测板时钟66、第二控制板时钟67以及第三检测板时钟68同步。

同步数据分为机箱内同步数据和机箱外同步数据。图7为本发明实施例提供的机箱间同步数据交换结构示意图。参考图7，机箱内同步数据由P2自定义总线48完成交换，机箱外的数据通过RS485或HSSL完成交换，所有数据的交换过程控制由同步板122b完成，为了完成数据的交换过程，同步板122b需要包含如下主要功能：控制P2自定义总线48数据交换，产生外部同步状态触发信号，内容包括同步板122b的扫描状态信号、外部分系统自身需要的同步状态信号、外部跟系统输出的错误信号。

图8为本发明实施例提供的机箱内同步数据交换P2自定义总线结构示意图。参照图8，P2自定义总线48包括地址总线481、数据总线482、位置总线483。一次交换数据称为一次数据传输周期，同步板122b指定一个检测板122c，并输出数据锁存等控制信号，根据指定的地址，检测板122c输出数据到数据总线482，需要多个控制板122a依次从P2自定义总线48上读取数据，一个读写周期结束，同步板122b释放P2自定义总线48，开始下一个总线读写周期。

P2自定义总线48的时间单元分为数据传输周期、数据传输序元和数据传输间三个级别。一个数据传输序元由多个数据传输周期以一个循环FIFO队列的方式组成，其中的每个数据传输周期的数据交换参与方及数据交换内容可编程设置，并且事先通知所有参与方。

数据传输周期分为位置采样数据传输周期、同步广播数据传输周期、同步状态数据传输周期、运动控制数据传输周期、空闲传输周期。如果有效数据传输周期总时间小于每个序元的固定时间，用一些空闲传输周期补充。当数据传输序元有效时，如子系统不处于空闲状态，同步总线上始终存在连续的数据传输序元，每个序元的时间在同步控制器初始化时固定。

图9为本发明实施例提供的连续序元的控制机制结构示意图。参照图9，连续序元控制由循环FIFO队列91和序元控制器92组成。FIFO队列中的每一项描述了一个数据传输周期911，队列长度等于已定义的序元921中的周期数，在本实施例中，周期数为N。序元控制器92负责将每个数据传输周期的地址和控制信号输出到P2自定义总线48。一个数据传输周期可以在每个序元中都执行，也可以每隔一定数目的序元执行一次，称为序元传输间隔，序元传输间隔模块由数据传输间隔控制模块93控制。序元传输间隔的设定是由应用决定的，在简单的应用中，不需要设定传输间隔。在本实施例中，存在三种序元传输间隔：零序元传输间隔，即数据传输周期在每个序元中均执行；伺服序元传输间隔，应用于曝光扫描过程；对准序元传输间隔，应用于对准扫描过程。数据传输周期、数据传输序元和数据传输间的传输过程保证了机箱内多轴控制的同步性。

图10为本发明实施例提供的同步板通过FIFO队列及命令寄存器实现同步信号的结构示意图。参照图10，FIFO队列1001中的命令顺序执行，时间表示命令有效的持续时间，命令表示一种同步信号的产生，反映当前的扫描状态。队列中的所有命令执行完成后，同步控制将根据相应的系统状态执行命令执行器1002中的命令。命令队列的执行由外部命令显示启动，所述外部命令包括正常命令1003、空队列命令1004、停止状态命令1005以及错误状态命令1006，在本实施例中，命令执行器1002产生内同步总线状态广播1008以及外同步触发信号1009。时间是定时计数器1007的设置值，它为伺服序元传输间隔的整数倍，每个伺服序元传输间隔递减。同步板122b在数据传输序元中，实时采集控制板122a和检测板122c的错误信息，并在必要时通知控制程序，终止扫描过程。同步板122b本身不产生出错信息，采集到的出错信息将导致同步板122b的内部状态变化。控制板122a的出错信息在控制板122a同步状态数据传输周期中传输，检测板122c的出错信息在检测板122c同步状态数据传输周期中传输，此外，同步扫描中，对准用同步机箱42和照明用同步机箱43的出错信息由外同步信号传输给同步板122b。

基于上述的同步控制方法，扫描步进光刻机的曝光扫描的工作过程，包括：

1、位于上位机的曝光控制软件模块通过以太网把曝光参数发送到主板卡121；

2、主板卡121接收到曝光参数，通过主板卡121的操作系统，调用同步驱动模块，把相应的同步板122b的数据传输周期放入FIFO队列中，同时把“时间-命令”参数放入“时间-命令”FIFO队列中；

3、主板卡121通过调用同步驱动模块启动同步控制逻辑；

4、在同步总线控制板122a的控制下，利用一个总线序元广播一段连续的总线地址，每一个总线地址对应一个检测板122c的输出寄存器，这样可以将每一个检测板122c的位置信息依次按照控制节拍在固定的时刻和固定的时间内广播到所有的控制板122a，控制板122a之间的数据交换也是按同样的方法实现。当前的状态进入准备扫描阶段；

5、同步板122b输出刀片同步信号，指示可变刀片中在Y方向上的第一块刀片在约定时间开始运动；

6、同步板122b输出激光器预充电信号，指示第一个光脉冲的高压电容充电；

7、同步板122b控制的准备扫描阶段完成，同步板122b向主板卡121请求中断，通知主板卡121当前准备扫描阶段完成；

8、同步板122b通过P2自定义总线48通知控制板122a和检测板122c，当前的状态进入实际扫描阶段，并输出激光曝光同步信号，指示照明用同步机箱43产生激光脉冲。激光器继续保持充电状态。

9、同步板122b输出刀片同步信号指示可变刀片中Y方向的第二块刀片开始运动；

10、同步板122b的实际扫描阶段完成，同步板122b向主板卡121请求中断，通知主板卡121当前实际扫描阶段完成；

11、如果是连续扫描，则返回第4步骤，否则到第12步骤；

12、同步板122b通知控制板122a、检测板122c进入空闲状态

综上所述，本发明提供的多轴同步运动控制系统中，同步信号模块的设置可使运动控制系统实现精确同步，多个次级板卡之间通过同步信号模块实现时钟的同步精确可调，增强了系统的可扩展性。多轴同步运动控制系统的结构简单，层次化清晰，且易于维修、更换、重用和扩展。该控制系统可以满足各种复杂的控制算法、轨迹规划等的计算量要求，为控制轴数的扩展提供了保障。本发明提供的多轴同步运动控制系统的控制方法，同步信号模块对各个次级板卡进行同步、对各个次级机箱进行同步以及对主机箱与各个次级机箱进行同步，实现了机箱内以及机箱之间的同步数据的传递。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种多轴同步运动控制系统，包括：

上位机；

同步信号模块；

主机箱，所述主机箱与所述上位机通讯连接，所述主机箱包括：

主板卡和多个次级板卡，所述主板卡通过背板分别与多个所述次级板卡进行通讯传输，所述主板卡与所述上位机通讯连接，每个所述次级板卡之间连接所述同步信号模块；

多个次级机箱，所述各个次级机箱之间以及所述各个次级机箱与所述主机箱之间连接所述同步信号模块。

2.如权利要求1所述的多轴同步运动控制系统，其特征在于，所述同步信号模块为参考时钟树。

3.如权利要求2所述的多轴同步运动控制系统，其特征在于，所述参考时钟树树形结构是一以所述主板卡或所述次级板卡为节点的二叉树。

4.如权利要求1所述的多轴同步运动控制系统，其特征在于，所述多个次级板卡包括控制板、同步板以及检测板。

5.如权利要求1所述的多轴同步运动控制系统，其特征在于，所述多轴同步运动控制系统还包括自定义总线，所述自定义总线设置在所述背板上，所述各个次级板卡分别连接至所述自定义总线。

6.如权利要求5所述的多轴同步运动控制系统，其特征在于，所述自定义总线包括地址总线、数据总线以及位置总线。

7.如权利要求5所述的多轴同步运动控制系统，其特征在于，所述自定义总线的时间单元分为数据传输周期、数据传输序元以及数据传输间隔三个级别。

8.如权利要求1所述的多轴同步运动控制系统，其特征在于，所述主机箱与所述上位机通过以太网或RS232通讯连接。

9.如权利要求1所述的多轴同步运动控制系统，其特征在于，所述主板卡通过所述背板分别与多个所述次级板卡进行VME通讯传输。

10.一种多轴同步运动控制系统的控制方法，其特征在于，包括：

主板卡与上位机进行通讯传输，所述主板卡接受所述上位机指派的任务；

所述主板卡通过背板将所述任务分配给各个次级板卡；

同步信号模块对所述各个次级板卡进行同步；

所述同步信号模块对各个次级机箱进行同步以及对主机箱与各个次级机箱进行同步。

11.如权利要求10的多轴同步运动控制系统的控制方法，其特征在于，多个所述次级板卡包括控制板、同步板以及检测板。

12.如权利要求11的多轴同步运动控制系统的控制方法，其特征在于，所述主机箱与各个次级机箱通过至少一个同步板进行同步。

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