CN113031461A - 超精密运动台半实物仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超精密运动台半实物仿真系统及方法，上位机用于构建仿真环境，对超精密运动台进行建模与仿真测试，并将仿真程序部署到控制算法目标机或模型目标机中，获取控制算法目标机的控制参数和模型目标机的状态参数；控制算法目标机用于为上位机提供运行仿真程序实时代码的仿真环境，实时运行部属的仿真程序；模型目标机为上位机提供运行仿真程序实时代码的仿真环境，或者提供真实的超精密运动台的状态参数。本发明可以加快超精密运动台控制系统的开发速度，提高仿真的真实性和可信度，通过实时仿真和控制器的软硬件结合，增强了系统控制策略的实时性和可移植性，为超精密控制系统开发节约了成本，也为国内光刻机的产业化做好了准备。

Description

超精密运动台半实物仿真系统及方法

技术领域

本发明涉及了一种光刻机领域的半实物平台仿真与验证问题，具体地说，是超精密运动台控制方法的实时仿真验证问题，属于超精密控制领域。

背景技术

在信息时代，大规模集成电路制造技术的重要性日益凸显，光刻机作为芯片制造的核心装备，其重要性是不言而喻的。IC制造工艺的主要工艺是将很大的电路图经过晶圆多层曝光刻蚀加工，缩小到芯片大小，自动形成电路，光刻过程对IC制造过程工艺质量控制和产品质量具有重要意义。

随着芯片制造技术进入32nm以下，IC芯片集成密度越来越大，半导体器件及电路尺寸越来越小，对光刻机的超精密运动控制精度提出了更高的要求。

一方面，随着IC芯片市场竞争压力逐步增强，光刻过程的速度也逐步提高，同时光刻机需要在高加速运行的前提下，精确完成多次光刻过程，行业需求对光刻机的精密运动控制提出了更高的要求。另一方面，光刻机的运动控制系统需要完成掩模台、工件台多平台多耦合高精密同步控制以及多平台的高速率信号采集、多平台振动抑制等。

传统的光刻机控制系统开发遵循建模仿真、代码开发、软硬件设计等流程，软硬件通讯与控制任务管理关联性强，难以解决伴随光刻机运动控制系统不确定性增加导致的动态设计以及计算复杂度上升的难题，也很难保障光刻机超精密运动平台的设计开发效率。

基于软件定义的软硬件一体模型化设计手段是一种新兴的复杂控制系统设计方法体系，通过基于模型的软硬件松耦合的设计手段、以及模型在环、硬件在环等测试手段，可以极大的降低控制系统设计复杂度，提升开发效率。因此，开发基于模型设计的超精密运动台半实物仿真系统具有重大的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对光刻机模型在环、硬件在环测试方法缺失等问题，开发了基于模型设计的超精密运动台半实物仿真系统，该系统封装了光刻机的核心组件，包括光刻机模型库、控制库、通讯库等，构建超精密运动台半实物仿真系统，解决了传统数字仿真不能在线调整参数的问题，实现了Matlab/Simulink仿真程序的快速C代码化和仿真实时性。从而辅助设计人员快速实现光刻机超精密控制系统设计方案的仿真、分析与优化，提高光刻机的开发效率，缩短设计周期。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：超精密运动台半实物仿真系统，包括：

上位机，用于构建仿真环境，对超精密运动台进行建模与仿真测试，并将仿真程序部署到控制算法目标机或模型目标机中；在线调整控制算法目标机的控制参数，监控模型目标机的状态参数；

控制算法目标机，用于为上位机提供运行仿真程序实时代码的仿真环境，实时运行部属的仿真程序；

模型目标机，用于为上位机提供运行仿真程序实时代码的仿真环境，或者提供真实的超精密运动台的状态参数。

所述控制算法目标机内设有主FPGA卡，所述模型目标机内设有从FPGA卡，主FPGA卡与从FPGA卡用于实现时钟信号同步，并通过光纤通讯实现两个目标机之间的信号传递。

所述主FPGA卡作为时钟源，每隔设定时间将前一个周期来自从FPGA卡的传感器信息数据通过DMA发送给控制器内核层，同时将前一个周期控制指令发送给从FPGA；

所述从FPGA接收到前一个周期控制指令后，通过DMA发送到被控对象内核层；

当控制器计算结束后，通过DMA将被控制器计算得到的控制指令保存到主FPGA的发送缓存中，模型目标机通过DMA将被控对象模型计算得到的传感器信息数据保存到主FPGA的接收缓存中，结束当前周期工作。

所述模型目标机替换为真实的超精密运动台。

所述超精密运动平台为光刻机。

超精密运动台半实物仿真方法，包括以下步骤：

步骤S1：构建超精密运动台被控对象模型；

步骤S2：针对超精密运动台被控对象模型构建控制器；

步骤S3：启动仿真测试，并通过上位机调整控制参数；

步骤S4：将控制器和被控对象模型分别部署到控制算法目标机和模型目标机，进行仿真。

主FPGA卡与从FPGA卡实现时钟信号同步，并通过光纤通讯实现两个目标机之间的信号传递，包括以下步骤：

1)主FPGA卡将接收数据缓存中的模型目标机的传感器信息数据发送给控制器并等待，同时将发送数据缓存中的控制指令发送给从FPGA卡并等待；

3)当主FPGA卡收到来自控制器当前周期的计算结果，将控制指令保存到发送缓存区中等待下个周期发送给被控对象模型；当收到来自从FPGA卡的当前周期的传感器信息数据后，将被控对象模型的传感器信息数据保存到接收数据缓存中等待下个周期发送给控制器；

4)从FPGA卡接收到时钟同步信号后，将接收数据缓存中的控制指令发送给被控对象模型并等待，同时将发送数据缓存中的传感器信息数据发送给主FPGA卡并等待；

5)当从FPGA卡收到来被控对象模型当前周期的计算结果，将传感器信息数据保存到发送缓存区中等待下个周期发送给主FPGA；当收到来自主FPGA卡的当前周期的控制指令后，将控制指令保存到接收数据缓存中等待下个时钟出发信号发送给被控对象模型。

控制算法目标机执行以下步骤：

主FPGA通过光纤采集从FPGA信息，获取精密运动台的传感器信息数据；

通过Workingstep数值进入不同控制周期；根据参数设置进入不同运动过程；

运动过程包括：光纤采集到的精密运动台的物理轴位置，转换到逻辑轴坐标下，获得当前初始位姿；根据参数和初始位姿规划期望轨迹，并根据控制器控制运动台使得运动台跟随期望轨迹运动；将得到的控制指令从逻辑轴转换到物理轴坐标下，并将转换后的控制指令；

将控制指令通过光纤发送到从FPGA，结束本控制周期

本发明的有益效果是：

1、本发明的控制系统不针对某一个别型号的光刻机，其标准化、模块化的设计理念适用于多种机型的光刻机超精密运动控制应用。

2、本发明的超精密运动台半实物仿真系统，集驱动、感知、控制于一体，可以进行多种控制算法的半实物验证。

3、本发明可以快速实现对光刻机机电系统设计方案的仿真、分析与优化，提高光刻机的开发效率，缩短设计周期。

4、本发明的仿真与验证平台，可以加快超精密运动台控制系统的开发速度，提高仿真的真实性和可信度，通过实时仿真和控制器的软硬件结合，增强了系统控制策略的实时性和可移植性，为超精密控制系统开发节约了成本，也为国内光刻机的产业化做好了准备。

附图说明

图1是本发明一个实施例的硬件架构图；

图2是本发明一个实施例的上位机功能图；

图3是本发明一个实施例的目标机架构图；

图4是本发明一个实施例的控制系统流程图；

图5是本发明一个实施例的控制目标机和模型目标机数据同步流程图。

图6是本发明一个实施例的半实物仿真系统开发流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案表述更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

超精密运动台半实物仿真系统，其中包括用于搭建光刻机模型的上位机，两台目标机分别部署超精密运动平台控制方法与模型，两台光刻机通过光纤通讯实现运动平台状态参数和控制参数的实时交互。

参见图1，用于超精密运动台半实物仿真的硬件架构图，其中主要涉及：上位机、目标机。

所述的上位机，是运行Windows操作系统的普通PC平台，构建的基于Matlab软件的仿真环境，对超精密运动平台进行建模与仿真测试。上位机通过以太网与两台目标机相连。可以通过上位机将Simulink程序一键部署到目标机中，进行远程程序下载，同时目标机运行的参数信息可以实时反馈到上位机中。上位机可以在线调整控制算法目标机的控制参数(例如PID控制器的设计参数)，同时监控模型目标机的状态参数(例如精密运动台的位姿、速度、加速度信息)。

所述的目标机，是基于RTLinux实时操作系统的X86架构平台，为上位机提供可以运行Matlab实时代码的仿真环境，可以实时运行所部属的Simulink程序，在本发明中分别运行精密运动控制台的控制算法和被控模型。

所述的FPGA卡，分为主从两种模式，实现时钟信号同步，同时通过光纤通讯实现两个目标机之间的信号传递。主FPGA板卡作为通信系统时钟源，每50us将前一个周期来自从FPGA板卡数据通过DMA发送给控制器内核层；同时将前一个周期控制器数据发送给从FPGA，从FPGA接收到数据后，通过DMA发送到被控对象内核层。控制器及被控对象计算结束后，通过IPC、DMA及光纤通信将计算结果分别保存到主FPGA两个缓存中，结束当前周期工作。

参见图2，专利所设计的上位机，包括超精密运动平台模型库，仿真开发环境以及快速原型开发工具三个部分组成。

其中超精密运动平台模型库包括：1)模型库，包括构成超精密运动平台的音圈电机、直线电机、精密运动台以及传感器感知模型；2)控制方法库，包括轨迹规划、滤波、PID控制等模块；3)接口库，包括光刻机光纤通讯输入输出模型；4)模型显示，实现精密运动台3D模型的在线显示。

其中仿真开发环境包括：1)程序开发，基于Matlab/Simulink环境，采用超精密运动平台模型库的模型进行光刻机模型的搭建，包括仿真模型、半实物模型；2)仿真验证，基于Matlab/Simulink环境，实现精密运动平台的数值仿真，通过仿真效果，优化控制参数。

快速原型开发工具：1)目标机连接：根据目标机IP地址，建立通讯连接；2)自动代码生成，通过编写tlc文件，将Simulink程序转换成C代码；3)一键部署，将生成的C代码进行编译，并下载到目标机中；4)运行管理，控制目标机程序的连接、启动、停止等管理。

参见图3，专利所设计的超精密运动台目标机，是基于X86架构设计开发的多核系统，运行Linux实时操作系统，运行的运行时支持MATLAB自动代码生成机制，可以运行设计的超精密运动台控制算法程序或模型程序，通过光纤通讯组件进行数据交互。

参见图4，本发明超精密运动台控制系统流程是：直到获取理想的协作机器人控制效果。

步骤S1：光纤数据采集，主FPGA通过光纤采集从FPGA信息，获取精密运动台的状态信息。

步骤S2：控制阶段判断，通过Workingstep数值，判断精密运动台运动过程，进入不同控制周期，初始值为default。

步骤S3：相关参数设置，根据进入的不同运动过程，读取相关配置参数，包括目标位姿、速度约束、加速度约束、运行时间等。

步骤S4：坐标变换，光纤采集到的精密运动台的物理轴位置，转换到逻辑轴坐标下，获得当前初始位姿。

步骤S5：参考曲线生成，通过S3、S4提供的相关参数，采用5阶路径规划方法，生成期望轨迹。

步骤S6：反馈前馈控制计算，采用反馈前馈控制方法，使得运动台跟随期望轨迹运动。

步骤S7：坐标变换，将得到的控制指令从逻辑轴转换到物理轴最标下。

步骤S8：结束判定，判断精密运动台是否到达目标位置；如果到达进入步骤S9，如果未到达，进入步骤S10；

步骤S9：Workingstep设置，根据S2进入的控制周期，对Workingstep赋值，若完成1阶段则赋值为2，若完成2阶段则赋值为0；

步骤S10：光纤数据处理，将S7转换后的控制数据，通过光纤发送到从FPGA。结束本控制周期。

参见图5，控制目标机和模型目标机数据同步流程图

1)控制算法目标机中的内核驱动模块下发时钟周期配指令给主FPGA卡并通知通讯卡开始通讯工作；

2)主FPGA卡将接收数据缓存中的模型目标机的状态信息数据发送给控制器并等待，同时将发送数据缓存中的控制参数数据发送给从FPGA卡并等待；

3)当主FGPA卡收到来自精密运动台控制程序当前周期的计算结果，将控制指令数据保存到发送缓存区中等待下个周期发送给被控对象；当收到来从FPGA卡的当前周期的状态信息数据后，将模型的传感器信息数据保存到接收数据缓存中等待下个周期发送给精密运动台控制程序；

4)从FPGA卡接收到时钟同步信号后，将接收数据缓存中的控制指令数据发送给精密运动台模型程序并等待，同时将发送数据缓存中的传感器信息数据发送给主FPGA卡并等待；

5)当从FPGA卡收到来自精密运动台模型程序当前周期的计算结果，将传感器信息数据保存到发送缓存区中等待下个周期发送给主FPGA；当收到来主FPGA卡的当前周期的控制指令数据后，将数据保存到接收数据缓存中等待下个时钟出发信号发送给精密运动台模型程序；

参见图6，本发明超精密运动台控制系统开发流程是：先搭建仿真模型，进行控制参数优化与仿真验证，然后将精密运动台模型和控制拆分，分别替换通讯接口模块，在两台目标机中分别运行相应的程序，构建半实物仿真系统，并进行控制参数的在线优化。

以下将描述本发明一个实施实例，研发人员针对协作机器人开发的步骤具体为：

步骤S1：搭建超紧密运动台被控对象模型，模型设计，基于超精密运动平台模型库，建立精密运动台仿真模型。

步骤S2：设计控制器，针对S1模型设计控制算法，包括轨迹规划、控制算法设计、滤波等。

步骤S3：启动仿真测试，并进行控制参数调整。在Simulink环境下，进行数值仿真，观察控制效果

步骤S4：判断是否满足控制需求，如果不满足返回S3，满足进入S5.

步骤S5：模型拆分替换，将仿真模型拆分成控制和模型两个程序，并从接口库中，分别加入通讯接口模块。

步骤S6：使用快速原型开发工具，分别部署到两台目标机中，启动程序，观察半实物仿真控制效果

步骤S7：根据实际运行效果，动态调整控制参数。

步骤S8：断是否满足控制需求，如果不满足返回S7，直到满足控制要求，超紧密运动台半实物仿真系统开发完成。

综上所述，本发明所要解决的技术问题在于针对光刻机模型在环、硬件在环测试方法缺失等问题，开发了基于模型设计的超精密运动台半实物仿真系统，该系统封装了光刻机的核心组件，包括光刻机模型库、控制库、通讯库等，构建超精密运动台半实物仿真系统，解决了传统数字仿真不能在线调整参数的问题，实现了Matlab/Simulink仿真程序的快速C代码化和仿真实时性。本发明所要解决的技术问题在于从而辅助设计人员快速实现光刻机超精密控制系统设计方案的仿真、分析与优化，提高光刻机的开发效率，缩短设计周期，是一种新的快速设计解决方案，利于推广使用。

Claims (8)

1.超精密运动台半实物仿真系统，其特征在于，包括：

上位机，用于构建仿真环境，对超精密运动台进行建模与仿真测试，并将仿真程序部署到控制算法目标机或模型目标机中；在线调整控制算法目标机的控制参数，监控模型目标机的状态参数；

控制算法目标机，用于为上位机提供运行仿真程序实时代码的仿真环境，实时运行部属的仿真程序；

模型目标机，用于为上位机提供运行仿真程序实时代码的仿真环境，或者提供真实的超精密运动台的状态参数。

2.根据权利要求1所述的超精密运动台半实物仿真系统及方法，其特征在于：所述控制算法目标机内设有主FPGA卡，所述模型目标机内设有从FPGA卡，主FPGA卡与从FPGA卡用于实现时钟信号同步，并通过光纤通讯实现两个目标机之间的信号传递。

3.根据权利要求2所述的超精密运动台半实物仿真系统及方法，其特征在于：

所述主FPGA卡作为时钟源，每隔设定时间将前一个周期来自从FPGA卡的传感器信息数据通过DMA发送给控制器内核层，同时将前一个周期控制指令发送给从FPGA；

所述从FPGA接收到前一个周期控制指令后，通过DMA发送到被控对象内核层；

当控制器计算结束后，通过DMA将被控制器计算得到的控制指令保存到主FPGA的发送缓存中，模型目标机通过DMA将被控对象模型计算得到的传感器信息数据保存到主FPGA的接收缓存中，结束当前周期工作。

4.根据权利要求1所述的超精密运动台半实物仿真系统及方法，其特征在于：所述模型目标机替换为真实的超精密运动台。

5.根据权利要求1所述的超精密运动台半实物仿真系统及方法，其特征在于：所述超精密运动平台为光刻机。

6.超精密运动台半实物仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：构建超精密运动台被控对象模型；

步骤S2：针对超精密运动台被控对象模型构建控制器；

步骤S3：启动仿真测试，并通过上位机调整控制参数；

步骤S4：将控制器和被控对象模型分别部署到控制算法目标机和模型目标机，进行仿真。

7.根据权利要求6的超精密运动台半实物仿真方法，其特征在于，主FPGA卡与从FPGA卡实现时钟信号同步，并通过光纤通讯实现两个目标机之间的信号传递，包括以下步骤：

1)主FPGA卡将接收数据缓存中的模型目标机的传感器信息数据发送给控制器并等待，同时将发送数据缓存中的控制指令发送给从FPGA卡并等待；

3)当主FPGA卡收到来自控制器当前周期的计算结果，将控制指令保存到发送缓存区中等待下个周期发送给被控对象模型；当收到来自从FPGA卡的当前周期的传感器信息数据后，将被控对象模型的传感器信息数据保存到接收数据缓存中等待下个周期发送给控制器；

4)从FPGA卡接收到时钟同步信号后，将接收数据缓存中的控制指令发送给被控对象模型并等待，同时将发送数据缓存中的传感器信息数据发送给主FPGA卡并等待；

5)当从FPGA卡收到来被控对象模型当前周期的计算结果，将传感器信息数据保存到发送缓存区中等待下个周期发送给主FPGA；当收到来自主FPGA卡的当前周期的控制指令后，将控制指令保存到接收数据缓存中等待下个时钟出发信号发送给被控对象模型。

8.根据权利要求6所述的超精密运动台半实物仿真方法，其特征在于，控制算法目标机执行以下步骤：

主FPGA通过光纤采集从FPGA信息，获取精密运动台的传感器信息数据；

通过Workingstep数值进入不同控制周期；根据参数设置进入不同运动过程；

运动过程包括：光纤采集到的精密运动台的物理轴位置，转换到逻辑轴坐标下，获得当前初始位姿；根据参数和初始位姿规划期望轨迹，并根据控制器控制运动台使得运动台跟随期望轨迹运动；将得到的控制指令从逻辑轴转换到物理轴坐标下，并将转换后的控制指令；

将控制指令通过光纤发送到从FPGA，结束本控制周期。

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