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1、湖 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 I摘 要 晶圆清洗作业对无尘工作环境和清洗设备都有很高的要求。 目前晶圆清洗机采用直流伺服电动机作为驱动电机，但碳刷的磨损给无尘工作环境带来了污染，增加了维护成本。稀土永磁无刷直流电动机取消了碳刷和换向器，可靠性高，免维护，高效率，是有刷直流电动机的理想替代电机。 项目研究内容包括四个方面。首先，对集中绕组无刷电机相关理论问题进行研究，如分析表贴式无刷电机转子磁钢宽度与气隙磁密波形的关系，无刷电机无位置传感器检测位置方法电感法， 在此基础上试制出晶圆清洗机中空轴无刷电机；其次，在研究所已开发的通用无刷电机控制器基础上，设计并制作用于晶圆清洗机无刷
2、电机控制器；再次，对晶圆清洗机无刷电机控制策略进行研究，然后进行软件开发和现场调试与试验； 最后对方波无刷电机全速范围内的转矩脉动抑制进行研究，提出了低速、中速和高速的控制策略，然后软件设计和进行调试与试验。 论文分为六章。第 1 章综述了晶圆清洗机驱动电机、无刷电机控制器以及其控制策略的发展现状，根据晶圆清洗机的生产工艺过程，介绍了对无刷电机驱动控制的要求；第 2 章分析了表贴式无刷电机转子磁钢宽度与气隙磁密波形的关系，研究了无刷电机无位置传感器检测位置方法电感法，最后讨论了晶圆清洗机无刷电机的设计和工艺问题；第 3 章研究了基于 DSP2407 和三菱 IPM 的无刷电机控制器，介绍了整个
3、控制器的硬件构成，详细说明了各个模块的功能及实现方法，给出了设计过程中出现的问题和解决办法；第 4 章对晶圆清洗机的控制策略进行了研究， 选择改进的双闭环控制策略， 然后进行了该控制策略的软件设计，最后进行了仿真和现场试验； 第 5 章对方波无刷电机全速范围内的转矩脉动抑制进行研究，提出低、中和高速相应控制策略，然后进行该控制策略的软件设计与现场调试与试验，给出了试验结果；第 6 章全文总结。 关键词：关键词：晶圆清洗机；无刷电机；控制策略；转矩脉动；试验 湖 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 IIAbstract Wafer cleaning machine have high d
4、emands on the dust-free working environment and cleaning equipment. Currently，wafer cleaning machine are drived by DC servo motor, but wearing and tearing of the carbon brush has polluted to the dust-free working environment, increasing the cost of maintenance. Rare-earth permanent magnet brushless
5、DC motor, which takes the place of carbon brush and commutator, has high reliability, maintenance-free, and high efficiency. It is a perfect substitute of brush DC motor. The work of project includes four aspects. A) The concentrated winding brushless DC motors are researched such as the relationshi
6、p between the width of surface-mount brushless motor rotor magnet and the air-gap flux density wave, and inductive method, which is a method that the brushless motor without position sensor detects the location of rotor; then the hollow-shaft brushless DC motor of wafer cleaning machine is trial-man
7、ufactured. B) The controller of BLDC motor will be developed. C) The control strategies and the improving dPID control strategy of brushless DC motor are studied, then the software is developed， simulinked and tested. D) The control strategies of torque ripple of square- wave brushless DC motor with
8、in the whole scope of speed, including low-speed, medium speed and high-speed, are studied, and the software is devloped and debugged. This paper is divided into six chapters. Chapter 1 summarizes the drive motor state of wafer cleaning machine, brushless DC motor controller, control strategy, and t
9、he requirements of the brushless DC motor control according to the production process of wafer cleaning machine. Chapter 2 analyzes the relationship between rotor magnet width of surface-mount-type brushless DC motor and air-gap flux density waveform, then researches the inductive method, and finall
10、y discusses the design and process of wafer cleaning machine brushless DC motors. Chapter 3 introduces the controller hardware structure, and presents details description of the functions of each module and the implementation method given in the design process problems and solutions, based on the DS
11、P2407 and Mitsubishi IPM brushless motor controller. Chapter 4 studies the control strategy of wafer cleaning machine , select the improved dual-loop control strategy, then design the software of control strategy, and complement simulation and testing. Chapter 5 study how to keep down the speed torq
12、ue ripple of other wave brushless motor within the scope, carry out control strategy corresponding low, medium and high-speed, and then carry out the control strategy of the software design and field commissioning and testing, give the test results. Chapter 6 summarizes Full-text. Keywords: wafer cl
13、eaing machine; BLDC motor; control strategy; torque ripple; test学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权
14、保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 湖 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 1第 1 章 绪 论 1.1 晶圆清洗机驱动电机及其控制器发展现状 1.1.1 晶圆清洗机驱动电机发展现状 受益于全球半导体产业转移， 近年来中国在集成电路制造产业领域的投资增长率高居全球之首，为全球第六大集成电路设备市场。中国集成电路设备市场份额不断扩大，已从
15、2000 年占全球市场的 1.1%上升到 2010 年的 7.6%。 在半导体产业复苏的带动下，预计 2010 年中国半导体设备市场规模将达到 18.7 亿美元，同比增长 78.3%。2011 年将达到 25.6 亿美元，同比增长 36.5%。 现阶段国产集成电路制造设备主要供应 6 英寸及 6 英寸以下和部分 8 英寸及以上的集成电路，相关生产企业已开始采用国内厂商的生产设备。虽然国内集成电路制造设备研制水平正在进步，但与美、日等发达国家的技术水平相比仍有较大差距。 目前，国外大厂商设备在 8 英寸及以上的集成电路生产线中占据大部分市场份额。随着电子整机向多功能、高复杂度、小型化方向发展，集
16、成电路生产线正在向 12 英寸 32nm 及更低线宽的方向发展。半导体设备的新增需求主要集中在高端领域。北美和日本半导体设备厂商基本涵盖了全球半导体设备市场的 90%以上。 随着集成电路向着多功能、 高复杂度、 小型化方向发展， 在集成电路制程中，晶圆清洗作业对无尘工作环境和清洗设备都提出了很高的要求。 在晶圆清洗作业中，晶圆置于晶舟中高速清洗以便去掉表面残留的化学物质，晶舟由电机驱动缓慢加、减速旋转。晶圆驱动电机是晶圆清洗机的关键部件。目前市场上晶圆清洗机的驱动电机一般采用传统的有刷直流伺服电机，步进电机，部分采用永磁同步电机。 传统有刷永磁直流伺服电动机永磁体励磁，控制简单，调速方便，只需改变输入电压或电流就可以实现对输出转矩的控制，进行平滑调速，动态性能良好，能很好满足晶圆清洗设备性能要求，因此在晶圆清洗机上
