Изучение принципа работы установки "Зонд-5А" и её использования для контроля электрических параметров интегральных микросхем, страница 2

В общем случае канал передачи данных содержит следующие основные технические средства:

- системный контроллер, который координирует и контролирует работу отдельных элементов системы, осуществляет изменение форматов данных и команд в процессе обмена с ЭВМ;

- шинную систему, по которой передаются информационные и управляющие сигналы между всеми элементами системы;

- интерфейсные схемы обмена, непосредственно связанные с шинной системой канала и входящими в систему измерительными приборами и преобразователями.

Из множества контрольных операций наиболее важным с технико-экономических позиций является функциональный контроль отдельных ИМС на пластине с последующей выбраковкой дефектных. Эти испытания производятся с помощью установок с многозондовыми головками, комплектуемыми двухкоординатными каретками, обеспечивающими в диапазоне перемещений до 300 мм точность установки позиции до 5-10 мкм. Современные установки обеспечивают производительность до 60 000 циклов перемещения в час.

Большинство координатных систем, комплектующих установки
изготовления фотошаблонов, переноса изображения на полупроводниковые пластины, монтажно-сборочные и контрольно-измерительные, относятся к системам позиционирования. Это предопределило широкое применение в них привода с шаговыми двигателями благодаря возможности непосредственного управления ими
от цифровых управляющих устройств, наличия усилия фиксации в
статическом состоянии. Шаговый двигатель рассматривается
прежде всего как преобразователь числа поступивших на блок управления импульсов в пропорциональное угловое перемещение. При этом скорость ротора пропорциональна частоте импульсов. Основным достоинством привода с ШД считается возможность
построения автоматических систем без обратной связи по скорости и положению.

Шаговый двигатель. Шаговый двигатель (ШД) - это электрическая машина, позволяющая преобразовывать импульсы управления в угловые или линейные перемещения фиксированной величины.

По конструкции ШД представляют собой многофазные синхронные двигатели с явно выраженными полюсами, рассчитанные на работу в широком диапазоне частот управляющих импульсов, включая нулевую (фиксацию ротора при питании фазной обмотки постоянным током). ШД различаются прежде всего числом фаз и
типом магнитной системы. Большинство конструкций ШД имеет от двух до шести фаз. По типу магнитной системы ШД делятся на двигатели с активным ротором и на двигатели с пассивным ротором.

Ротор активного ШД (рис. 2, a) представляет собой конструкцию типа звездочки из постоянных магнитов. На полюсных выступах 1-4 статора  размещены обмотки двух фаз I и II. Обмотки одной фазы располагаются на противоположных полюсах и соединены последовательно. Когда по обмоткам I фазы протекает ток положительного направления (интервал t₀ - t₁), ротор зафиксирован в положении, при котором ось полюсов ротора 1-4 расположена по оси статора 1-3. При отключении фазы I и включении с отрицательной полярностью фазы II  (интервал t₁ - t₂) ротор, поворачиваясь по часовой стрелке, фиксируется в положении, когда полюс 2 ротора располагается по оси полюса 2 статора, а полюс 5 ротора - по оси полюса 4 статора. Подобным образом на интервале t₂ - t₃ ось полюсов ротора 3-6 расположится по оси полюсов статора 1-3, а на
интервале t₃ - t₄ ,ось полюсов 1-4 ротора зафиксируется по оси полюсов 2-4 статора. Далее, на интервале t₄ – t₅  электрическое состояние обмоток становится идентичным состоянию на интервале t₀ - t₁ и начинается новый цикл коммутации двигателя. Таким образом, после каждого переключения фаз ротор поворачивается на фиксированный угол, равный в данном примере 30°.

Рис. 2.  Конструкции двухфазного шагового двигателя с активным ротором (а) и четырехфазного шагового двигателя с пассивным ротором (б).

За цикл коммутации (t₀ - t₄ или t₅ – t₈), состоящий из четырех тактов коммутации, ротор совершает четыре скачкообразных угловых перемещения, называемых шагами. В общем случае угловая величина шага, называемая ценой шага, определяется для ШД с активным ротором формулой

,

где  р  -  число пар  полюсов  активного ротора; п -  число тактов коммутации ШД в цикле.

Конструктивная схема четырехфазного ШД с пассивным ротором дана на рис., б. Ротор выполнен в виде зубчатого цилиндра из магнитомягкой стали. На зубчатых полюсах 1-8 статора расположены обмотки четырех фаз I-IV. Обмотки одной
фазы размещены на противоположных полюсах и соединены последовательно. При включенной фазе I  (t_о-t₁) ротор занимает  позицию, соответствующую максимуму магнитной проводимости  между полюсами фазы I и ротором, что соответствует соосности зубцов ротора и зубцов полюсов статора 1 и 5. При включении фазы II (t₁-t₂) ротор поворачивается по часовой стрелке и занимает положение, когда зубцы ротора расположены по оси зубцов полюсов статора 2 и 6. Далее включаются последовательно фазы III и IV. При каждом такте коммутации ротор поворачивается на малый угол, в первом такте (t₄-t₅) следующего цикла коммутации ротор занимает подобное такту t_о-t₁ положение, повернувшись за цикл коммутации на угол, равный зубцовому делению ротора, т. е. на угол, занимаемый одним зубцом и одним пазом ротора. В данном примере с 18 зубцами на роторе этот угол равен 20°. В каждом из четырех тактов цикла коммутации ротор поворачивается на фиксированный угол, равный 5°. Вообще, цена шага

ШД с z зубцами на пассивном роторе при п тактах коммутации определяется выражением

.

Необходимо отметить, что если поле статора поворачивается за цикл коммутации на полный оборот, то ротор - на величину зубцового деления, т. е. в таких ШД применен принцип электромагнитной редукции, из-за чего ШД с зубчатым пассивным ротором
часто называют редукторными. В рассмотренном примере в каждом такте коммутации поле статора поворачивается на электрический угол, равный  π/2, а ротор перемещается на механический угол, равный 5°.

Реверс ШД осуществляется изменением последовательности включения фазных обмоток на противоположную.

Однако сравнительно невысокие скорости таких двигателей в номинальных режимах во многом ограничили их применение в прецизионных системах. Появление способов управления шаговыми двигателями, переводящих их в режим бесконтактной машины постоянного тока, позволило увеличить максимальные скорости в 5-10 раз при существенном улучшении качества  движения.

Появление в практике проектирования координатных систем линейных шаговых двигателей на электромагнитных направляющих с аэростатическим подвесом подвижной части дало возможность разрешить большинство противоречий между точностью и быстродействием систем управления перемещениями, обеспечить стабильность во времени эксплуатационных характеристик оборудования. Возможность самой высокой степени унификации приводных систем на базе линейных шаговых двигателей обеспечивает оперативную сменяемость поколений технологического оборудования микроэлектроники.