控制系统和控制方法与流程

本公开涉及一种用于基于无线通信进行控制的控制系统和控制方法。

背景技术：

通常，存在向电机供电并驱动电机的系统。在半导体曝光设备中，以极少的量移动晶片以在晶片上形成图案的电机安装在将晶片移动至曝光位置的台上，并且供给用于驱动电机的电力的电源电缆连接到台。该电缆也可以随着台的移动而移动，因此，该电缆的张力影响台的定位精度。鉴于此，正在考虑实现对电机的无线驱动以消除对电源电缆的需求。

作为用于实现对电机的无线驱动的技术，日本特许第6219495号公报公开了一种无线驱动车辆的车轮的电机系统的构造。在该电机系统中，不仅通过无线方式发送用于驱动电机的电力，而且还通过使用利用电磁波的无线通信将控制信号发送至设置在电力接收侧(可移动侧)的电机驱动电路，由此实现对电机驱动电路的控制。此外，为了应对在进行利用电磁波的无线通信时发生的延迟的影响，在电力接收侧设置用于检测驱动电流和驱动电压的检测电路，并基于检测值进行反馈控制，从而实现对整流电路的控制。

近年来，需要提高用于驱动诸如电机的负载部的控制信号的无线通信的速度。为了提高例如半导体曝光设备中的精度和曝光速度，需要以较短的周期发送用于驱动电机的控制信号。在日本特许第6219495号公报中公开的技术中，由于根据无线lan的标准等进行利用电磁波的辐射无线通信，因此可以预期由于协议处理等而发生几百μs至几ms的延迟。

技术实现要素：

根据本公开的各种实施例，提供了一种控制系统，其包括：电力发送线圈，其用于以无线方式发送从电源供给的电力；电力接收线圈，其用于通过电力发送线圈与电力接收线圈之间的电磁耦合来以无线方式接收电力；驱动电路，其被构造为使用经由电力接收线圈接收的电力来驱动负载部；发送耦合器，其用于以无线方式发送用于控制负载部的发送信号；接收耦合器，其用于通过发送耦合器与接收耦合器之间的电磁耦合来以无线方式接收发送信号；以及生成电路，其被构造为根据经由接收耦合器接收的发送信号生成用于控制驱动电路的驱动信号。

根据本公开的各种实施例，提供了一种控制系统，其包括：电力发送线圈，其用于以无线方式发送从电源供给的电力；电力接收线圈，其用于通过电力发送线圈与电力接收线圈之间的电磁耦合来以无线方式接收电力；驱动电路，其被构造为使用经由电力接收线圈接收的电力来驱动负载部；发送耦合器，其用于以无线方式发送用于控制负载部的驱动的发送信号；接收耦合器，其用于通过发送耦合器与接收耦合器之间的光耦合来以无线方式接收发送信号；以及生成电路，其被构造为根据经由接收耦合器接收的发送信号生成用于控制驱动电路的驱动信号。

根据本公开的各种实施例，提供了一种用于控制系统的控制方法，所述控制系统包括：电力发送线圈、电力接收线圈、发送耦合器、接收耦合器以及负载部，所述控制方法包括：经由电力发送线圈与电力接收线圈之间的电磁耦合来以无线方式发送从电源供给的电力；经由发送耦合器与接收耦合器之间的电磁耦合来以无线方式发送用于控制负载部的驱动的发送信号；以及根据经由接收耦合器接收的发送信号来生成用于控制驱动电路的驱动信号，所述驱动电路使用经由电力接收线圈接收的电力来驱动负载部。

通过以下参考附图对示例性实施例的描述，本公开的其他特征将变得清楚。

附图说明

图1是根据一个实施例的驱动系统的电路框图。

图2是示出根据第一实施例的电机驱动电路和栅极驱动电路的电路构造的图。

图3是示出根据一个实施例的将驱动系统应用于可移动台的示例的示意图。

图4示出了根据第一实施例的驱动系统的输入/输出特性的测量结果。

图5是示出根据第二实施例的电机驱动电路和栅极驱动电路的电路构造的图。

图6示出了根据第二实施例的驱动电路的操作波形的实际测量结果。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本公开的实施例。注意，以下描述的实施例并不意在限制本公开的范围。在实施例中描述了多个特征，但是本公开不限于例如要求所有这样的特征的实施例，并且可以适当地组合多个这样的特征。此外，注意，在附图中，相同或相似的构造被赋予相同的附图标记，并且已经省略了其多余的描述。

第一实施例

图1示出了根据第一实施例的用作控制系统的驱动系统300的电路的方框构造。驱动系统300由电力发送侧电路100和电力接收侧电路200构成。电力发送侧电路100和电力接收侧电路200并不以物理方式连接。电力以非接触方式从电力发送线圈101发送到电力接收线圈201，并且控制信号以非接触方式从发送耦合器102发送到接收耦合器202。

电源104是驱动作为负载部的电机400的电源。控制器103基于可以从光学传感器等获得的电机400的当前位置信息，发出关于下一位置的命令。具体地，控制器103发出针对确定电机400的推力的电源104的输出电压振幅值的命令以及针对确定电机400的移动方向的电机施加电压符号的命令。电源104从控制器103接收针对输出电压振幅值的命令，并基于该命令输出具有振幅值的电压。将针对电机施加电压符号的命令(符号切换信号)从控制器103经由发送电路105、发送耦合器102、接收耦合器202以及接收电路203发送至栅极驱动电路205。如下所述，通过符号切换信号将电机驱动电路206的整流操作反转180°，并且施加到电机400的电压的符号从正反转为负，或者从负反转为正。

向电机施加正电压的驱动系统300的操作

首先，将详细描述用于向电机400施加正电压的驱动系统300的操作的示例。从控制器103接收到针对输出电压振幅值的命令的电源104将具有基于该命令的振幅值的电压(电源输出电压)输出至sw电路106。sw电路106包括发电机，该发电机生成预定频率的时钟信号，并且用作转换器电路，该转换器电路通过根据生成的时钟信号驱动sw电路106中包括的开关元件来对输入的电源输出电压(直流电压)进行切换，并将电源输出电压(直流电压)转换为ac波形(交流电压)。开关频率高于控制器103的命令频率，即电机控制频率。注意，时钟信号可以由控制器103生成并提供给sw电路106。

然后，从sw电路106输出的电力被发送到电力发送线圈101，并且经由电力发送线圈101和电力接收线圈201之间的电磁耦合被发送并输入到电力接收电路204。这里，sw电路106和电力接收电路204由包括电感器和电容器的谐振电源电路形成。根据电力发送线圈101和电力接收线圈201的电感值和电阻值、电力发送线圈101与电力接收线圈201的耦合系数、开关频率、最大电源输出电压值、最大电机施加电压值(施加到电机400的电压值)和电机400的电阻值来确定谐振电源电路的元件值。电源输出电压值和电机施加电压值每次根据来自控制器103的命令而变化。因此，可以调整谐振电源电路的元件值，以使得电源输出电压值和电机施加电压值在根据用途预先确定的电压范围内基本相等。此外，通过采用如下构造，可以高精度地驱动电机400，即，预先测量电源输出电压值与电机施加电压值之间的关系并将其制成表格，并且发出用于获得期望的电机施加电压值的针对电源输出电压值的命令。

本实施例中的电磁耦合包括电场耦合和磁场耦合两者。即，可以经由电场耦合、经由磁场耦合或经由电场耦合和磁场耦合两者来进行无线电力发送。磁场耦合包括电磁感应和磁谐振。而且，可以根据利用微波的方法来进行无线电力发送。注意，在本实施例中，将主要描述进行利用磁场耦合的无线电力发送的情况。

由sw电路106生成的时钟信号还被电机驱动电路206用于同步整流。从sw电路106输出的时钟信号和从控制器103输出的符号切换信号被输入到发送电路105，并且生成用于以调整后的相位和振幅发送的信号。然后，将发送信号输入到发送耦合器102。注意，发送电路105可以根据时钟信号或符号切换信号来生成发送信号。调整相位以调整同步整流的定时，并且调整振幅以通过接收电路203再现。然后，发送信号经由发送耦合器102与接收耦合器202之间的电磁耦合发送到接收耦合器202，并输入到接收电路203。时钟信号经由电磁耦合以流式发送。因此，不会发生在无线通信中(诸如发送数据包)将发生的延迟，并且可以进行高速信号发送。接收电路203从由接收耦合器202接收的信号中再现时钟信号。再现的时钟信号被输入到栅极驱动电路205，并且驱动电机驱动电路206的同步整流电路207(图2)。通过设置同步整流电路可以提高电机控制的精度，因为即使是无法通过二极管整流的几mv的小电压也可以被整流，并且可以向电机施加小电压。电机驱动电路206对从电力接收电路204输出的ac波形进行整流，然后确定输出电压的符号，并将输出电压施加至电机400。

发送耦合器102和接收耦合器202之间的无线通信可以经由电场耦合、经由磁场耦合、或者经由电场耦合和磁场耦合两者来进行。在本实施例中经由电磁耦合进行的无线通信与利用远场电磁波作为发送介质的辐射通信方法不同，并且是利用近电磁场作为发送介质的非辐射通信方法。注意，在本实施例中，根据基带方法在发送耦合器102和接收耦合器202之间以无线方式发送电信号。根据基带方法，不需要对电信号的调制和解调，因此，可以减小电路规模并且可以以很少的延迟进行通信。然而，通信方法不限于此，例如，可以通过使用控制信号或时钟信号调制从发送耦合器102发送到接收耦合器202的载波来进行载波通信。

图2是示出根据第一实施例的电机驱动电路和栅极驱动电路的电路构造的图。该图示出了本实施例中的电机驱动电路206和栅极驱动电路205的详细电路构造的示例。电机驱动电路206包括同步整流电路207和符号切换电路208。栅极驱动电路205包括驱动信号生成电路215-1至215-8。同步整流电路207基于从接收电路203输出的时钟信号，使用由驱动信号生成电路215-1至215-4生成的栅极驱动信号进行操作。具体而言，驱动信号生成电路215-1至215-4生成同步整流电路207的开关元件的源极-栅极电压(信号)作为栅极驱动信号。源极-栅极电压可以通过使接收电路203和电机驱动电路206彼此绝缘或通过使用自举电路来产生。同步整流电路207的开关元件通过源极-栅极电压接通和断开。例如，通过当图2中示出的时钟信号输入的两个端子中的上端子具有正电位时接通同步整流电路207的左上和右下开关元件并且断开左下和右上开关元件并且当时钟信号输入的上端子具有负电位时进行相反的操作，来自同步整流电路207的输出的上侧恒定地具有正电位。关于进行在接通和断开之间的切换的定时，只要预先测量电力接收电路204的输出电压波形的过零定时，并且使用发送电路105进行相位调整，使得时钟信号的相位与过零定时匹配就足够了。只要在调整后，保持相移量固定就足够了。另外，如果过零定时根据电源104的输出电压振幅而变动，则可以通过预先测量输出电压振幅与相移量之间的关系并且相对于电力发送侧电路100中的输出电压振幅自动校正相移量而进一步提高整流效率。

符号切换电路208是选择将同步整流电路207的输出电压直接输出为正电压还是将电压切换为负电压后输出输出电压的电路。符号切换电路208的开关元件基于从控制器103输出的符号切换信号，根据由驱动信号生成电路215-5至215-8生成的栅极驱动信号进行操作。与同步整流电路207类似，驱动信号生成电路215-5至215-8生成符号切换电路208的开关元件的源极-栅极电压(信号)作为栅极驱动信号。与同步整流电路207类似，可以通过使接收电路203和电机驱动电路206彼此绝缘或通过使用自举电路来产生源极-栅极电压。如果将正电压施加到电机400，则控制器103发送接通符号切换电路208的右上和左下开关元件并且断开左上和右下开关元件的符号切换信号就足够了。

向电机施加负电压的驱动系统300的操作

接下来，将描述用于向电机400施加负电压的驱动系统300的操作的示例。从控制器103发送到发送电路105的符号切换信号的符号被反转，但在其他情况下，操作与施加正电压的操作相同。如果符号切换信号的符号反转，则接通的符号切换电路208的开关元件和断开的开关元件彼此切换。因此，符号切换电路208的左上和右下开关元件接通，并且左下和右上开关元件断开，并且电机施加电压的符号反转。

如上所述，控制电机驱动电路206的信号包括具有固定频率和占空比的时钟信号以及提供用于切换输出电压的符号的定时的简单的开/关信号。常规地，典型的电机控制信号是脉冲宽度调制(pwm)信号，输入到电机驱动电路的电压的振幅是固定的，并且通过改变提供给电机驱动电路的控制信号的脉冲宽度来改变电机施加电压的振幅和符号。另一方面，在本实施例中，通过电力发送侧电路100的电源104来改变电机施加电压的振幅。因此，空间受限制的电力接收侧电路200不需要改变电机施加电压的振幅，并且实现了电力接收侧电路200的尺寸的减小。

图3是示出根据一个实施例的将驱动系统300应用于例如半导体曝光设备的可移动台的示例的示意图。电力接收侧电路200布置在可移动台401上，并且相对于电力发送侧电路100以物理方式移动。电力发送侧电路100未布置在可移动台401上，而是布置在其中布置有使可移动台401移动的可移动台电源402的固定侧上。电力发送侧电路100本身不移动。

在电力发送侧电路100和电力接收侧电路200之间存在用于无线供电和通信的电力发送器110和电力接收器210。电力发送线圈101和发送耦合器102安装在电力发送器110上，并且电力接收线圈201和接收耦合器202安装在电力接收器210上。电力发送器110和电力接收器210彼此不接触。电力接收器210也布置在可移动台401上，并且与可移动台401一起移动。例如，电力发送器110比电力接收器210长，并且电力接收器210被构造为能够在沿着电力发送器110比电力接收器210长的方向上单轴移动。通过以这样的方式使电力发送器110足够长以覆盖可移动台401的移动范围，不管可移动台401移动到什么位置，可以以非接触方式向电机供给电力。注意，电力发送器110和电力接收器210的布置不限于图3中所示的布置，电力接收器210可以被构造为比电力发送器110更长。另外，电力发送器110可以相对于电力接收器210移动，或者电力发送器110和电力接收器210两者都可以沿着预定方向相对于彼此移动。为了允许电力发送器110移动，电力发送器110可以安装在不同的可移动台上。

电力发送线圈101具有例如横向较长的椭圆形线圈形状，并且电力接收线圈201是比电力发送线圈101短的线圈。电力接收线圈201可以较长，而电力发送线圈101可以较短。发送耦合器102例如由布置在印刷电路板上的长差分信号线构成，并且时钟信号从其一侧的端部输入，并且其另一侧的端部终止。接收耦合器202例如由布置在印刷电路板上的短差分信号线构成。差分信号线连接到接收电路203的差分输入。经由彼此面对面并且彼此电磁耦合的发送耦合器102和接收耦合器202的差分信号线来发送信号。接收耦合器202可以较长，而发送耦合器102可以较短。

图4示出了根据第一实施例的驱动系统的输入/输出特性的测量结果。图4示出了通过相对于电源104的输出电压测量施加到电机400的施加电压而获得的输入/输出特性的测量结果(实线)。在曲线图4a和曲线图4b中，横轴表示电源104的输出电压，即输入电压，纵轴表示施加到电机400的施加电压，即输出电压。正电压和负电压两者都通过反转符号切换信号来测量。另外，在曲线图中还示出了与输入和输出匹配的情况相对应的理想曲线(虚线)。开关频率为4mhz，并且连接3mh的电感器作为虚拟负载来代替电机。从曲线图4b可以看出，可以以无线方式供给从0v到30v的任何电压。尽管存在输出电压低于理想曲线的部分，但是可以通过基于曲线图4a和曲线图4b校正从控制器103到电源104的输出电压振幅的命令值以使电源输出电压增大输出电压低于理想曲线的量，来使输出电压更接近理想曲线。

上面已经描述了第一实施例。根据上述第一实施例的各种实施例，通过使用电磁耦合以非接触方式将电机驱动信号发送到可移动侧，来实现电机控制速度的提高。此外，高速时钟信号也可以以很少的延迟发送到同步整流电路。因此，在可移动侧上不需要检测电路和反馈控制电路，并且实现了可移动侧电路的尺寸和重量的减小。

第二实施例

接下来，将描述第二实施例中的驱动系统300。在下面的描述中将描述与第一实施例的不同之处。适当时已省略其冗余描述。图5是示出根据第二实施例的电机驱动电路和栅极驱动电路的电路构造的图。图5示出了本实施例中的电机驱动电路206和栅极驱动电路205的详细电路构造的示例。在第一实施例中，同步整流电路207和符号切换电路208被构造为分开。然而，在本第二实施例中，同步整流电路207和符号切换电路208被组合为组合电路(同步整流/符号切换电路209)。由于这个因素，栅极驱动电路205的规模减半，并且实现了电路尺寸的进一步减小。

同步整流/符号切换电路209的开关元件使用由驱动信号生成电路215-9至215-12生成的栅极驱动信号进行操作。驱动信号生成电路215-9至215-12生成同步整流/符号切换电路209的开关元件的源极-栅极电压(信号)作为栅极驱动信号。类似于第一实施例，通过使接收电路203和电机驱动电路206彼此绝缘或通过使用自举电路来生成源极-栅极电压。

开关元件以双向开关的形式布置，其中每个驱动信号生成电路(驱动信号生成电路215-9至215-12中的任何一个)存在两个开关元件。这样做的原因是因为ac电压从输入端进入，因此，如果只有一个开关元件，则当符号反转时体二极管将接通，并且栅极驱动电路205将无法进行开/关控制。

另外，为了使用单个电路同时进行同步整流和符号切换，输入到栅极驱动电路205的控制信号是将时钟信号和符号切换信号组合的信号。在第一实施例中，时钟信号和符号切换信号是分开的信号，因此，需要两对发送耦合器102和接收耦合器202，一对用于时钟信号，另一对用于符号切换信号。另一方面，在本实施例中，一对发送耦合器102和接收耦合器202就足够了，并且可以减小电力发送器110和电力接收器210的尺寸。

接下来，将描述同步整流/符号切换电路209的操作。在向电机400施加正电压期间(在输出正电压期间)，只要在输入的两个端子中的上端子具有正电位时接通同步整流/符号切换电路209的左上和右下双向开关，并断开左下和右上双向开关，而在输入的两个端子中的上端子切换到具有负电位时切换到反向就足够了。与第一实施例类似，这是通过提供与sw电路106的开关时钟同步的栅极驱动信号来实现的。这里，如果开关元件不是双向开关的形式，则体二极管将在输入的两个端子中的上端子切换为具有负电位的时间点接通，并且将无法进行同步整流。

此外，当向电机400施加负电压时(将输出切换为负电压时)，将同步的栅极驱动信号反相就足够了。也就是说，当输入的两个端子中的上端子具有正电位时，接通同步整流/符号切换电路209的左下和右上双向开关，并且断开左上和右下双向开关，并在输入的两个端子中的上端子切换为具有负电位时切换到反向就足够了。如果满足上述条件，则输入到栅极驱动电路205的控制信号可以使用单个电路实现同步整流和符号切换。

使用发送电路105生成这样的控制信号就足够了。例如，如果通过异或(exclusiveoring)来合成从sw电路106输入的时钟信号和从控制器103输入的符号切换信号，则满足上述条件。当符号切换信号为“0”时，直接发送时钟信号，并且如果符号切换信号为“1”，则以反相状态发送时钟信号。其他部分与第一实施例中的部分相同。

如上所述，因为控制电机驱动电路206的信号包括具有固定频率和占空比的时钟信号以及提供用于切换输出电压的符号的定时的简单的开/关信号，所以可以使用单个电路以这种方式实现同步整流和符号切换。现有技术中公开的典型电机控制信号是pwm信号，该pwm信号具有与用于同步整流的时钟信号完全不同的波形。因此，无法通过pwm信号来控制同步整流电路，并且无法减小栅极驱动电路的规模，因此，无法通过pwm信号来实现本公开的各个实施例所实现的尺寸减小。

图6示出了根据第二实施例的驱动电路的操作波形的实际测量结果。在图6中，波形6a示出了实际测量的波形，该波形指示控制器103输出的符号切换信号、输入至栅极驱动电路205的控制信号以及施加至电机400的施加电压之间的关系，并且波形6b示出了波形6a的放大波形。横轴表示时间，波形6a和波形6b分别对应于5μs/div和200ns/div。波形6a和波形6b均从顶部依次示出了符号切换信号波形、控制信号波形和施加电压波形。纵轴表示电压，并且符号切换信号、控制信号和施加电压分别以2v/div、4v/div和2v/div表示。施加电压波形在上升之前是负电压，并且在上升之后是正电压。开关频率为4mhz，并且连接了3mh的电感器作为虚拟负载来代替电机。

从图6可以看出，当符号切换信号从“1”切换到“0”时，输入到栅极驱动电路205的控制信号被反相，即，从时钟信号和符号切换信号合成的合成信号的波形的相位被反相，并且施加电压波形从负电压切换为正电压。尽管从负电压切换到正电压大约需要10μs的时间，与此相关的是由输出电容器和虚拟负载的电感器定义的时间常数，并且通过减小输出电容器可以进一步提高速度。

另外，可以从图6中确认从符号切换信号从“1”切换为“0”的定时直到输入到栅极驱动电路205的控制信号波形的相位反相为止的延迟时间等于或短于100ns。即，可以以等于或小于100ns的周期来控制电机操作。这是因为控制信号经由电磁耦合在发送耦合器102与接收耦合器202之间仅以几ns的延迟被发送，并且如果像在传统技术中那样使用利用电磁波的无线通信，则无法以如此短的周期来控制电机操作。另外，以比电机控制更高的速度切换的时钟信号不能以很小的延迟被发送，因此，不能发送由时钟信号和符号切换信号合成的合成信号。即，在使用利用电磁波的无线通信的情况下，如本实施例那样，无法通过组合同步整流电路207和符号切换电路208来减小栅极驱动电路205的尺寸。如本实施例中那样，通过经由电磁耦合发送控制信号来实现电机控制速度的增加以及布置在可移动侧上的电路的尺寸和重量的减小。

注意，尽管图5中的同步整流/符号切换电路209描述为全桥型电路，但是同步整流/符号切换电路209可以是中心抽头型电路。在这种情况下，由于电力接收线圈201需要被构造成中心抽头型线圈，因此布线变得复杂。但是，同步整流/符号切换电路209中的开关元件的数量可以减少到四个。

变型例

在上述实施例中，描述了通过电磁耦合来耦合发送耦合器102和接收耦合器202的情况。然而，在其他实施例中，可以通过光耦合来耦合发送耦合器102和接收耦合器202。在固定侧上布置具有锐方向性的激光器或发光二极管，并使该激光器或发光二极管沿着台的移动方向发射光，并在可移动侧上布置诸如光电二极管的光接收元件，使得光接收表面位于所发射的光的光路上就足够了。尽管与利用电磁波的无线通信相比，光耦合还使得能够以更少的延迟进行发送，但是与电磁耦合相比，存在取决于发光元件和光接收元件的频率特性的延迟。

另外，例如，可以使用降压-升压电路等从电机施加电压生成用于使接收电路203和栅极驱动电路205操作的电力，或者可以单独设置电力发送线圈和电力接收线圈。

另外，电力发送线圈101和电力接收线圈201可以由印刷电路板上的布线形成。此外，可以将磁性片固定到印刷电路板上以减少电磁耦合期间的损耗。另外，电力发送线圈101和电力接收线圈201例如可以是使用铁氧体等的磁性体和绞合线等的绕组的绕线变压器。

此外，在要施加到电机400的最小电压的绝对值等于或大于数百mv且可以用二极管整流的情况下，同步整流电路207可以是使用二极管的整流电路。在这种情况下，不需要同步整流电路207的栅极驱动，并且可以减小电力接收侧电路200的尺寸。

根据上述实施例，可以提高用于驱动负载部的控制信号的无线通信速度。本发明不限于上述实施例，并且在本公开的其他实施例中可以进行各种改变和变形。

尽管已经描述了示例性实施例，但是应当理解，本公开不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以涵盖所有这样的修改以及等同的结构和功能。