鄧圭玲，馮志逸，周 燦

(1.中南大學 機電工程學院，湖南 長沙 410083；2.高性能復雜制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410083)

0 引 言

點膠技術(shù)是微電子封裝行業(yè)中的一種關(guān)鍵技術(shù)，隨著電子設(shè)備向高集成度的發(fā)展，行業(yè)對點膠工藝的性能要求也日益提高[1～3]。當前的點膠閥趨向高頻率、微型化[4,5]，點膠閥的工作環(huán)境越加復雜，空氣流動、室溫、點膠頻率、點膠閥溫度場[6]等因素都會造成溫度波動。點膠工藝中單液滴體積通常達到納升(nL)數(shù)量級[7]，膠液的溫度波動直接影響點膠一致性，降低膠液溫度波動對提高點膠性能有重要意義[8]。

經(jīng)典比例—積分—微分(proportional-integral-differential，PID)控制器結(jié)構(gòu)簡單而且實用性強，然而大多數(shù)情況下經(jīng)典PID的參數(shù)都以對象特性為基礎(chǔ)整定，對于一些非線性時變系統(tǒng)，經(jīng)典PID的控制效果并不理想。針對一些非線性時變系統(tǒng)，模糊控制通常能取得較好的控制效果。模糊PID控制器是模糊控制和經(jīng)典PID的有機結(jié)合，既能發(fā)揮模糊控制動態(tài)響應優(yōu)秀、魯棒性強的特點，還具備PID控制較高穩(wěn)態(tài)精度的優(yōu)點[9]。

本文將模糊PID控制器應用到壓電噴射點膠閥中，以STM32微控制器為核心設(shè)計了硬件電路，并在壓電噴射點膠閥上進行了溫控實驗。實驗結(jié)果表明該控制器能有效降低膠液的溫度波動，在受到一個溫度擾動后，膠液溫度恢復到設(shè)定值，其溫度波動保持在0.5 ℃內(nèi)，并且不發(fā)生振蕩。

1 控制器模型

1.1 位置式數(shù)字PID

經(jīng)典PID是PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊PID等智能控制方法的基礎(chǔ)。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)典PID以編程形式廣泛應用于工業(yè)控制領(lǐng)域，其中位置式數(shù)字PID的控制規(guī)律如下

KD[e(k)-e(k-1)]

(1)

1.2 模糊PID模型

模糊算法采用隸屬度描述現(xiàn)實中不能精確斷言分類的現(xiàn)象，將變量對各模糊子集的隸屬度映射到模糊輸出，其映射方法為模糊推理。

模糊PID算法的關(guān)鍵在于模糊化、模糊推理、解模糊三個步驟。系統(tǒng)采用三角形隸屬函數(shù)對輸入變量進行模糊化，采用Mamdani模糊推理方法確定輸出模糊集，最后通過重心法反模糊化，得到精確的輸出量。

模糊PID控制器模型如圖1所示。

圖1 模糊PID控制器模型

控制器根據(jù)偏差e及其導數(shù)ec，計算得到經(jīng)典PID的三個參數(shù)增量ΔkP，ΔkI，ΔkD，在控制過程中更新PID控制器的參數(shù)，從而改善控制效果。

1.3 模糊PID控制器設(shè)計

系統(tǒng)中輸入輸出的模糊論域均為U={-3，-2，-1，0，1，2，3}，模糊子集均為[NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB]。

系統(tǒng)使用的三角形隸屬函數(shù)如圖2所示。

圖2 三角形隸屬函數(shù)

模糊推理按照經(jīng)驗模糊規(guī)則表進行，如表1所示。

表1 ΔkP/ΔkI/ΔkD模糊規(guī)則

二維模糊推理機采用Mamdani模糊推理方法，其基本推理語句為“If A and B then C”，其交運算為即取小運算，并運算為取大運算。

反模糊化是將模糊推理結(jié)果轉(zhuǎn)換成精確控制量的過程，常用的反模糊化有最大隸屬度法、重心法、加權(quán)平均法三種。其中,最大隸屬度法計算量最小，而重心法的輸出更加平滑，加權(quán)平均法靈活性較強，其權(quán)值由人為選定，當權(quán)值取隸屬度時，即轉(zhuǎn)化為重心法。本系統(tǒng)在MCU計算能力足夠的情況下，采用重心法進行反模糊化。

對于由m個子集的模糊集合，重心法的最終輸出為

(2)

式中vk為模糊子集的中心值，μv(vk)為對應模糊子集的隸屬度。

2 系統(tǒng)硬件與實驗平臺

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以STM32為主控芯片，通過Pt 100鉑電阻采集膠液腔溫度形成閉環(huán)反饋，模糊PID算法以脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)的占空比為控制對象，控制加熱棒的輸出功率。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖及硬件電路如圖3和圖4所示。

圖3 溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖4 溫控系統(tǒng)硬件電路

2.2 溫度測量模塊

Pt 100型陶瓷鉑熱電阻是在-200～850 ℃范圍內(nèi)精度最高的測溫傳感器之一[10]。其電阻值反映到電橋兩臂的電勢差上，電壓信號經(jīng)過放大電路輸入到STM32的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter,ADC)引腳，經(jīng)STM32的片上ADC外設(shè)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，對Pt 100兩端電壓進一步換算可得電阻值和對應的溫度。

圖5 Pt 100電橋電路

2.3 加熱驅(qū)動模塊

STM32輸出的PWM信號經(jīng)過光電隔離，控制MOSFET的通斷，從而實現(xiàn)對加熱棒的控制。圖6中，R4為加熱器。

圖6 加熱驅(qū)動電路

2.4 實驗平臺

點膠閥正常工作時，溫控系統(tǒng)通過通用異步收發(fā)器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)串口與上位控制器通信，在實驗過程中，為了采集溫度數(shù)據(jù)，將UART串口轉(zhuǎn)接到個人電腦(PC)，通過MATLAB采集串口數(shù)據(jù)，實驗平臺如圖7所示。

圖7 噴射點膠閥溫控實驗平臺

3 實驗結(jié)果與分析

向STM32中分別燒寫模糊PID與經(jīng)典PID程序，進行膠液腔溫度控制實驗。PC端使用MATLAB發(fā)送啟動命令，溫控系統(tǒng)通過UART串口向PC實時發(fā)送膠液溫度信息，完成溫度控制實驗后，根據(jù)采集到的溫度數(shù)據(jù)繪制膠液溫度變化曲線。膠液溫度曲線如圖8所示。

圖8 膠液溫度曲線

目標溫度設(shè)為點膠工藝中常用的70 ℃。當流道溫度與設(shè)定值相差20 ℃以上時，加熱裝置全功率運行，當流道溫度到達50 ℃以上時，控制器開始調(diào)節(jié)加熱功率。

對比兩個的溫度曲線，從室溫上升的設(shè)定值的過程中，由于經(jīng)典PID的參數(shù)較合適，兩種控制器的表現(xiàn)幾乎一樣。在受到一個同樣的外部溫度擾動后，模糊PID控制器能更迅速地恢復到設(shè)定值，并且沒有振蕩現(xiàn)象，而經(jīng)典PID在恢復到設(shè)定溫度后伴隨有小幅度的振蕩，并且振蕩幅度有增大的趨勢。在480 s后溫度波動達到1 ℃，而模糊PID的溫度波動始終穩(wěn)定在0.5 ℃以內(nèi)。

4 結(jié) 論

設(shè)計了一種基于模糊PID的點膠溫度控制系統(tǒng)，制作了硬件電路并在噴射點膠閥上進行了溫度控制實驗。實驗表明：設(shè)計的模糊PID溫控系統(tǒng)相較于經(jīng)典PID系統(tǒng)有更強的抗干擾能力，在受到外部擾動后能迅速恢復，并且溫度波動不超過0.5 ℃。在點膠工藝中，該溫控系統(tǒng)有利于提高點膠一致性。