汪惟楨,張 馳,李 榮,桑 娜,潘春榮,鄭林衛(wèi)

(1.江西理工大學機電工程學院,贛州 341000;2.中國科學院寧波材料技術與工程研究所浙江省機器人與智能制造裝備技術重點實驗室,寧波 315201;3.寧波尚進自動化科技有限公司,寧波 315100)

0 引言

半導體引線鍵合機作為芯片封裝制造的關鍵設備,主體是一個由永磁同步直線電機組成的XY運動平臺。直線電機具有響應速度快、定位精度高等優(yōu)點,但由于取消了傳動環(huán)節(jié)和系統(tǒng)低阻尼特性,外部擾動將直接作用于電機[1]。此外,非線性滾珠軸承引入的柔性模態(tài)也會影響其控制性能[2]。引線鍵合工藝是短行程的高速點對點運動,因此,直線電機在有限的行程內需要更高的加速度。隨著集成電路產業(yè)的發(fā)展,對鍵合機生產效率和精度的要求不斷提高。因此,如何在高速高精運動條件下實現快速準確的定位是提高鍵合機性能的關鍵。

僅有反饋環(huán)節(jié)的控制器會帶來不可避免的滯后效應,通過引入前饋控制器可極大地降低動態(tài)誤差。目前常用的前饋控制器是基于模型逆的經典前饋控制方式[3-4]。反饋和前饋組成的復合控制方法可實現直線電機的高速高精運動[5],但高加速度引起的殘余振動嚴重影響了系統(tǒng)定位精度。增加物理阻尼[6]或設計隔振裝置[7]是減小直線電機殘余振動的直接方法,但附加的機械結構增加了成本。通過離線設計平滑的軌跡同樣可以有效降低運動過程中和運動結束階段的振動[8]。在指定運動軌跡下,通過設計智能控制器,如迭代學習控制(ILC)[9]、神經網絡[10]等,可有效減少振動。但迭代學習對輸入軌跡的變化敏感,智能控制算法需要較長的調試時間。擾動觀測器(DOB)被廣泛應用于實時抑制集總擾動,若將殘余振動也視為集總擾動的一種,則DOB可以有效降低殘余振動帶來的誤差[11]。然而,過去DOB中低通濾波器的帶寬一般低于直線電機的諧振頻率[12-13],主要被應用于低頻運動中的擾動抑制。

本文提出一種分段式三元復合控制方法,分別對高速運動階段和定位階段設計不同的控制結構。首先,通過對直線電機進行正弦掃頻,辨識其高階精確模型;然后,設計三階前饋控制與PID反饋控制組成的復合控制系統(tǒng),實現直線電機的高速高精運動;最后,在定位階段引入高階擾動觀測器,抑制直線電機在高加速度運動結束后的殘余振動。實驗結果表明,在不影響動態(tài)性能的前提下,所提出的控制方法有效提高了鍵合機X軸直線電機定位精度。

1 永磁同步直線電機動力學建模

永磁同步直線電機伺服系統(tǒng)具有各部件耦合復雜、參數測量難度大和不精確等特點,基于數學理論建立的名義模型與真實模型誤差較大[14]。本文研究的鍵合機X-Y運動平臺如圖1所示,其Y軸疊加于X軸上,因此X軸的負載較大,在高速啟停時易產生殘余振動。

圖1 被控對象平臺

為實現高速高精運動,需要設計高帶寬的伺服控制器,因此,如何在高頻段進行精確建模尤為重要。本文對X軸直線電機進行正弦掃頻后,將位置傳感器采集的數據進行差分處理,并對輸入輸出信號進行快速傅里葉變換(FFT),擬合得到頻域特性曲線,建立直線電機的高階精確模型[14]。

對X軸直線電機的5個不同位置進行正弦掃頻,其中,輸入信號的頻率范圍為20 Hz～2000 Hz,采樣頻率為16 000 Hz。曲線擬合結果如圖2所示,其中灰色實線為FFT得到的辨識結果,黑色虛線為擬合的直線電機名義模型。由圖2可知,擬合得到名義模型與實際模型的頻率響應特性接近。

圖2 X軸直線電機多點掃頻與模型擬合

經過MATLAB處理后,擬合的X軸直線電機的動力學名義模型為12階模型,其傳遞函數表達式為:

(1)

GX1(s)=-21.0868s11-1.7286×104s10-2.0929×109s9+
7.6279×1012s8-6.4832×1016s7+7.3323×1020s6-
5.4395×1023s5+2.3584×1028s4+5.5842×1030s3+
3.2032×1035s2+7.8201×1019s+1.5668×1042

(2)

GX2(s)=s12+1.3628×104s11+2.4239×108s10+2.1227×1012s9+
1.7903×1016s8+1.196×10s20+5.7271×1023s6+
3.111×1027s5+8.2905×1030s4+3.7728×1034s3+
4.4585×1037s2+1.7149×1041s+2.0978×1042

(3)

該傳遞函數能較準確地描述被控對象在高頻段的柔性模態(tài),為控制器的設計和仿真奠定基礎。

2 控制方案設計

針對鍵合機X-Y運動平臺的X軸直線電機,提出了一種分段式三元復合運動控制方法。該方法通過判斷直線電機的運動速度指令是否為0,區(qū)分電機的運動階段和定位階段。當速度指令不為0時,為運動階段;當速度指令為0時,為定位階段。在運動階段進行“前饋+反饋”的復合控制,實現高動態(tài)響應;在定位階段進行“反饋+擾動觀測器”的復合控制,實現高定位精度,控制框圖如圖3所示。

圖3 分段式三元復合控制方法

2.1 “前饋+反饋”復合控制方法

由于電流環(huán)已在商業(yè)驅動器中實現,基于經典的三環(huán)控制理論,對閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的速度環(huán)和位置環(huán)進行設計。本文中,速度環(huán)和位置環(huán)分別設置為P控制器和PID控制器。反饋控制器在系統(tǒng)產生跟蹤誤差后輸出控制信號,存在固有的滯后效應。隨著跟蹤誤差的減小,在恒定增益下的反饋控制作用減弱,難以進一步提高跟蹤精度。此外,鍵合機高速運動時,反饋控制器的滯后效應更明顯,帶來較大的動態(tài)誤差。

為實現直線電機高速高精運動的快速跟蹤,前饋控制器提供大部分控制電流。且由經典控制理論可知,前饋控制器不影響原閉環(huán)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性[4]。因此,在反饋控制系統(tǒng)中引入前饋控制器,從而提高動態(tài)性能,組成的復合控制框架如圖4所示。

圖4 復合控制框架原理圖

圖4中,r為位置參考軌跡,F(s)為前饋控制器,Gfb(s)為反饋控制器,Gp(s)為被控對象。忽略各種擾動,且被控對象的名義模型是可逆的,則跟蹤誤差e可以表達為:

(4)

由式(4)可知,當滿足條件:

(5)

時,即前饋控制器F(s)為被控對象的逆模型時,可實現對參考軌跡的零誤差跟蹤。被控對象從電流輸入U(s)至位置輸出Y(s)的傳遞函數一般表達為:

(6)

式中:分母的階數高于分子,因此Gp(s)的反演可以展開為s=0時的泰勒級數:

(7)

由于被控對象至少為一階無靜差系統(tǒng),可知c0=0[15]。式(7)表明,前饋控制器為位置輸入信號的1階至k階微分形式。本文設計的三階前饋控制器由速度前饋、加速度前饋和加加速度前饋組成:

F(s)=Kvs+Kas2+Kjs3

(8)

此時,F(s)并不完全等價于被控對象的逆模型,但可作為其降階近似[16]。式(8)的輸入為位置參考信號,若改為速度信號V(s),則前饋控制器對應的二階速度名義模型的傳遞函數為:

(9)

基于圖2的辨識結果對二階速度名義模型進行擬合,得出的三階前饋控制器參數為:

(10)

2.2 高階擾動觀測器

在高速運動中,高頻輸入信號將激發(fā)直線電機被控對象的柔性模態(tài),產生的殘余振動影響定位精度。且在直線電機定位階段中,即輸入軌跡結束后,前饋控制器不再輸出控制信號,僅存的反饋控制器難以保證高定位精度。本文引入擾動觀測器(DOB)觀測并抑制運動結束后的殘余振動,其基本結構如圖5所示。

圖5 擾動觀測器的基本結構

由圖5可知,系統(tǒng)的靈敏度傳遞函數SDOB和補靈敏度函數TDOB:

(11)

(12)

當系統(tǒng)模型足夠精確,即W(s)=0時,有:

SDOB=1-Q(s)

(13)

TDOB=Q(s)

(14)

(15)

圖6 帶寬為1000 Hz的巴特沃斯低通濾波器伯德圖

在低通濾波器的截止頻率附近,擾動估計值dest相比實際輸入擾動d存在幅值衰減和相位滯后,故擾動觀測器的補償精度將隨擾動頻率的增加而降低。在高速運動下,控制器的輸出電流信號包含高頻分量,導致擾動觀測器在直線電機運動過程中的補償效果降低,影響動態(tài)跟蹤精度。因此,通過采用分段控制的方式,即在定位階段,指令速度為0時,引入高階擾動觀測器,避免影響系統(tǒng)動態(tài)精度。

3 實驗驗證

3.1 實驗平臺搭建

實驗平臺搭建如圖7所示。X-Y運動平臺的X軸直線電機由AMC SX25A20型模擬伺服驅動器驅動。電機的位置信息由雷尼紹光柵尺測量并反饋至Power PMAC控制器。參考軌跡和控制算法在設計完成后通過編程寫入Power PMAC IDE,經過編譯后由以太網下載至Power PMAC控制器中,實現對直線電機的點位運動控制。系統(tǒng)控制頻率為16 000 Hz,光柵尺精度為50 nm。

圖7 實驗平臺搭建

3.2 實驗結果

以鍵合機X軸直線電機為被控對象,驗證所設計的分段式三元復合控制方法的性能。輸入信號為三階S型點位運動軌跡,位移為4 mm,最高速度0.58 m/s,最高加速度為160 m/s2,如圖8所示。

圖8 三階S型點位運動軌跡

直線電機系統(tǒng)在傳統(tǒng)的“前饋+反饋”復合控制和分段式三元復合控制下進行軌跡跟蹤實驗,對應的軌跡跟蹤誤差和定位誤差分別如圖9和圖10所示,兩種控制方法的性能對比如表1所示。

表1 傳統(tǒng)復合控制與分段式三元復合控制的性能對比

圖9 分段式三元復合控制效果

實驗結果表明,使用傳統(tǒng)的“前饋+反饋”復合控制方法時,直線電機的殘余振動和摩擦力對定位精度的影響較大,導致電機在下一階段無法從初始位置開始運動。使用分段式三元復合控制方法時,各階段定位誤差調整至±0.5 μm所需的時間分別降低了89.47%和89.21%,且最大跟蹤誤差的變化僅為0.07 μm。因此,本文提出的分段式三元復合控制方法能有效降低殘余振動帶來的定位誤差,且對動態(tài)跟蹤精度的影響很小。

將HODOB應用于整個點位運動時,盡管可以改善定位誤差,但最大動態(tài)跟蹤誤差由12.68 μm增大至16.61 μm,如圖11所示。

圖11 HODOB對動態(tài)精度的影響

從圖11可以看出,在高速運動階段,擾動觀測器將影響直線電機的動態(tài)跟蹤精度,證明了分段控制的必要性。

4 結論

針對直線電機在高速高精運動中殘余振動較大,導致鍵合機X-Y運動平臺定位精度降低的問題,本文設計了一種分段式三元復合運動控制方法。通過“前饋+反饋”的復合控制方法實現了高動態(tài)響應;基于正弦掃頻辨識得到的高階精確模型,建立了高階擾動觀測器,并設計相應的高帶寬低通濾波器,對運動結束階段的殘余振動和摩擦等擾動進行觀測并抑制,提高了定位精度。半導體鍵合機的X軸直線電機在進行最高速度0.58 m/s,最高加速度160 m/s2,行程為4 mm的點位運動時,使用分段式三元復合控制方法實現了最大跟蹤誤差為12.75 μm的動態(tài)跟蹤精度,與“前饋+反饋”的復合控制方法相比,調整時間縮短了89%以上。因此,本文提出的分段式三元復合控制方法在保證系統(tǒng)高定位精度的同時,兼顧了高動態(tài)精度,滿足了自動化設備高速高精運動的需求。