芯片封裝的伺服控制系統(tǒng)與快速高精度定位技術(shù)研究.pdf

1、隨著芯片封裝技術(shù)不斷向著多引線、細(xì)間距及高效封裝方向發(fā)展，高端引線鍵合機(jī)對(duì)其高加速度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)能力、定位精度、定位時(shí)間等伺服性能提出了更高的要求，往往要求運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在幾毫秒或十幾毫秒內(nèi)快速、平穩(wěn)、精確地運(yùn)行到給定的目標(biāo)位置。然而，在頻繁快速啟停的高加速度短行程點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，外部干擾、機(jī)械共振模態(tài)及系統(tǒng)本身電氣、機(jī)械部分的非線性特征不同程度地影響著系統(tǒng)的伺服性能，極易引起系統(tǒng)的殘余振動(dòng)。這不僅降低了高加速度直線伺服系統(tǒng)的定位精度，而

2、且延長(zhǎng)了系統(tǒng)的定位時(shí)間，給高性能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。
　　本論文結(jié)合國(guó)家科技重大專項(xiàng)“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”項(xiàng)目“封裝設(shè)備關(guān)鍵部件與核心技術(shù)”，對(duì)高端引線鍵合機(jī)的關(guān)鍵部件和核心技術(shù)——專用多軸控制硬件和快速高精度定位技術(shù)展開(kāi)深入的研究。首先，建立高加速度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的仿真研究平臺(tái)，定量分析外部干擾和機(jī)械共振模態(tài)對(duì)高加速度直線伺服系統(tǒng)性能的影響及探討影響高加速度直線伺服系統(tǒng)快速高精度定位的關(guān)鍵技術(shù)。之

3、后，在充分考慮移植載體（DSP芯片）性能的前提下，依據(jù)探索出的關(guān)鍵技術(shù)分別從模型參數(shù)辨識(shí)、點(diǎn)位軌跡規(guī)劃和高性能控制算法三個(gè)方面展開(kāi)深入的研究，并將相關(guān)的核心技術(shù)移植到自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的專用嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器中。本論文的研究?jī)?nèi)容和研究成果如下：
　　1.為有效分析機(jī)械共振模態(tài)對(duì)高加速度直線伺服系統(tǒng)性能的影響，本文提出了采用直線電機(jī)電磁模型、平臺(tái)動(dòng)力學(xué)模型及高頻共振模型進(jìn)行系統(tǒng)建模的方法。建立高加速度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的仿真研究平臺(tái)，并定量分析外部干

4、擾和機(jī)械共振模態(tài)對(duì)高加速度直線伺服系統(tǒng)性能的影響及探討影響高加速度直線伺服系統(tǒng)快速高精度定位的關(guān)鍵技術(shù)。
　　2.針對(duì)影響高加速度直線伺服系統(tǒng)快速高精度定位的模型參數(shù)辨識(shí)問(wèn)題，在頻域辨識(shí)方面，本文提出了基于速度（位置）反饋的標(biāo)準(zhǔn)繼電器濾波整形頻域辨識(shí)方法，有效解決了標(biāo)準(zhǔn)繼電器頻域辨識(shí)中的“主諧波近似”問(wèn)題，使其輸出方波更逼近于正弦波；在時(shí)域辨識(shí)方面，本文提出了基于位置信號(hào)反饋的標(biāo)準(zhǔn)繼電器時(shí)域辨識(shí)方法，極大提高了模型參數(shù)的辨識(shí)精度，

5、仿真表明模型參數(shù)的辨識(shí)誤差均保持在0.05％內(nèi)。
　　3.針對(duì)高加速度運(yùn)行下參考輸入信號(hào)極易激起系統(tǒng)強(qiáng)烈振動(dòng)及產(chǎn)生較高幅值的殘余振動(dòng)問(wèn)題，本文借助Morlet小波變換分析出一條在固有頻率處具有最小激勵(lì)幅值的點(diǎn)位軌跡，半實(shí)物仿真系統(tǒng)上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明相比“時(shí)間最優(yōu)”的點(diǎn)位軌跡，在定位精度為±2.5μm的約束下，采用本文優(yōu)化方法獲取的點(diǎn)位軌跡作為參考輸入時(shí)的定位時(shí)間縮短了近50%，減少為11.4 ms。
　　4.為有效抑制內(nèi)部干擾

6、、外部干擾及高頻噪聲等因素對(duì)高加速度直線伺服系統(tǒng)快速高精度定位的影響，設(shè)計(jì)出一個(gè)基于干擾觀測(cè)器的二自由度伺服控制方案，由基于極點(diǎn)配置的PD反饋控制單元、基于模型逆的前饋控制單元和力-位干擾觀測(cè)器三部分組成。并針對(duì)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的“力-位干擾觀測(cè)器低通濾波器的時(shí)間常數(shù)取值不能過(guò)低”問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種有效抑制諧振峰值的低通濾波器。半實(shí)物仿真系統(tǒng)上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在定位精度為±2.5μm的約束下，此方法可在12 ms內(nèi)完成2.54 mm的典型運(yùn)

7、動(dòng)。
　　5.依據(jù)高端引線鍵合機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的技術(shù)需求，開(kāi)發(fā)了一種基于CPCI總線和“DSP+FPGA”架構(gòu)方式的專用嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器，并將本課題研究的快速高精度定位技術(shù)移植到此專用嵌入式運(yùn)動(dòng)控制硬件中。引線鍵合機(jī)平臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在定位精度為±2.5μm的約束下，本文研究的運(yùn)動(dòng)控制軟硬件系統(tǒng)具有在12 ms至16 ms內(nèi)完成2.54 mm典型運(yùn)動(dòng)的能力，可實(shí)現(xiàn)引線鍵合機(jī)高加速度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的快速高精度定位。
　　最后，在總