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设计一个集成电路包装宏微双驱动高加速度高精度定位台控制系统

LIU YanJie , LI Teng amp; SUN LiNing

机器人技术与系统国家重点实验室,哈尔滨工业大学,哈尔滨150001年,中国

在本论文中论述了宏微双重驱动定位系统在集成电路包装应用程序设计中展现出良好的高加速度和高精度定位。双驱动定位台使用VCM(音圈马达)驱动的宏观定位台和一个压电陶瓷压电驱动微定位台。系统的耦合特性分析了生产控制结构与微观定位阶段,可以动态补偿宏观定位台产生的定位误差。模型描述的两个定位阶段。模型覆盖机制和执行机构。在宏观定位阶段,摩擦特性考虑在内,一个控制器LQG控制算法结合前馈补偿算法。PID控制器是用来控制微定位阶段。该方法的详细设计是派生的,模拟的性能进行了验证。

关键词：宏微双驱动,定位阶段,摩擦,LQG控制系统

1.介绍

随着IC(集成电路)设计的迅速发展,集成电路的集成级别是越来越多,包装体积减少。因此,集成电路包装设备迫切所需精度高和高生产率的的制造技术与机床。

一个具有高加速和高精度的定位工作台是包装设备的核心组件。在包装生产过程,定位阶段需要经常高水平的加速和减速运行和停止。因此需要高带宽控制系统。许多机制提出了解决这个问题的准确和快速的位置。宏微双驱动技术被认为是来实现长冲程、高加速度和高精度一种有效的方法。结构利用两个独立的机制来实现一个自由度运动,有效地扩大系统的带宽和减少末端效应器的有效惯性。这个系统的性能取决于使用的控制方法,运动耦合的两个定位阶段影响控制结构。在本文中,这些系统耦合特性进行了分析,系统可视为两个独立的定位阶段。因此,控制器可以分别为宏观和微观设计定位台设计他们的模型。根据模型,振动的最重要的问题是宏观定位阶段,所以一个PID控制器在运行的道路上加上一个LQG控制器的反馈回路。这个组合系统满足跟踪性能要求,同时抑制振动。此外,摩擦的影响被认为是宏观定位阶段,非线性部分由前馈补偿回路,线性部分被视为系统阻尼。微定位阶段的PID控制器用于补偿宏观定位阶段的动态定位误差。

在本篇论文中，对双驱动定位工作台的特点进行了分析和建立其控制结构。完成模型构建两个定位阶段,包括执行机构和机制。然后使用这些模型的控制器设计及仿真验证。

2.宏微双重驱动定位台

通常,定位阶段在一个集成电路包装机有两个自由度,每一方都有相同的结构和特点。图1显示了一个二自由度的结宏微双驱动定位阶段,VCM驱动宏观定位台和压电陶瓷压电致动器驱动微观定位工作台,采用高分辨率光栅规模集成到闭环反馈的宏观定位阶段,一个电容测微计用于测量微位移定位阶段。

图1.宏微双重驱动定位台的结构

VCM的使用可以避免许多与传统汽车相关的缺点,如不稳定的非线性磁力,和相关的不精确的齿轮传动将旋转运动转化为平移运动。VCM的结构简单和直接驱动特性使其易于维护,可以提供高加速度,但这些特征也给控制定位系统带来自己的困难。 微定位阶段工作的准确位置在纳米水平上决议通过双层弹性铰链由压电陶瓷致动器驱动的。微定位阶段的图如图2所示。是传输部分的刚度,K是双层弹性铰链的刚度,的惯性运动的一部分微定位阶段,是阻尼比,x是输入从压电陶瓷位移,输出位移。

描述的系统中,= 0.43kg,K = 2.0times;,= 12.0times;10 7 N / M = 0.02 N·s / M。

图2.微定位台的结构

3.宏微双重驱动定位台的控制结构

有两类双驱动系统的控制结构设计方法。第一包括那些使用解耦的方法或顺序输入对于古典设计技术的输出,第二个包含那些明确的方法占两个定位阶段之间的耦合效应和使用多输入多输出(MIMO)现代控制理论设计方法。对于本文中描述的定位阶段,微定位阶段位于宏观定位阶段。通过这种安排,显然会有一个力作用在微定位阶段当宏观定位阶段移动,反之亦然。因此,运动耦合应该讨论的第一部分控制结构设计。这个运动的耦合是通过分析动态量化模型双驱动定位阶段。

组件的机制,如有限的刚体,具有一定程度的灵活性导致挥之不去的振动在高加速度运动。这种振动降低了定位精度的阶段和稳定时间延长。因此,定位阶段的灵活性和指导板必须量化。在此基础上应用刚柔机械系统的动态分析,双驱动的定位工作台可以简化阻尼系统,如图3所示。 和分别是宏观定位阶段的刚度,阻尼比,和惯性,() 和分别是微定位阶段的刚度、阻尼、惯性,和是宏定位阶段和微定位阶段的离散力定位，,是相应的位移。

图3.宏微双重驱动的柔性模型

从牛顿第二定律的应用,宏微双驱动定位阶段动态的微分方程可以派生：

或以矩阵的形式: (2) 其中，,,,输出向量,输入向量。描述的系统中,= 1.92kg,= 6.5times;10 7 N / M = 0.05 N·s / M。

重新安排上述方程两边的拉普拉斯变换,我们有传递函数矩阵:

(3)

从等式(3)可知,宏观定位阶段和微观定位阶段的运动耦合

应用拉普拉斯逆变换,我们有

描述的系统中,远远大于，。运动耦合的两个阶段可以被忽视,双驱动定位阶段可视为两个单驱动定位阶段。因此,选择一个经典的输出控制结构。定位误差补偿的宏观定位阶段允许更高带宽的微定位的实际开发阶段。结果最终的控制结构如图4所示。r M是宏观定位阶段的参考输入也是系统的参考输入,r M是微定位的参考输入阶段,这是误差信号的宏观定位阶段,G M(s),C(s),Y M和G M(s),C(s),Y M分别是转移功能,控制器和输出的宏观和微观定位阶段。

图4.宏微双重驱动的控制结构

在此结构中,微定位阶段可以动态补偿宏观定位阶段的固有的定位误差,从而最大限度地减少整个系统的定位误差。

4.宏微双重驱动的建模

为了更好地理解两个定位阶段的特点,利用模型来构建机制和致动器的组件。然后模型用于控制器的设计。

4.1宏观定位台的建模

当阶段沿着指南运行时，不可避免地存在摩擦足够影响系统性能。当高精度定位阶段,这种影响太大了无法被忽略,所以在宏观定位阶段模型考虑摩擦。通常情况下,摩擦只是当作一个系统中的扰动和补偿模型。在这里,我们使用LuGre摩擦模型和分成线性和非线性组件,线性部分与其他阻尼组件合并机制,非线性部分是单独处理的。

4.1.1宏观定位阶段的摩擦模型。有必要选择一个精度(即摩擦模型。,一个包括库仑的影响,粘性和Stribeck摩擦)准确地代表系统中的摩擦力量。提出了几种摩擦模型,特别是Stribeck,LuGre,和Karnopp 。 LuGre模型是一个最有用的,因为它可以准确描述摩擦的静态和动态特征,如粘滑运动、撞击、侧滑位移,和摩擦的记忆。

LuGre摩擦模型可以表示为：

是整个摩擦力;sigma;0和sigma;1分别相当于系统的刚度和阻尼系数;B是摩擦系数;v是阶段的速度。Bv粘滞摩擦。z是一个不可估量的状态变量的平均偏差刷毛之间的摩擦界面:

等式7中第一项给出了偏转,积分的相对速度成正比,而第二项提供了一个融合z。函数g(v)是正的,取决于材料、润滑和温度,例如 其中，F s静摩擦,F c是库仑摩擦和是 Stribeck速度。

图5显示了典型的摩擦力根据LuGre摩擦模型。模型摩擦分为三个主要部分:动力、粘性和静态的。动摩擦介绍了不连续在零velocityknown棒地区,导致可怜的位置控制。也经常观察到,随着速度的增加和运动开始,开始出现。因此摩擦粘滑运动是由static-kinetic摩擦转变速度接近于零。粘滞摩擦是由流体的行为两个接触表面之间的电影,它预计将速度的线性函数。静摩擦力要求发起的运动,而且在大多数情况下它的大小大于动摩擦,导致粘滑运动。

图5.LuGre摩擦模型

基于上述模型,摩擦可视为非线性(f(v))和线性(粘滞摩擦)组件,等式(6)可以改写形式:

在以下,可以分别对线性摩擦和非线性摩擦补偿,系统中,B = 0.3,F s = 1.45 N,F c = 1 N和v s = 0.001 m / s。

4.1.2与线性摩擦模型的宏观定位阶段。首先,VCM致动器建立的模型。从电子等效模型的VCM和基尔霍夫定律,电压平衡方程可以写成U是通过线圈的电压,(= Ri)是电阻电压,感应电压(= L(di / dt)),后面产生的电动势线圈的运动是，i是电路电流,v是运动的速度,和K B是电动势常数,即

根据等式2，力平衡方程其中,是VCM的力灵敏度， 表明微定位阶段可视为一个组件的总负载宏观定位阶段。

非线性分量是前馈补偿回路,所以不考虑,但线性组件是写入模型作为阻尼情况下,例如,由上述方程,传递函数框图的宏观定位阶段的线性摩擦是图6所示。

图6.宏观定位阶段的传递函数框图

所以传递函数线性宏观定位阶段是的一部分。等式(14)中L = 2.5 m·H,R = 2.4ΩK F = 21.35 N / A和K B = 21.36 V·s / m。

4.2微定位台的建模

压电换能器的等效电路如图7所示,在R i是压电陶瓷电源的内阻,R p C p分别是压电陶瓷的电阻和电容,u i是压电陶瓷电源的输入电压和U p是压电陶瓷作用电压。

图7.压电转换器的等效电路

从基尔霍夫定律,它遵循其中，，所以

并且

因为远小于，传递函数又可以写为

从压电陶瓷的电位移特性,而不考虑非线性、压电位移正比于U p。所以压电的位移其中，a是一个比例系数，所以

从图2可知 ，微定位阶段力平衡方程为

微定位阶段的传递函数为K p是压电陶瓷电源的增益。在描述的系统,a= 0.267times;10minus;6m/ V,K p = 15,R i = 11Ω C p = 14.5micro;F。

5.宏微双驱动的控制器

经典的方法用于宏观定位阶段PID控制。在系统描述,阻尼比很小,导致严重的振动运动期间,和控制器设计必须抑制这种不稳定性。振动阻尼控制器的设计是制定一个标准的LQG问题。在本文中,我们设计一个LQG控制器的反馈抑制振动,和一个PID控制器控制定位在前进的道路上。此外,前馈控制器是基于摩擦模型用于补偿非线性摩擦组件。

控制器如图8所示。G M(s)是由G LM(s)和G NLM(s)(由于非线性摩擦)。LQG控制器应设计主要基于

图8.宏观定位台的控制器

根据传递函数，状态空间模型可以写成

状态向量干扰协方差的状态方程和观测方程测量噪音的卡尔曼滤波模型分别是1和0.01。LQ设计的成本函数

图9和图10分别显示系统的阶跃响应下的PID和PID 加上LQG控制。从这些数据我们可以看到,系统有一定的能力在PID控制器后,但振动是显而易见的,并通过添加LQG反馈控制器,振动是有限的。

压电陶瓷驱动定位阶段,尽管压电换能器的输出位移与输入电压成正比,一个开环控制器不工作很好,因为压电陶瓷的非线性特征。电容测微仪是用于提供反馈微定位阶段闭环PID控制器。

控制结构的双驱动定位阶段(图4),控制器的宏微双驱动定位阶段如图11所示。

绝对值有2毫米的正弦波的振幅和频率10 rad / s作为参考信号。该参考信号(如图12)类似于周期信号在集成电路封装的应用程序。

图13显示补偿非线性摩擦力的宏观定位阶段。很明显,前馈回路可以弥补大多数摩擦效应。很难建立一个精确的摩擦模型机制,而是一种近似模型可以得到识别。提要——提出补偿摩擦仿真模型验证是可行的方法。

图14显示了系统的定位误差曲线和无微定位阶段。从这两个数字,我们可以看到,通过添加微定位阶段,定位精度是一个数量级大于当定位阶段只由宏观驱动程序驱动。然而,响应变化方向并不理想,需要改进。

图9.阶跃响应下的宏观定位阶段PID控制器。(a)整条曲线;(b)当地的扩大。

图10.阶跃响应下的宏观定位阶段PID加上 LQG控制器。(一)整条曲线;(b)当地的扩大。

图13.补偿非线性摩擦力的宏观定位阶 段。(一)摩擦产生的阶段;(b)前馈补偿力 的影 响。

图11.宏微双重驱动定位台的控制结构

图12.参考输入

图14.定位错误的系统,没有微定位阶段。(一)双传动误差曲线的定位阶段;(b)宏观定位阶段的误差

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