基于音圈電機(jī)伺服控制的應(yīng)用研究

石藝楠，郝 靖

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

直線電機(jī)出現(xiàn)以前，直線運(yùn)動(dòng)是由旋轉(zhuǎn)電機(jī)加上某種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換成直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。隨著運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，這種控制系統(tǒng)由于受自身結(jié)構(gòu)的限制，在進(jìn)給速度、加速度、快速定位精確等方面都很難有突破性的提高，已無(wú)法滿足更高的要求。而直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能的傳動(dòng)裝置，它不受機(jī)械傳動(dòng)部件的限制，能將電功率直接轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，具有無(wú)間隙、高剛性、高速度和高加速度的特點(diǎn)。

1 工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

直線電機(jī)種類繁多，控制方法各異，其結(jié)構(gòu)可以看作是把旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿著徑向剖開，并且將圓周拉直成為直線，如圖1所示。

圖1 直線電機(jī)的轉(zhuǎn)變過(guò)程

其工作原理和旋轉(zhuǎn)電機(jī)類似，也是利用電磁作用將電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。但是在氣隙中產(chǎn)生的磁場(chǎng)不是旋轉(zhuǎn)而是沿直線方向呈正弦分布、平移，被稱為行波磁場(chǎng)。次級(jí)導(dǎo)條在行波磁場(chǎng)切割磁力線，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生電流，電流和磁場(chǎng)相互作用就產(chǎn)生電磁推力，如果初級(jí)是固定的，那么次級(jí)就沿行波磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方向做直線運(yùn)動(dòng)。直線電機(jī)按結(jié)構(gòu)類型分為扁平型、圓筒型、圓盤型和圓弧型。

本文主要介紹的音圈電機(jī)（Voice Coil Motor，VCM）是一種特殊形式的直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因原理與揚(yáng)聲器類似而得名。音圈電機(jī)的實(shí)物圖和工作原理圖如圖2、圖3所示。

音圈電機(jī)工作原理為洛倫磁力原理，即通電導(dǎo)體放在磁場(chǎng)中，就會(huì)產(chǎn)生力F，力的大小取決于磁場(chǎng)強(qiáng)度B、電流I和線圈匝數(shù)N，用公式可表示為：

圖2 音圈電機(jī)實(shí)物圖

圖3 音圈電機(jī)運(yùn)動(dòng)原理圖

式中：k為常數(shù)。

音圈電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、高速度、高加速度、高精度（直接驅(qū)動(dòng)）、極速響應(yīng)、力控制精確等特性，而且具有使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)頻率高的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，音圈電機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型可以分為兩大類：一類是質(zhì)量-彈簧-阻尼模型，即MFK型；另一類是質(zhì)量-阻尼性，即MF型。MFK型音圈電機(jī)因?yàn)橛袕椈傻淖饔?，使得系統(tǒng)的控制易于實(shí)現(xiàn)。常用的MFK型音圈電機(jī)，其力學(xué)和電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4、圖5所示。

其力學(xué)平衡方程為：

圖4 音圈電機(jī)力學(xué)模型

圖5 音圈電機(jī)電路模型

其中，F(xiàn)為音圈電機(jī)內(nèi)部線圈在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的作用力，F(xiàn)K為彈簧的作用力，F(xiàn)F為摩擦力，F(xiàn)L在這里主要為音圈電機(jī)運(yùn)動(dòng)部分所受的重力。B為磁通密度，l為切割磁力線部分的線圈長(zhǎng)度。當(dāng)音圈電機(jī)豎直安裝完畢后，在系統(tǒng)未有輸入時(shí)，重力被彈簧的作用力所平衡，故公式可改為：

依據(jù)音圈電機(jī)電路模型，可得到其電壓平衡方程為：

其中，u為線圈兩端的電壓，I為音圈工作電流，L和R分別為回路中的電感和電阻，v為切割磁感應(yīng)線部分線圈的速度。Blv為線圈在運(yùn)動(dòng)同時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)。

這里音圈電機(jī)做直線運(yùn)動(dòng)，是通過(guò)線圈供電，使線圈帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)光柵尺為音圈電機(jī)提供位置反饋，構(gòu)成音圈直線方向閉環(huán)運(yùn)動(dòng)。

結(jié)合拾放機(jī)構(gòu)要求，音圈電機(jī)的選型主要需考慮以下幾個(gè)因素：

（1）峰值力的大小FP

（2）持續(xù)力的大小FC

（3）直線方向的速度v

（4）總行程D

峰值力FP是載荷力FL、摩擦力FF以及由負(fù)載加速產(chǎn)生的慣性力Fm的總和，用公式可以表示為：

其中，ML+c為所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的總質(zhì)量，a為加速度。荷載力FL是在執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終作用于機(jī)構(gòu)上的力。

持續(xù)力FC通常用均方根力FRMS接近表示，其公式為：

其中，t1表示加速運(yùn)行時(shí)間，t2表示勻速運(yùn)行時(shí)間，t3表示減速運(yùn)行時(shí)間，t4表示運(yùn)行過(guò)程中的延時(shí)。

直線速度v由執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體運(yùn)動(dòng)方式?jīng)Q定。如需要音圈電機(jī)提供持續(xù)力，則需要讓其處于低速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；如果讓音圈電機(jī)完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的動(dòng)作，則需要一個(gè)較快的速度運(yùn)行。

行程D可以看作音圈一端到另一端的總距離，行程的選擇主要依據(jù)實(shí)際拾放動(dòng)作過(guò)程中所要移動(dòng)的距離。一般拾片和放片過(guò)程僅需較小的一段行程（幾個(gè)毫米），行程的大小直接影響拾放片的效率，也影響音圈電機(jī)的體積，行程加大將會(huì)增大音圈電機(jī)的質(zhì)量，也會(huì)增加拾片機(jī)構(gòu)x方向電機(jī)的負(fù)載。根據(jù)以上的幾點(diǎn)，綜合整體結(jié)構(gòu)的要求，選擇適合要求的音圈電機(jī)。

2 控制原理

電機(jī)控制系統(tǒng)一般由執(zhí)行電機(jī)、控制器、驅(qū)動(dòng)電路和檢測(cè)裝置組成。一個(gè)直線電機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)不僅要有性能良好的直線電機(jī)，還必須有能在安全可靠的條件下實(shí)現(xiàn)要求的控制系統(tǒng)。

1）系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)包括控制和功率兩部分。控制部分主要由DSP控制器、高速A/D、位置反饋計(jì)數(shù)器、SVPWM信號(hào)發(fā)生器、光柵信號(hào)高速細(xì)分電路等組成。功率部分主要由IGBT三相功率逆變橋、IGBT隔離驅(qū)動(dòng)電路、功率電源整流濾波、泵升過(guò)電壓泄放電路、以及輔助電源系統(tǒng)等組成。其控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2）系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)是以直接驅(qū)動(dòng)控制算法為核心的實(shí)時(shí)控制程序，其作用是完成伺服驅(qū)動(dòng)的所有控制和監(jiān)測(cè)功能。主要包括系統(tǒng)初始化，直線電機(jī)相位初始化，直接驅(qū)動(dòng)控制算法，預(yù)測(cè)電流控制，電流采樣，故障診斷與處理等功能。

3）直線電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)是直接驅(qū)動(dòng)，來(lái)自外界的擾動(dòng)都直接作用在直線電機(jī)上。

其中影響動(dòng)態(tài)負(fù)載剛度(Sdyn)有2個(gè)因素：速度控制環(huán)比例增益kp和積分時(shí)間Tn，及在沒(méi)有前饋控制情況下的位置控制環(huán)比例增益Kvnf，其關(guān)系表達(dá)式：

由于測(cè)量系統(tǒng)與直線電機(jī)和運(yùn)動(dòng)之間實(shí)現(xiàn)了一體化，因此直線驅(qū)動(dòng)有非常好的靜態(tài)負(fù)載剛性，但其動(dòng)態(tài)負(fù)載剛性很大程度上依賴于速度控制環(huán)的快速響應(yīng)，必須通過(guò)直線電機(jī)極其快速的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

影響定位時(shí)間有3個(gè)因素：最大加速度和速度、加加速度及位置控制進(jìn)給前饋實(shí)際增益。由于直線電機(jī)具有很大的加速度，使定位軸可以在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到指定的速度，相應(yīng)也就縮短了必要的定位時(shí)間。kvnf值的設(shè)定雖然可以減小定位時(shí)間，但會(huì)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響，過(guò)大的kvnf值會(huì)引起機(jī)械振動(dòng)或電機(jī)嘯叫。

由于系統(tǒng)在剛性、抗擾動(dòng)能力等方面要求很高，所以音圈式直線電機(jī)的控制必須采用智能伺服控制方式：具有位置調(diào)節(jié)、速度調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)的三閉環(huán)結(jié)構(gòu)形式。其三環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖7所示。

圖7 閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)框圖

驅(qū)動(dòng)器閉合了電流環(huán)和速度環(huán)，運(yùn)動(dòng)控制器閉合了位置環(huán)。其中，電流環(huán)的作用是提高系統(tǒng)的快速性，及時(shí)抑制電流環(huán)內(nèi)部的干擾，限制最大電流同時(shí)提供系統(tǒng)足夠大加速轉(zhuǎn)矩。若干擾作用在電流環(huán)內(nèi)，則電流環(huán)能及時(shí)調(diào)整，減少轉(zhuǎn)速變化，防止對(duì)速度環(huán)和位置環(huán)產(chǎn)生干擾。中間環(huán)為速度環(huán)，通過(guò)檢測(cè)電機(jī)編碼器來(lái)進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié)，它的環(huán)內(nèi)輸出直接就是電流環(huán)的設(shè)定。速度調(diào)節(jié)器的主要作用是保證系統(tǒng)具有良好的跟蹤性和抗干擾性能。主要防止來(lái)自負(fù)載的擾動(dòng)，保證在負(fù)載由波動(dòng)時(shí)，電機(jī)速度變化小，速度恢復(fù)快。最外環(huán)是位置環(huán)，由光柵尺反饋電機(jī)的實(shí)際位移。位置環(huán)內(nèi)部輸出即是速度環(huán)的設(shè)定，在位置控制模式下系統(tǒng)進(jìn)行所有三個(gè)環(huán)的運(yùn)算，其運(yùn)算量最大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)最慢。其作用主要是保證系統(tǒng)靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)跟蹤性能，直接關(guān)系系統(tǒng)的穩(wěn)定和高性能運(yùn)行。

3 音圈電機(jī)在拾放機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用

拾放機(jī)構(gòu)是IC封裝設(shè)備的核心單元，在速度上，拾放片效率直接決定整機(jī)的工作效率；在精度上，芯片的尺寸很小，需要準(zhǔn)確可靠的放入指定的焊盤基板中。其技術(shù)指標(biāo)要求拾放效率＞8000次/h，定位精度±20 μm，這對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)都提出了很高的要求。其拾放機(jī)構(gòu)如圖8所示。

圖8 拾放機(jī)構(gòu)示意圖

拾放片機(jī)構(gòu)的工作流程：加工完成的芯片位于Wafer盤上，芯片正面朝上，底部粘附于Wafer的藍(lán)膜上。要實(shí)現(xiàn)芯片從Wafer盤放置到基板焊盤上，需要完成拾取、平移、放片3個(gè)動(dòng)作。整個(gè)過(guò)程涉及到多電機(jī)高速高精度控制、機(jī)器視覺(jué)、氣路等多方面協(xié)調(diào)配合。其工藝流程如圖9所示。

圖9 拾放片工藝流程圖

1）芯片的拾取通過(guò)頂針機(jī)構(gòu)把圖像識(shí)別選中的芯片從Wafer盤上頂出，音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)擺臂吸嘴從安全高度垂直運(yùn)動(dòng)接觸芯片，最終完成真空吸附。

2）擺臂吸頭保持真空吸附芯片狀態(tài)，向上抬起至安全高度，再通過(guò)水平方向電機(jī)平移到對(duì)應(yīng)的基板焊盤上方幾毫米處，再向下移動(dòng)與焊盤接觸，吸嘴真空關(guān)閉，吹氣釋放芯片，擺臂吸嘴抬起返回，準(zhǔn)備下一芯片的拾取。

針對(duì)芯片拾放機(jī)構(gòu)這種短行程、高精度、高頻率的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，選用音圈電機(jī)作為其執(zhí)行單元是最佳的選擇。

通過(guò)理論分析計(jì)算和實(shí)際的應(yīng)用測(cè)試，拾放機(jī)構(gòu)系統(tǒng)執(zhí)行單元所用音圈電機(jī)主要性能參數(shù)如表1。

音圈電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制采用三環(huán)伺服控制，由專用運(yùn)動(dòng)控制器、高性能伺服驅(qū)動(dòng)器和高精度1 μm光柵尺組成全閉環(huán)系統(tǒng)。通過(guò)行程上速度的不斷優(yōu)化，充分發(fā)揮音圈電機(jī)的性能，最終實(shí)現(xiàn)了吸嘴高速精確拾放芯片。目前，拾放機(jī)構(gòu)垂直運(yùn)動(dòng)的最大行程為16 mm，最大加速度為59 m/s2，單程時(shí)間小于45 ms。音圈電機(jī)實(shí)際應(yīng)用以后，設(shè)備性能大幅提高：效率高，整機(jī)粘片速度達(dá)到8 500片/h；精度高，定位精度達(dá)到±18 μm；運(yùn)動(dòng)安靜、噪音低，維護(hù)方便。

表1 音圈電機(jī)參數(shù)

4 結(jié)束語(yǔ)

音圈電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、慣性小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、速度和加速度大、精度高、振動(dòng)和噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，是高速、微距離運(yùn)動(dòng)的理想傳動(dòng)執(zhí)行裝置。隨著直線電機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)封裝設(shè)備制造業(yè)將會(huì)有很大的促進(jìn)作用，有可能使封裝設(shè)備從結(jié)構(gòu)到性能上都發(fā)生革命性的變化。

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