基于Turbo PMAC的LED焊線機(jī)位置/力分段切換控制

吳小洪，陳佳溪

(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006)

LED焊線機(jī)在焊線過(guò)程中，焊頭從懸空中下降到芯片表面，焊頭與芯片表面發(fā)生接觸，存在相互作用力，接觸力過(guò)大導(dǎo)致芯片焊盤(pán)龜裂，過(guò)小則會(huì)焊接不牢，引起芯片封裝失效。在焊接芯片時(shí)對(duì)接觸力有一定的要求，碰撞時(shí)刻鍵合力為0.8～1 N，穩(wěn)定后的鍵合力為0.3～0.5 N。通常情況下，焊頭與芯片接觸碰撞時(shí)間越短，碰撞速度越大，瞬間沖擊力就越大，碰撞穩(wěn)定后焊頭與芯片的接觸力處于靜接觸狀態(tài)。第一代焊線機(jī)多采用位移控制，通過(guò)控制接觸速度和最終變形量來(lái)獲得滿意的接觸力［1］，況且芯片的高度也不一致，如果仍然試圖通過(guò)單純提高位置控制精度來(lái)達(dá)到控制力的目的，已經(jīng)不能滿足高速焊線機(jī)的要求，必須對(duì)接觸力進(jìn)行控制。如何構(gòu)建位置/力控制策略是提高芯片封裝質(zhì)量和效率的關(guān)鍵。

目前LED焊線機(jī)實(shí)現(xiàn)途徑為PC+多軸運(yùn)動(dòng)控制卡+伺服放大器的控制方式，通過(guò)研究Turbo PMAC的伺服輸出機(jī)制，結(jié)合LED焊線機(jī)焊接特點(diǎn)，提出了一種位置/力分段切換控制方法。其中對(duì)焊頭行程進(jìn)行分段控制，焊頭從懸空中下降到芯片表面附近，接近芯片表面但未與芯片發(fā)生接觸，這段行程應(yīng)用Turbo PMAC進(jìn)行位置控制;焊頭從芯片表面附近下降到與芯片發(fā)生接觸，并完成焊接，此段行程應(yīng)用Turbo PMAC進(jìn)行力控制，由位置控制切換到力控制通過(guò) Turbo PMAC 程序?qū)崿F(xiàn)［2－3］。

1 Turbo PMAC伺服輸出機(jī)制

Turbo PMAC卡是美國(guó)DeltaTau公司推出的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器。Turbo PMAC輸出的控制信號(hào)分為兩種:一種模擬量控制，另一種是脈沖+方向控制。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)力的控制，采用模擬量信號(hào)控制，即Turbo PMAC DAC模擬量指令控制電機(jī)。伺服放大器的工作模式分為3種:位置模式、速度模式、力矩模式。伺服放大器設(shè)置為力矩模式，伺服放大器的力矩模式接受控制卡模擬量信號(hào)并且能夠控制輸出力的大小，Turbo PMAC+伺服放大器控制原理圖見(jiàn)圖1。

圖1 Turbo PMAC+伺服放大器控制原理圖

圖1中Turbo PMAC卡實(shí)際輸出到伺服放大器DAC模擬量指令值由兩部分組成:一部分是Turbo PMAC PID控制器輸出的DAC值;另一部分是Turbo PMAC DAC偏差補(bǔ)償值。

1.1 計(jì)算Turbo PMAC PID輸出DAC值

PMAC提供了PID+速度/加速度前饋+Notch濾波器控制器，通過(guò)調(diào)整比例增益、積分增益、微分增益 (即PID控制)、速度、加速度前饋，摩擦增益等參數(shù)來(lái)解決系統(tǒng)特性問(wèn)題。Turbo PMAC的PID控制算法原理如圖2所示。

圖2 Turbo PMAC卡PID位置伺服算法框圖

參考圖2的控制模型，如果忽略死區(qū)濾波、陷波濾波器等因素，Cp(n)和Ap(n)分別表示指令位置和實(shí)際位置，Cv(n)和Av(n)分別表示指令速度和實(shí)際速度，Ca(n)表示指令加速度，可得如下公式:

位置跟隨誤差:Fe(n)=Cp(n)－Ap(n)

實(shí)際速度為:Av(n)=Ap(n)－Ap(n－1)

指令速度為:Cv(n)=Cp(n)－Cp(n－1)

進(jìn)行Z變換為:Cv(z)=Cp(z)－z－1Cp(z)=Cp(z)(1－z－1)

因此此處加入的環(huán)節(jié)為:kvff·(1－z－1)式中:kvff為速度前饋增益。

指令加速度為:Ca(n)=Cv(n)－Cv(n－1)=Cp(n)－2Cp(n－1)+Cp(n－2)

進(jìn)行Z變換為:Ca(z)=Cp(z)－2z－1Cp(z)+z－2Cp(z)

因此此處加入的環(huán)節(jié)為:kaff·(1－2z－1+z－2)

式中:kaff為加速度前饋增益。

由圖2可推導(dǎo)出以下公式:

式中:ki為積分增益，kd為微分增益，kp為比例系數(shù)。

由以上公式 (1)— (4)推出PID最后輸出量為:

1.2 計(jì)算Turbo PMAC輸出DAC值總和

Turbo PMAC實(shí)際輸出值是PID控制器輸出DAC值與DAC偏差補(bǔ)償值之和，Turbo PMAC DAC偏差補(bǔ)償值可以通過(guò)Turbo PMAC變量Ixx29由用戶自己設(shè)置。Turbo PMAC輸出DAC值總和為:

伺服一般為3個(gè)環(huán)控制，所謂3環(huán)就是3個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)，最內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，其次是速度環(huán)，最外環(huán)是位置環(huán)。Turbo PMAC+伺服放大器位置控制，速度環(huán)和位置環(huán)PID運(yùn)算由Turbo PMAC卡完成，電流環(huán)PID運(yùn)算由伺服放大器完成。Turbo PMAC+伺服放大器力矩控制，此時(shí)屏蔽Turbo PMAC的速度環(huán)和位置環(huán)，只剩下伺服放大器電流環(huán)，根據(jù)式 (6)的表達(dá)式，讓kp=0，Turbo PMAC PID輸出總為零，那么Turbo PMAC的速度環(huán)和位置環(huán)PID不再起作用，Turbo PMAC輸出的模擬量為DAC=Ixx29，控制電機(jī)力矩的大?。?1－12］。

2 位置/力分段軌跡優(yōu)化

自動(dòng)焊線過(guò)程中，首先采用高速高加速度運(yùn)行，當(dāng)要接近目標(biāo)時(shí)，如果速度過(guò)高，焊頭與芯片碰撞瞬間沖量過(guò)大，瞬間沖擊力就越大，故而采用低速運(yùn)行，圖3所示是優(yōu)化前和優(yōu)化后兩種運(yùn)動(dòng)曲線。

圖3 位置/力分段運(yùn)動(dòng)軌跡

優(yōu)化前軟著陸運(yùn)動(dòng)軌跡在位置控制模式切換到力矩控制模式時(shí)，其電機(jī)速度已降為零，優(yōu)化后的運(yùn)動(dòng)軌跡中并沒(méi)有在位置/力切換過(guò)程中將電機(jī)的速度降為零，而是將其直接減速到安全的指定低速指令后直接接近芯片，實(shí)現(xiàn)軟著陸。通過(guò)對(duì)比分析兩種運(yùn)動(dòng)軌跡，可以看出:優(yōu)化后的軟著陸運(yùn)行時(shí)間比前者縮短了，有效地提高了運(yùn)行效率。

3 位置/力切換方法

位置/力切換通過(guò)構(gòu)建切換函數(shù)T(s)實(shí)現(xiàn)位置/力切換，通常按力反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大體可分為開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制。使用力傳感器閉環(huán)控制在一定程度上提高了力控的準(zhǔn)確性，但也增加了控制系統(tǒng)的難度。焊線機(jī)受機(jī)械結(jié)構(gòu)等因素影響，壓力傳感器的安裝也增加了機(jī)械系統(tǒng)的復(fù)雜性，固不使用力傳感器，即采用對(duì)力矩實(shí)行開(kāi)環(huán)控制，而對(duì)位置實(shí)行閉環(huán)控制。

3.1 切換函數(shù)

對(duì)于切換函數(shù)T(s)，其切換條件選擇為電機(jī)編碼器反饋的實(shí)際位置，設(shè)Xp為切換條件位置，kp為T(mén)urbo PMAC PID比例增益，Ap(n)為實(shí)際位置，則

當(dāng)電機(jī)編碼器反饋的實(shí)際位置值A(chǔ)p(n)小于等于設(shè)定的條件位置值Xp時(shí)，比例增益kp≠0，Turbo PMAC PID正常輸出指令值，Turbo PMAC為位置閉環(huán)模式，意味著DAC總輸出為PID輸出值與DAC偏差補(bǔ)償值Ixx29之和。當(dāng)電機(jī)編碼器反饋的實(shí)際位置值A(chǔ)p(n)大于設(shè)定的條件位置值Xp時(shí)，比例增益Kp=0，PMAC PID輸出指令值總為零，Turbo PMAC從位置閉環(huán)模式切換到力矩開(kāi)環(huán)模式，意味著DAC總輸出就是DAC偏差補(bǔ)償值Ixx29。

3.2 切換程序

切換程序必須處理的是這種方式的輸入輸出轉(zhuǎn)換，進(jìn)入力矩開(kāi)環(huán)模式，令I(lǐng)xx29=M102，通過(guò)程序改變M102的值來(lái)改變力矩值的大小;另外，積分增益Ixx33和積分限制Ixx63都設(shè)置為0，屏蔽積分作用，電機(jī)Ixx11致命跟隨誤差極限也設(shè)置為0使其失效。由力矩開(kāi)環(huán)模式切換到位置閉環(huán)模式，實(shí)際的電機(jī)位置值必須拷貝給兩個(gè)給定位置寄存器，一個(gè)用于電機(jī)，一個(gè)用于軸，使M163=M162，M165=M162，M162表示1號(hào)電機(jī)的實(shí)際位置值，變量M163表示1號(hào)電機(jī)的目標(biāo)位置值，M165表示1號(hào)坐標(biāo)系X軸的目標(biāo)位置值，這樣切換到閉環(huán)時(shí)就不會(huì)發(fā)生擺動(dòng)而且平滑。同時(shí)比例增益kp、積分增益Ixx33和積分限制Ixx63都設(shè)置為位置閉環(huán)模式下的原有值，電機(jī)Ixx11致命跟隨誤差極限也重新存儲(chǔ)，使其有效［14－16］。Turbo PMAC卡位置/力矩切換程序:

在實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)上述程序控制，得到如圖4所示的速度曲線圖，曲線1表示指令速度曲線，曲線2表示實(shí)際速度曲線，能夠滿足當(dāng)前高速焊線機(jī)的要求。

圖4 位置/力矩切換速度曲線圖

4 結(jié)束語(yǔ)

以往的引線鍵合伺服驅(qū)動(dòng)控制多采用位置模式的控制方法，在引線鍵合過(guò)程中無(wú)法精確控制焊接力的大小，導(dǎo)致焊接質(zhì)量不是很理想。采用位置/力分段切換控制，控制位置的同時(shí)又能夠很好地控制力的大小，焊接質(zhì)量得到改善。在位置/力切換模式時(shí)，當(dāng)前存在切換時(shí)間過(guò)長(zhǎng) (通常為5～10 ms)、切換過(guò)程焊頭發(fā)生抖動(dòng)問(wèn)題，而基于Turbo PMAC卡提出的分段切換控制方法能好地解決切換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和抖動(dòng)問(wèn)題，從而真正地實(shí)現(xiàn)了位置/力分段切換控制。

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