轉(zhuǎn)盤式測(cè)試分選機(jī)主電機(jī)高精速定位控制研究

緱新科， 劉澤軍

(蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，蘭州 730000)

轉(zhuǎn)盤式測(cè)試分選機(jī)主電機(jī)高精速定位控制研究

緱新科， 劉澤軍

(蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，蘭州 730000)

對(duì)轉(zhuǎn)塔式測(cè)試分選機(jī)上的直驅(qū)電機(jī)進(jìn)行高精速定位控制技術(shù)研究；對(duì)測(cè)試機(jī)上的直驅(qū)電機(jī)控制的主要目的是要求在50 ms內(nèi)直驅(qū)電機(jī)每轉(zhuǎn)22.5°都能夠快速精確定位，且超調(diào)量很??；直驅(qū)電機(jī)采用矢量控制策略，以雅科貝思的ATR152-138直驅(qū)電機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)直驅(qū)電機(jī)及其負(fù)載建立數(shù)學(xué)模型，并討論了伺服控制位置閉環(huán)、速度閉環(huán)以及電流閉環(huán)中3個(gè)控制器的工程設(shè)計(jì)方法；在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下建立基于控制策略的位置、轉(zhuǎn)速和電流三閉環(huán)直驅(qū)電機(jī)仿真模型，并分別對(duì)位置環(huán)采用模糊P控制和位置環(huán)P控制進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)采用模糊P控制的位置環(huán)比采用P控制的位置環(huán)精度更高，超調(diào)量更小，基本為0；仿真結(jié)果證明該直驅(qū)電機(jī)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)合理，位置和速度響應(yīng)非?？欤瑵M足轉(zhuǎn)塔式測(cè)試分選機(jī)的要求。

轉(zhuǎn)盤式測(cè)試分選機(jī)；主轉(zhuǎn)盤電機(jī)；矢量控制；高精速

0 引言

隨著集成電路的飛速發(fā)展，使得芯片的尺寸，引腳都越來(lái)越小，從而導(dǎo)致對(duì)測(cè)試此類芯片的測(cè)試機(jī)性能要求更高。目前國(guó)內(nèi)的測(cè)試機(jī)如電性能測(cè)試機(jī)，打標(biāo)機(jī)，編帶機(jī)等由于速度慢，功能單一問(wèn)題不能滿足現(xiàn)在的小尺寸芯片測(cè)試。目前對(duì)于小尺寸芯片的測(cè)試，大多采用轉(zhuǎn)盤式測(cè)試分選機(jī)，轉(zhuǎn)盤式測(cè)試機(jī)所有工位都可以并行工作，相當(dāng)于CCD檢測(cè)，打標(biāo)，編帶，電性能測(cè)試，轉(zhuǎn)向等功能同時(shí)工作，這樣使得測(cè)試速度大大提高，所以轉(zhuǎn)盤式測(cè)試機(jī)是將來(lái)測(cè)試分選設(shè)備發(fā)展的趨勢(shì)[1]。

為了滿足國(guó)內(nèi)對(duì)高端測(cè)試分選設(shè)備的需求，同時(shí)打破國(guó)外對(duì)轉(zhuǎn)盤式測(cè)試機(jī)的壟斷，開始了對(duì)轉(zhuǎn)盤式測(cè)試機(jī)技術(shù)的研究，轉(zhuǎn)盤式測(cè)試分選機(jī)對(duì)速度和精度的要求很高，而其主電機(jī)的控制決定了運(yùn)行的速度和精度，因此需要對(duì)主轉(zhuǎn)盤電機(jī)進(jìn)行高精速定位控制研究。

1 主轉(zhuǎn)盤電機(jī)性能指標(biāo)要求

根據(jù)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)盤式測(cè)試分選機(jī)的設(shè)備參數(shù)：要求每小時(shí)測(cè)試分選產(chǎn)量UPH為36K/hour，工位數(shù)為16，參見圖1[2]。電路在每?jī)蓚€(gè)工位之間的移動(dòng)角度為22.5°。根據(jù)UPH設(shè)計(jì)要求，可知完成一顆電路測(cè)試分選的最大時(shí)間為0.1 s，所以主轉(zhuǎn)盤電機(jī)每移動(dòng)一格的時(shí)間在0.05 s之內(nèi)。待測(cè)電路的引腳間距最小在0.5 mm，同時(shí)電路的測(cè)試觸點(diǎn)很小，這要求主電機(jī)每轉(zhuǎn)22.5°時(shí)停下來(lái)的定位精度足夠高。電路定位精度不夠會(huì)使電路不能夠準(zhǔn)確放入工位,造成電路損壞。在傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電機(jī)和負(fù)載之間連接著減速器或齒輪箱等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行伺服控制，此種方式增加了系統(tǒng)的損耗，影響控制精度，而且增加了安裝維護(hù)成本，而直驅(qū)電機(jī)具有無(wú)機(jī)械傳動(dòng)連接、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制精度高、運(yùn)行效率高、可靠性好、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。根據(jù)這樣的工況要求，因此選擇直驅(qū)電機(jī)作為設(shè)備的主電機(jī)。

圖1 轉(zhuǎn)盤圖

2 主轉(zhuǎn)盤電機(jī)數(shù)學(xué)模型

直驅(qū)電機(jī)與轉(zhuǎn)盤負(fù)載連接機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電機(jī)連接圖

為方便建立其模型，對(duì)電機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，通常對(duì)被研究的電機(jī)作下列近似[3-4]：

1)不考慮磁路飽，磁路理解為線性飽和影響；

2)電機(jī)定子三相繞組在空間平均分布；

3)不考慮阻尼效應(yīng)；

4)電機(jī)電勢(shì)以及定子磁勢(shì)呈現(xiàn)正弦化。

采用d-q坐標(biāo)系，忽略摩擦，電機(jī)運(yùn)行是理想狀態(tài)的，電機(jī)的數(shù)學(xué)模型[4]由下列方程式來(lái)表達(dá)：

對(duì)于轉(zhuǎn)盤負(fù)載而言動(dòng)力學(xué)[5]方程式如下：

式中，UdUq為d-q軸電壓，idid為d-q軸電流，LdLq為d-q軸電感，R為定子繞組電阻，Pn為電機(jī)極對(duì)數(shù)，Wr為機(jī)械角速度，ψf為轉(zhuǎn)子磁鋼在定子上的耦合磁鏈，J為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Tl為負(fù)載力矩，M為轉(zhuǎn)盤質(zhì)量，r為轉(zhuǎn)盤半徑，Jl為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

3 主轉(zhuǎn)盤電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)伺服矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由矢量控制原理，設(shè)計(jì)了含有位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的三環(huán)控制的電機(jī)矢量控制系統(tǒng)，在電機(jī)伺服矢量控制系統(tǒng)中，電流環(huán)和速度環(huán)為內(nèi)環(huán)，位置環(huán)為外環(huán)，三者構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng),這樣的結(jié)構(gòu)可以使伺服系統(tǒng)獲得較好的動(dòng)態(tài)跟隨性能和抗干擾性能，并且能夠快速精確定位。

但是難點(diǎn)在于直驅(qū)電機(jī)在快速定位時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象，這樣會(huì)使直驅(qū)電機(jī)在定位時(shí)產(chǎn)生抖動(dòng)，會(huì)損壞器件，所以為了解決電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生超調(diào)這難點(diǎn)，位置環(huán)采用模糊P控制，速度環(huán)采用PI控制，電流環(huán)采用PI控制。基于的矢量控制原理如圖3所示[6]。

圖3 矢量控制原理圖

3.2 電機(jī)伺服系統(tǒng)三環(huán)控制模型

電機(jī)伺服控制系統(tǒng)由位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三閉環(huán)構(gòu)成。

3.2.1 電流環(huán)模型

電流環(huán)是交流位置伺服系統(tǒng)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，它是提高伺服系統(tǒng)控制精度和響應(yīng)速度，改善控制性能的關(guān)鍵。

圖4 電流閉環(huán)結(jié)構(gòu)

3.2.2 速度環(huán)模型

圖5 速度閉環(huán)控制圖

3.2.3 位置環(huán)模型

圖6 位置結(jié)構(gòu)圖

但是比例調(diào)節(jié)器可能導(dǎo)致定位精度不夠高，超調(diào)大，位置環(huán)采用模糊P控制。模糊控制作為智能控制的一種類型，用模糊控制更具有優(yōu)越性[9]。

將輸入偏差E，偏差變化率EC和控制量模糊化且模糊集均為7個(gè)，分別為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，記作{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，論域都為[-3 3]，隸屬函數(shù)都為Z型，三角形，S型結(jié)合的模式。 當(dāng)以不同的E和EC作為輸入時(shí)，根據(jù)P模糊控制的特點(diǎn)，Kp會(huì)呈現(xiàn)規(guī)律性的變化，根據(jù)此變化特點(diǎn)，以及工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的關(guān)于E，EC，Kp的模糊規(guī)則。利用中心法對(duì)輸入的模糊集合進(jìn)行去模糊化處理，控制參數(shù)Kpp=Kp0+Kp，Kp0為初始值。

4 系統(tǒng)仿真與分析

選擇雅科貝思ATR152-138型直驅(qū)電機(jī)作為設(shè)備的主電機(jī)，該電機(jī)參數(shù)如下：電機(jī)連續(xù)功率91.9 W，最大功率827.5 W，最大速度835 rpm，極對(duì)數(shù)Pn為8，電阻R為1.92ohms，d-q軸電感16.5 mH，轉(zhuǎn)子慣量0.001587 kgm2，額定轉(zhuǎn)矩17.8 Nm，額定電流6.9 A，轉(zhuǎn)子磁鏈0.215 Wb；在MATLAB/SIMULINK中采用id=0矢量控制仿真如圖7所示。

圖7 矢量控制仿真圖

由圖7可知，系統(tǒng)調(diào)節(jié)器由模糊P控制的位置環(huán)，PI控制的速度環(huán)，PI控制的電流環(huán)組成。在MATLAB/SIMULINK中進(jìn)行仿真，以電機(jī)轉(zhuǎn)一個(gè)工位為研究目標(biāo)，即轉(zhuǎn)盤分16個(gè)工位，每轉(zhuǎn)一個(gè)工位22.5°。電機(jī)轉(zhuǎn)22.5°時(shí)采用模糊P控制的位置圖如圖8(a)所示，速度圖如圖8(b)所示。位置調(diào)節(jié)器采用P控制的位置圖如圖8(c)所示，速度圖如8(d)所示。

圖8

對(duì)模糊P控制的位置圖和P控制的位置圖進(jìn)行放大，放大后的位置圖如圖8(e)和8(f)所示，由圖8(e可知，電機(jī)到達(dá)22.5°位置，基本沒超調(diào)，在0.02s基本穩(wěn)定，而圖8(fP控制的位置圖超調(diào)還是很大的，不滿足測(cè)試分選機(jī)要求。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，模糊P控制方法符合轉(zhuǎn)盤高精速的運(yùn)動(dòng)條件，定位精度很高。

對(duì)速度圖進(jìn)行放大，對(duì)應(yīng)的圖如8(g)，8(h)所示，從圖8(g)可看出速度在0.02 s時(shí)振蕩很小，基本為0。而由圖8(h)看出在0.018 s后，電機(jī)速度曲線明顯不如圖8(g),速度沒有穩(wěn)定在0，所以模糊P控制的位置環(huán)相比P控制的位置環(huán)而言，能夠滿足轉(zhuǎn)盤式測(cè)試機(jī)高精速的運(yùn)動(dòng)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

闡述了在轉(zhuǎn)盤式測(cè)試分選機(jī)主轉(zhuǎn)盤電機(jī)的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上,采用矢量控制以及的控制策略,可以簡(jiǎn)化控制過(guò)程及提高電機(jī)的控制性能。在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分別建立電機(jī)伺服系統(tǒng)的電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，基于電機(jī)矢量控制的思想,在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建了控制仿真模型，對(duì)矢量控制方法進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明采用模糊P控制方法的位置環(huán)比傳統(tǒng)的P控制的位置環(huán)精度更高，穩(wěn)定性更好，滿足了轉(zhuǎn)盤式測(cè)試分選機(jī)上主轉(zhuǎn)盤高精速定位控制的要求。

[1] 王曉東.半導(dǎo)體測(cè)試分選編帶機(jī)的簡(jiǎn)單系統(tǒng)工程分析與評(píng)價(jià)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2009，173(6)：24-28.

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Research on the Main Motor for High-speed Precision Positioning Control in Test Handler Using turntable

Gou Xinke，Liu Zejun

(Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730000, China)

Research on the direct drive motor for high-speed precision positioning control in turret testing handler . The main purpose of the direct drive motor control on the test machine is that direct drive motor rotation 22.5 degrees can be fast and accurate positioning and overshoot is very small in 50 ms. Direct drive motor uses vector control strategy, it takes ATR152-138 of AKribis as research target for the study. Establishing the mathematical model of direct drive motor and its load and discussing three methods of the controller such as Position closed-loop, Speed closed-loop, Current closed-loop in the engineering design. Under the environment of MATLAB/SIMULINK to establish direct-drive motor simulation model which bases on the location of control strategy, the controllers are position, speed and current closed-loop, the position closed-loop uses fuzzy P control and P control, The motor simulation analysis shows that direct drive motor which uses fuzzy P control has higher precision than P control. the overshoot is very small. The motor simulation analysis shows that direct drive motor controllers are designed very well. Position and speed of response is very fast, it meet the requirements of test handler.

test handler using turntable; main turntable motor ; control strategy; high-speed precision positioning control

2016-09-10；

2016-09-28。

江蘇省科技支撐計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2014)。

緱新科(1967-)，男，甘肅天水人，教授，主要從事智能結(jié)構(gòu)及動(dòng)力系統(tǒng)控制，檢測(cè)與自動(dòng)化裝備。

1671-4598(2017)02-0088-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.024

TP23

A