基于重復(fù)控制的半導(dǎo)體巨量轉(zhuǎn)移設(shè)備高速高精定位方法研究

張勇， 汪承研

（廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣東廣州 510550）

0 引言

半導(dǎo)體巨量轉(zhuǎn)移設(shè)備主要執(zhí)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的重復(fù)快速點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)， 要求運(yùn)動(dòng)具有高速高加速而到達(dá)點(diǎn)需要快速高精到位，特別是隨著mini LED 逐步進(jìn)入量產(chǎn)階段，巨量轉(zhuǎn)移設(shè)備將對(duì)mini LED 生產(chǎn)效率起著舉足輕重的作用。最早的巨量轉(zhuǎn)移設(shè)備使用旋轉(zhuǎn)電機(jī)加滾珠絲杠的方式實(shí)現(xiàn)，由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的存在，平臺(tái)剛性較差，往復(fù)運(yùn)行頻率很低，一般只有5 線/秒。 為消除傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶來的負(fù)面影響，同時(shí)隨著直線電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，直線電機(jī)由于其推重比高、熱損耗小、精度高和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體設(shè)備中[1-2]，使用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)平臺(tái)做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)將極大的滿足巨量轉(zhuǎn)移設(shè)備的高速高精高效要求。 以此直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的mini LED 等半導(dǎo)體巨量轉(zhuǎn)移裝備因?yàn)椴捎弥本€電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)， 加載在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的干擾直接施加在驅(qū)動(dòng)電機(jī)上，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的要求更高。因此， 在直線驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)上如何更有效抵除干擾并實(shí)現(xiàn)高速高加速高精度的定位控制， 將是mini LED 巨量倒裝轉(zhuǎn)移系統(tǒng)控制研究的主要難題。

本文將基于自主開發(fā)的驅(qū)控一體控制器對(duì)執(zhí)行高速高精運(yùn)動(dòng)定位的上下兩層級(jí)的XY 直線電機(jī)提出一種P+改進(jìn)重復(fù)控制的控制方法應(yīng)用于該XY 電機(jī)級(jí)聯(lián)控制的位置環(huán)，其中重復(fù)控制器主要應(yīng)用于負(fù)載慣量和有規(guī)律干擾的補(bǔ)償[3]，P 控制器則應(yīng)用于隨機(jī)干擾的快速抑制。 本控制方法將有效實(shí)現(xiàn)如mini LED 等巨量倒裝轉(zhuǎn)移系統(tǒng)控制的高速高精運(yùn)動(dòng)要求，定位精度和定位速度達(dá)到最佳性能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)備控制系統(tǒng)的框架見圖1， 系統(tǒng)主要包含了上位機(jī)模塊、 驅(qū)控一體控制器模塊、BondXYZ 直線電機(jī)、WaferXYZ 直線電機(jī)；BondXY 和WaferXY 為上下兩層XY 平面的定位電機(jī)， 基于兩級(jí)XY 電機(jī)可減少定位時(shí)間； 驅(qū)控一體控制器模塊又包含了運(yùn)動(dòng)控制單元和驅(qū)動(dòng)控制單元，運(yùn)動(dòng)控制單元主要執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制的插補(bǔ)，驅(qū)動(dòng)控制單元主要執(zhí)行直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制， 本文研究的高速高精定位方法即在驅(qū)動(dòng)控制單元的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中執(zhí)行與實(shí)現(xiàn)。

圖1 設(shè)備控制系統(tǒng)框架

2 基于P/PI/PI 的PID 控制

PID 控制經(jīng)典控制理論在實(shí)際控制系統(tǒng)中的典型應(yīng)用， 是在工業(yè)控制中應(yīng)用得最為廣泛的一種控制方法。PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r（t）與實(shí)際輸出值c（t）構(gòu)成偏差：e（t）=r（t）-c（t）。將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行控制，其結(jié)構(gòu)簡單，魯棒性和適應(yīng)性較強(qiáng)，調(diào)節(jié)整定很少依賴于系統(tǒng)的具體模型。 PID 也是當(dāng)前電機(jī)控制的主要方法之一。

在本控制系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的基本控制策略中，電流環(huán)和速度環(huán)均采用PI 控制，位置環(huán)采用P 控制，基于P/PI/PI 的PID 控制應(yīng)用并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)隨機(jī)干擾的快速抑制[4-6]，如圖2 所示。

圖2 基本級(jí)聯(lián)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）首先根據(jù)直線電機(jī)的電壓方程、電磁推力方程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程推導(dǎo)出直線電機(jī)的平臺(tái)數(shù)學(xué)模型為：

3 基于重復(fù)控制的高速高精定位控制

為克服重復(fù)控制器對(duì)控制對(duì)象穩(wěn)定性高要求和系統(tǒng)向前通道中延時(shí)， 對(duì)重復(fù)控制器進(jìn)行改進(jìn)以更好協(xié)助系統(tǒng)完成高速高精的定位運(yùn)動(dòng)。 改進(jìn)的重復(fù)控制器首先在延時(shí)環(huán)節(jié)前加入一個(gè)低通濾波器Q（s）改善保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，加入前饋α（s）克服添加Q（s）帶來的跟蹤性能衰減和促使重復(fù)控制器第一周期有信號(hào)輸出， 最后在控制對(duì)象前加入前置補(bǔ)償器C（s）保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。 基于重復(fù)控制+P 的級(jí)聯(lián)控制器的傳遞函數(shù)為：

式中：E=Q（s）·e-Ls，Qx（s）和R（s）分別為輸出ox（t）和r（t）輸入的Laplace 變換，以上即得到了控制器中各高速高精定位軸級(jí)聯(lián)控制的最終計(jì)算公式。

圖3 重復(fù)控制+P 的級(jí)聯(lián)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 加工驗(yàn)證

將上述基于P+改進(jìn)重復(fù)控制的控制方法應(yīng)用于mini LED 巨量倒裝轉(zhuǎn)移設(shè)備的XYZ 軸控制中，如圖4 所示，在實(shí)驗(yàn)中，加工速度設(shè)置為500mm/s，加速度設(shè)置為5000mm/s2， 得到各軸定位誤差和定位時(shí)間如表1 所示，其中X 軸的跟蹤誤差從12μm 提高到1.2μm， 定位時(shí)間從100ms 提高到10ms，定位精度從60μm 提高到5μm；Y軸的跟蹤誤差從13μm 提高到1.5μm，定位時(shí)間從105ms提高到11ms，定位精度從50μm 提高到4μm，以上數(shù)據(jù)達(dá)到并滿足了設(shè)備高頻啟停情況下高速、高加速度、高精度的定位移動(dòng)要求。

圖4 加工驗(yàn)證的mini LED 巨量倒裝轉(zhuǎn)移設(shè)備

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

本文提出了一種基于傳統(tǒng)PID 控制模型的改進(jìn)控制方法， 在控制中加入了重復(fù)控制器滿足半導(dǎo)體封裝器件對(duì)高速、高加速、高速精度的運(yùn)動(dòng)要求，經(jīng)過原理分析、公式計(jì)算和實(shí)際加工驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

X 軸的跟蹤誤差從12μm 提高到1.2μm，定位時(shí)間從100ms 提高到10ms，定位精度從60μm 提高到5μm，Y 軸的指標(biāo)提升也與X 軸相當(dāng)。

通過加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)后算法能充分滿足高速、高加速度、高精度的運(yùn)動(dòng)要求，加工效果也能完全滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。