基于浮动定子的高加速度高精度直线定位平台的研究

摘要

高加速高精度定位平台是微电子制造装备的核心模块之一。在芯片封装中，随着芯片尺寸的减小，生产率要求的提高，封装设备的加速度和定位精度要求越来越高。这给定位平台的设计和控制提出了极大的挑战。封装设备中定位平台运动的典型特征为高加速度、高频启停、大行程与精定位频繁切换。然而在高加速度、高频启停情况下，传统固定定子式直线平台无法抑制大惯性反冲力引起的机台振动，进而导致整个结构振动、平台定位精度下降、工艺品质下降。本文针对此问题提出了一种基于浮动定子的高加速高精度直线定位平台的设计及控制方法。
　　本研究主要内容包括：⑴分析了传统固定定子式直线平台结构引起机台振动的振源及传播机制，从抑制振动传递的角度，提出了一维浮动定子式直线平台结构，通过在电机定子和基座之间设计滑动和阻尼结构使得反冲力以定子运动的形式释放，达到减小冲击力抑制振动的目的。然而浮动定子为系统控制引入扰动，对平台定位精度产生影响。为了得到最优的减振效果及对平台定位最低的影响，文中基于一体化设计的思想，将平台高精度定位、低振动的应用需求转化为浮动定子平台结构变量的函数，建立了以电机定子质量、阻尼元件系数为优化变量，以隔振率、定子运动调整时间、定子运动最大位移为目标函数的优化问题，通过差分进化算法求解，完成浮动定子式结构的一体化设计。⑵针对浮动定子式直线平台的特殊结构，分析影响其性能的主要因素有浮动定子引起反电动势增加、高动态响应下物理系统的延迟、非线性摩擦力。针对扰动的特点设计了两种控制器：变增益控制器(Gain scheduling)和基于扰动观测器(DOB)的鲁棒控制器。变增益控制器是基于扰动造成的破坏对控制器参数进行实时调整，通过参数整定实现快速抑扰和准确定位；后者意在消除以浮动定子为代表的扰动因素，使得物理模型与理论模型一致。以浮动定子式直线平台为对象对两种控制算法进行了对比验证。⑶通过实验对二维浮动定子式平台的结构及其控制算法进行验证。关注的性能指标包括高加速度运动时平台的定位精度和对高加速度频繁启停运动的抑振能力。采用变增益式控制策略，以实际应用中直插式和平面式两种焊接芯片的焊点轨迹为输入，考察平台的定位精度；采用激光多普勒实时采集高加速运动中基座的振动速度，验证平台的抑振能力。大量实验结果证明浮动定子式平台结构可以有效抑制由于高加速反冲力引起的基座振动，结合变增益控制算法实现了高加速度运动和高精度定位。

目录

第1章 绪论

1.1 课题的研究意义及来源

1.2 课题研究的问题及目标

1.3 国内外研究现状

1.4 论文创新点及组织结构

第2章 一维浮动定子式直线平台的建模及设计

2.1 浮动定子式结构介绍及其数学模型建立

2.2 浮动定子式结构的优化设计

2.3 仿真验证

2.4 本章小结

第3章 二维浮动定子式直线平台的优化设计

3.1 二维浮动平台的结构形式及实现方式分析

3.2 并联式二维浮动平台结构的优化设计

3.3 二维平台ADAMS仿真验证

3.4 本章小结

第4章 系统搭建及辨识

4.1 系统搭建

4.2 系统辨识

4.3 本章小结

第5章 控制算法设计

5.1 浮动定子式直线平台的误差分析

5.2 变增益(Gain Scheduling)控制算法

5.3 基于扰动观测器的鲁棒控制器

5.4 算法对比验证

5.5 本章小结

第6章 实验验证

6.1 定位精度验证

6.2 抑振效果验证

6.3 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

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致谢

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