高动态运动平台全局耦合建模与特性分析及控制研究

摘要

芯片封装是IC产业链中的重要环节,高动态运动平台是芯片封装设备的核心技术之一,制约着封装工艺的实现和生产效率的提高。在芯片封装中,随着芯片尺寸的缩小,芯片集成度越来越高,引线间距离越来越小,对封装设备中运动平台的定位精度要求也就越来越高,同时随着对封装速度要求的提高,对运动平台的速度、加速度要求也越来越高。这些指标的实现需要充分发挥平台的极限性能,给相关理论研究及系统设计制造提出了极大的挑战。
　　从封装过程看,目前高动态运动平台的典型运动指标是在短距离内(毫米级)快速(毫秒级)完成高加速度(10-15g)、高精度(±2-±3μm)的点到点运动。这些指标对系统的动态过程和稳态精度提出了极高要求,本文从封装过程中系统实际运行工况出发,基于自主研制的高动态运动平台,进行建模、特性分析及控制器设计方面的研究。该高动态运动平台采用直线电机驱动,避免了机械传动误差的影响,采用特殊结构的电机形式实现两自由度运动的解耦,避免了机械解耦机构导致的系统刚度降低,为实现高加速度精确定位提供了基本保证。针对该运动平台,本文利用键合图理论建立了系统全局耦合模型,进行了系统特性分析,然后针对性的使用非对称S速度曲线作为参考输入,并设计了一种双环反馈加前馈结合干扰补偿的控制器,最后通过仿真和实验验证了上述理论。
　　在系统建模方面,通过分析典型封装运动特点,指出对高动态运动平台建模需要在较宽频率范围内建立考虑系统中所有组成部分的全局耦合模型。针对高动态运动平台是复杂的机、电、磁多能域耦合系统的特点,并且需要考虑非线性摩擦、检测信号误差等因素的影响,采用键合图法建立了包括驱动器、直线电机、机械结构、检测元件及摩擦的系统全局耦合模型。为系统特性分析及控制器设计提供基础。
　　在系统特性分析方面,基于建立的系统全局耦合模型,全面分析高动态运动平台在封装运动工况下的特性。首先通过系统模型中反映出来的零极点分布及模态分析说明运动平台最基本的特性。然后分别针对系统各个组成部分采用理论分析结合软件仿真的方法说明其对系统响应的影响,从而明确系统中的不确定性因素及其变化程度,为设计针对性的控制器提供依据。
　　在速度规划方面,利用曲线频谱特性分析了速度曲线特点,得出加加速度是引起系统残余振动的原因,从而设计了非对称速度规划曲线。规划算法通过引入与加加速度值相关的两个因子并参考对称速度规划曲线的参数进行计算,得到了一种时间及距离都受约束情况下的非对称S速度规划曲线,同时使用逐段补偿的方式处理计算机实现时的离散化问题。
　　在控制器设计方面,首先分析了高动态运动平台控制系统的特点,然后设计了一种速度环、位置环双环反馈加前馈控制,并结合干扰补偿的控制器。速度环采用鲁棒 H∞控制实现对参数不确定性及干扰的抑制;位置环采用 PID控制实现对运动轨迹的跟踪;零相误差跟踪控制用来进一步提高轨迹跟踪精度并补偿系统滞后影响;对非线性摩擦干扰采用基于模型的补偿方式。
　　最后搭建了实验系统,对高动态运动平台进行性能测试及实验研究。性能测试结果表明运动平台能够实现最大加速度15g。实验结果表明所提出的非对称速度规划曲线具有抑振效果,结合设计的控制器使平台实现±2-±3μm定位精度,这些指标已经达到目前国外封装设备中对高动态平台的要求。本文的工作为后续研究此类高动态运动平台提供了理论和技术支撑。

目录

高动态运动平台全局耦合建模与特性分析及控制研究

GLOBAL COUPLED MODELING,CHARACTERISTIC ANALYZING AND CONTROLOF HIGH DYNAMIC MOTION STAGE

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 面向芯片封装的高动态运动平台概述

1.3 高动态运动平台全局耦合建模方法研究现状

1.4 高动态运动平台控制研究现状

1.5 本文主要研究内容

第2章 高动态运动平台全局耦合建模

2.1 高动态运动平台基本结构

2.2 键合图基本理论

2.3 高动态运动平台电气元件键合图模型

2.4 非线性摩擦键合图模型

2.5 机械结构键合图模型

2.6 高动态运动平台键合图模型

2.7 本章小结

第3章 高动态运动平台特性分析

3.1 运动平台全局耦合仿真模型及特性分析

3.2 驱动器特性分析

3.3 电机相关参数特性分析

3.4 位移检测分辨率特性分析

3.5 机械相关参数特性分析

3.6 摩擦特性分析

3.7 特性分析总结

3.8 本章小结

第4章 时间距离约束下非对称S速度规划

4.1 速度曲线特性分析

4.2 时间距离约束下非对称S运动轨迹生成方法

4.3 非对称S曲线实现时的约束问题

4.4 非对称S曲线仿真分析

4.5 本章小结

第5章 高动态运动平台控制器设计

5.1 高动态运动平台控制特点及结构

5.2 鲁棒H∞控制方法

5.3 前馈零相位误差跟踪（ZPETC）控制

5.4 摩擦补偿方法

5.5 高动态运动平台控制算法仿真分析

5.6 本章小结

第6章 高动态运动平台实验研究

6.1 高动态运动平台实验系统组成

6.2 高动态运动平台模型辨识

6.3 轨迹规划实验

6.4 控制算法验证

6.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间所发表的学术论文

哈尔滨工业大学学位论文原创性说明及使用授权说明

致 谢

个人简历