装片机晶片台运动控制系统的分析

2010-08-08徐品烈任绍彬

电子工业专用设备 2010年5期

徐品烈，任绍彬，郝靖

(中国电子科技集团第四十五研究所，北京东燕郊 101601)

装片机的主要功能是完成芯片的识别检测与贴装任务，设备在运行过程中，送料部分送入粘贴用的芯片和引线框架，视觉检测部分对芯片进行检测，对检测合格的芯片，由拾取机构将芯片贴装于涂敷有粘接剂基底材料(支架、PCB板等)上，使芯片与基底材料固定在一起。

晶片台(Wafer Stage)用于放置晶圆并与图像识别系统相配合，图像系统对蓝膜上滑切分割后的芯片进行检测和识别，对检测合格的芯片，给出位置信息，控制晶片台和真空吸头等执行装置，按要求将芯片送至芯片拾取位置，快速准确地完成对芯片的贴装。

1 晶片台系统的构成

晶片台机构根据CCD相机测量的数据，完成自动对准功能，要求在对准的过程中，实现精确的定位和快速的运动。晶片台系统主要由图像采集和处理部分、运动控制部分、伺服驱动及电机、晶片台执行机构四部分组成，组成示意如图1。

图1 晶片台系统构成示意图

1.1 图像

视觉检测主要是利用机器视觉技术，通过图像处理、模式识别方法，对芯片图像进行分析和处理，完成芯片的定位与缺陷检测等功能。视觉检测对芯片的定位，可以把芯片位置的精确信息传递给运动控制模块，使控制模块能够根据实时状态调整控制参数，光源、镜头、CCD摄像机、图像采集卡属于图像采集装置，主要功能是完成芯片图像的采集，并送入控制计算机进行处理和分析；芯片图像经处理和分析后，结果转换成运动控制参数，传递给运动控制部分；视觉检测的主要任务是完成芯片的定位和缺陷检测，给出运动控制参数。定位用于确定芯片的精确位置，进行缺陷检测和拾取；缺陷检测则要完成墨点、缺角、崩边、角度、紧邻芯片等检测。

1.2 运动控制

运动控制是粘片机控制系统的核心部分。所谓运动控制，是指在复杂的条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，实现对被控目标精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制以及这些控制的综合控制。位控制器将分析、计算得出的运动命令以数字脉冲信号或模拟电压信号的形式送到电机驱动器中；驱动器进行功率变换，并驱动电机根据上位控制指令转动；电机通过传动机构带动机械机构运行，这样便可以得到预期的运动形式。在闭环系统中，还需要检测反馈装置将检测到的位置反馈到驱动器或上位控制器中。

1.3 伺服驱动及电机

交流伺服系统可构成半闭环或全闭环控制。半闭环控制中，位置反馈采用转角检测元件，直接装在伺服电机或丝杠端部，伺服电机上的编码器反馈即做速度环，也做位置环。由于大部分机械传动环节未包括在系统闭环环路内，因此可获得较稳定的控制特性。这种控制方式对于传动链上的间隙及误差不能通过反馈校正，但可采用软件定值补偿的方法来适当提高其精度。

1.4 执行机构

晶片台为滚珠丝杠微米级精密x-y平台，包含x、y两个轴，分别由两个伺服电机驱动。每个方向各有一幅直线导轨幅，每条导轨上各有两个滑块，晶片台采用正交十字形结构，如图2所示。

图2 晶片台机构三机械位实体图

为了达到该设备的技术指标，对该机构提出的性能指标为：

x向最大行程:200 mm，1 mm行程的定位精度：±5 μm，运行时间小于 45 ms。

y向最大行程:200 mm，1 mm行程的定位精度：±5 μm，运行时间小于 45 ms。

2 晶片台控制系统结构

控制系统采用主从式控制方式，上位机为工控机，下位机为多轴运动控制卡。采用交流伺服电机驱动，编码器位置反馈的结构进行控制。控制结构图见图3。

该伺服控制系统是一个半闭环伺服控制系统，它的控制原理为：工业PC机作为上位机主要实现系统的管理功能和整机协调功能，与固高运动控制器通过网口通讯。根据晶片台的测试要求，由工业PC机发出运动控制指令，固高运动控制器按照接受到PC机的指令进行相应的运动控制，固高运动控制器在接受指令信号后，通过电机驱动器的转换和放大后，驱动x、y电机来对工作台进行控制，工作台运行到相应位置后，固高运动控制器再根据编码器的位置信息反馈信号把相关位置信息反馈给工业PC机。其中，编码器把信号直接反馈给驱动器，形成位置反馈的半闭环控制，而伺服驱动器把晶片台的位置信息再反馈给固高运动控制器，从固高运动控制器再形成位置环的闭环控制。

晶片台采用编码器反馈的半闭环控制方式来控制伺服电机进行工作,控制原理如图3所示：整机主控工控机向控制模块发送信号指令，驱动交流伺服电机转动，使工作台移动。同时，x、y各轴编码器记录晶片台移动的距离，晶片台移动到指定的位置后，电机停止转动，编码器把工作台运行的相关位置信号反馈回工控机，并根据工控机的指令要求，进行相应的工作。

图3 晶片台控制系统构架图

这种半闭环控制方式不但可以保证工作台x、y方向运行的综合精度，还可以克服长时间使用后，丝杠磨损对工作台精度的影响，也可以提高x、y轴运动的稳定性。

3 伺服电机的选择

固高多轴运动控制器是基于VME总线的运动控制器，与PC机通过网口进行数据交换，它与PC机构成主从式结构：PC机负责人机交互界面管理和控制系统实时监控等方面的工作(例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、控制指令的发送、外部信号的监控等)；核心的运动控制及多轴之间的逻辑配合都可在多轴运动控制器内完成，达到高速、高精度实时运动控制功能。

交流伺服电机不仅用来实现电能和机械能之间的转换，而且还用作机电信号的转换、检测、执行、控制、反馈等，在机电一体化设备中得到广泛的使用。近年来，随着大规模集成电路和计算机控制技术的发展以及现代控制技术的应用，特别是矢量控制技术的应用，使得交流伺服驱动具备了调速范围宽、稳速精度高、动态响应快等特点，因此也常被用在控制系统中。

在此设计中，驱动电机选用的是安川公司生产的sigamalV系列的SGMJV-01ADA21型交流伺服电机。

下面以x轴电机的选择为例，进行电机的选型计算。

(1)最大速度(Vmax)

在连续运行时，x轴主要用于芯片相对于拾取点的偏移量，其移动距离较小,一般最大为1 mm。

电机的额定转速为3 000 r/min，由于电机通过联轴器与丝杠相连，减速比为1∶1，可计算出Vmax=50 r/s=500 mm/s。

(2)负载惯性矩计算(JL)

丝杠(J1)φ12 mm，长度200 mm，其转动惯量为JB：

可动部分质量10 kg，则可动部分转动惯量为JT：

全惯性惯量：JL=JB+JT=2.86×10-5(kg·m2)

(3)负载转矩计算(TL)

可动部分质量10 kg、摩擦系数(μ)0.03、机械效率(η)0.95，

(4)容量选择条件

从容量选择条件，可选安川公司SGMJV-01ADA21，此电机的 Jm=0.0665×10-4kg·m2，TR=0.318Nm，TAC=1.11 Nm额定转速3 000 r/min，带有13位增量编码器，配置SGDV-R90A伺服驱动器，此款驱动器即可以接受脉冲量信号进行位置控制，也可以接收模拟量进行速度、转矩控制，驱动器内有先进的速度环PID控制器。

(5)最短加/减速时间计算(tac)

最短加速/减速为0.015 s时的加速/减速转矩：

(6)运行模式

设备的运行周期为240 ms,晶片台的运行周期为40 ms，转矩运行曲线如图4所示。

图4 运行模式及转矩曲线

计算实际转矩：

因为SGMJV-01ADA21，此电机的额定转矩在0.318 Nm，可以在指定的运行模式下连续运行。

4 闭环控制分析

固高运动控制器的PID控制器在原有传统的控制器上加有速度前馈及加速度前馈控制与光栅尺反馈信号构成了位置控制环路，如图5。

图5 闭环控制系统组成

从图5中可以看出，位置控制器的工作原理为：位置调节器中的位置控制程序周期读入由插补计算和倍率调整后的理论位置，如Δx，Δy，Δz等，并采样由位置测量组件反馈的坐标轴实际位置，经误差补偿后形成真正的坐标轴实际位置；理论位置和实际位置相比较求得跟随误差，根据跟随误差所在区间算出进给速度指令的数字量；此数字量经D/A转换，作为伺服驱动单元速度环的输入速度指令，由伺服单元驱动坐标轴运动，实现按误差的位置控制。在一个位置控制周期内，速度指令保持不变。

5 基于PID调节的晶片台控制系统的实现

PID控制是按偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)组合而成的一种基于误差的控制规律。比例增益为系统提供刚性，它的大小决定系统响应的快速性；积分增益可以消除系统的稳态误差；微分增益是为系统提供稳定性的阻尼项，能改善系统的动态特性，阻止偏差的变化，有利于减小超调量，缩短调节时间，允许加大比例增益，使得系统的稳定误差减小，提高控制精度。典型的PID控制如图6所示。

(1)比例系数Kp

图6 系统结构模型

比例控制器是一个放大倍数可调整的放大器，控制器的输出信号成比例地反应输入信号。提高比例系数Kp，可以减小系统的稳态误差，从而提高控制精度。对于一阶系统，提高Kp，还可以降低系统的惯性。但是，比例系数Kp过大会使系统产生较大超调，甚至导致不稳定；若Kp取得过小，能使系统减少超调量，稳定裕度增大，但会降低系统的调节精度，调节时间延长。

(2)积分系数Ki

积分调节可提高系统的抗干扰能力，消除系统的静态误差，适用于有自平衡性的系统。但它有滞后现象，使系统的响应速度变慢，超调量变大，并可能产生振荡。加大积分系数Ki(减小Ti)有利于减小系统静差，但过强的积分作用会使超调加剧，甚至引起振荡;减小积分系数Ki虽然有利于系统稳定，避免振荡，减小超调量，但又对系统消除静差不利。

(3)微分系数Kd

微分调节作用主要是针对被控对象的大惯性改善动态特性，它能给出响应过程提前制动的减速信号。它有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定;同时加快系统的响应速度，减小调整时间，从而改善了系统的动态特性。Kd值对响应过程影响非常大。若增加微分作用Kd，有利于加快系统响应，使超调量减小，增加稳定性，但也会带来扰动敏感，抑制外干扰能力减弱，若Kd过大则会使响应过程过分提前制动从而延长调节时间；反之，若Kd过小，调节过程的减速就会滞后，超调量增加，系统响应变慢，稳定性变差。

控制卡是工作台控制的核心，编码器的反馈信号与控制卡形成位置闭环控制。控制卡发位置脉冲量，经过D/A转换后输出±10 V的模拟量给驱动器进行速度控制。这些变量在系统性能的调试及程序控制必须用到，在作系统性能调试之前必须将控制卡的PID参数设置合适的值，以便系统能正常工作。

遵循先加比例再加积分最后加微分的原则，先调整系统的位置曲线(阶跃响应)，然后调整系统的速度曲线(跟随误差)。通过总结曲线设置适当的比例增益和微分增益，调整出比较理想的曲线，见图7。从曲线上可以看出，系统不仅响应比较快而且命令位置与实际位置重合的很好，稳态误差很小。

图7 跟随误差曲线

图8 速度曲线

在调整完系统位置曲线后，接下来进行速度曲线的调整，这个过程是调整运动轴在运动中实际速度与命令速度的跟随情况，以及调整跟随误差的大小。控制器中的速度前馈增益及加速度前馈增益这两个参数用于消除系统运行中的跟随误差，速度前馈增益减小由于阻尼(与速度成正比)引入的跟随误差，加速度前馈增益较小或消除由于系统惯性(与加速度成正比)带来的跟随误差。

图9 x轴位置曲线

图10 位置曲线的局部放大图

从图9中可以看出，实际位置曲线x轴从5 300到达6 300时，对应的时间轴坐标为0.185到0.220，因为一个脉冲对应1 μm，实际运行的距离为1 mm，所用时间为35 ms，速度指标达到了设计要求；从图10中可以看出到达目标位置时有轻微的滞后和震荡，但震荡幅度在15 μm以下，滞后时间也没有超过10 ms,能满足实际要求。