基于Turbo PMAC的LED焊线机位置/力分段切换控制

吴小洪，陈佳溪

(广东工业大学机电工程学院，广东广州510006)

LED焊线机在焊线过程中，焊头从悬空中下降到芯片表面，焊头与芯片表面发生接触，存在相互作用力，接触力过大导致芯片焊盘龟裂，过小则会焊接不牢，引起芯片封装失效。在焊接芯片时对接触力有一定的要求，碰撞时刻键合力为0.8～1 N，稳定后的键合力为0.3～0.5 N。通常情况下，焊头与芯片接触碰撞时间越短，碰撞速度越大，瞬间冲击力就越大，碰撞稳定后焊头与芯片的接触力处于静接触状态。第一代焊线机多采用位移控制，通过控制接触速度和最终变形量来获得满意的接触力［1］，况且芯片的高度也不一致，如果仍然试图通过单纯提高位置控制精度来达到控制力的目的，已经不能满足高速焊线机的要求，必须对接触力进行控制。如何构建位置/力控制策略是提高芯片封装质量和效率的关键。

目前LED焊线机实现途径为PC+多轴运动控制卡+伺服放大器的控制方式，通过研究Turbo PMAC的伺服输出机制，结合LED焊线机焊接特点，提出了一种位置/力分段切换控制方法。其中对焊头行程进行分段控制，焊头从悬空中下降到芯片表面附近，接近芯片表面但未与芯片发生接触，这段行程应用Turbo PMAC进行位置控制;焊头从芯片表面附近下降到与芯片发生接触，并完成焊接，此段行程应用Turbo PMAC进行力控制，由位置控制切换到力控制通过 Turbo PMAC 程序实现［2－3］。

1 Turbo PMAC伺服输出机制

Turbo PMAC卡是美国DeltaTau公司推出的开放式运动控制器。Turbo PMAC输出的控制信号分为两种:一种模拟量控制，另一种是脉冲+方向控制。为了实现对力的控制，采用模拟量信号控制，即Turbo PMAC DAC模拟量指令控制电机。伺服放大器的工作模式分为3种:位置模式、速度模式、力矩模式。伺服放大器设置为力矩模式，伺服放大器的力矩模式接受控制卡模拟量信号并且能够控制输出力的大小，Turbo PMAC+伺服放大器控制原理图见图1。

图1 Turbo PMAC+伺服放大器控制原理图

图1中Turbo PMAC卡实际输出到伺服放大器DAC模拟量指令值由两部分组成:一部分是Turbo PMAC PID控制器输出的DAC值;另一部分是Turbo PMAC DAC偏差补偿值。

1.1 计算Turbo PMAC PID输出DAC值

PMAC提供了PID+速度/加速度前馈+Notch滤波器控制器，通过调整比例增益、积分增益、微分增益 (即PID控制)、速度、加速度前馈，摩擦增益等参数来解决系统特性问题。Turbo PMAC的PID控制算法原理如图2所示。

图2 Turbo PMAC卡PID位置伺服算法框图

参考图2的控制模型，如果忽略死区滤波、陷波滤波器等因素，Cp(n)和Ap(n)分别表示指令位置和实际位置，Cv(n)和Av(n)分别表示指令速度和实际速度，Ca(n)表示指令加速度，可得如下公式:

位置跟随误差:Fe(n)=Cp(n)－Ap(n)

实际速度为:Av(n)=Ap(n)－Ap(n－1)

指令速度为:Cv(n)=Cp(n)－Cp(n－1)

进行Z变换为:Cv(z)=Cp(z)－z－1Cp(z)=Cp(z)(1－z－1)

因此此处加入的环节为:kvff·(1－z－1)式中:kvff为速度前馈增益。

指令加速度为:Ca(n)=Cv(n)－Cv(n－1)=Cp(n)－2Cp(n－1)+Cp(n－2)

进行Z变换为:Ca(z)=Cp(z)－2z－1Cp(z)+z－2Cp(z)

因此此处加入的环节为:kaff·(1－2z－1+z－2)

式中:kaff为加速度前馈增益。

由图2可推导出以下公式:

式中:ki为积分增益，kd为微分增益，kp为比例系数。

由以上公式 (1)— (4)推出PID最后输出量为:

1.2 计算Turbo PMAC输出DAC值总和

Turbo PMAC实际输出值是PID控制器输出DAC值与DAC偏差补偿值之和，Turbo PMAC DAC偏差补偿值可以通过Turbo PMAC变量Ixx29由用户自己设置。Turbo PMAC输出DAC值总和为:

伺服一般为3个环控制，所谓3环就是3个闭环负反馈PID调节系统，最内环是电流环，其次是速度环，最外环是位置环。Turbo PMAC+伺服放大器位置控制，速度环和位置环PID运算由Turbo PMAC卡完成，电流环PID运算由伺服放大器完成。Turbo PMAC+伺服放大器力矩控制，此时屏蔽Turbo PMAC的速度环和位置环，只剩下伺服放大器电流环，根据式 (6)的表达式，让kp=0，Turbo PMAC PID输出总为零，那么Turbo PMAC的速度环和位置环PID不再起作用，Turbo PMAC输出的模拟量为DAC=Ixx29，控制电机力矩的大小［11－12］。

2 位置/力分段轨迹优化

自动焊线过程中，首先采用高速高加速度运行，当要接近目标时，如果速度过高，焊头与芯片碰撞瞬间冲量过大，瞬间冲击力就越大，故而采用低速运行，图3所示是优化前和优化后两种运动曲线。

图3 位置/力分段运动轨迹

优化前软着陆运动轨迹在位置控制模式切换到力矩控制模式时，其电机速度已降为零，优化后的运动轨迹中并没有在位置/力切换过程中将电机的速度降为零，而是将其直接减速到安全的指定低速指令后直接接近芯片，实现软着陆。通过对比分析两种运动轨迹，可以看出:优化后的软着陆运行时间比前者缩短了，有效地提高了运行效率。

3 位置/力切换方法

位置/力切换通过构建切换函数T(s)实现位置/力切换，通常按力反馈控制系统的结构大体可分为开环控制和闭环控制。使用力传感器闭环控制在一定程度上提高了力控的准确性，但也增加了控制系统的难度。焊线机受机械结构等因素影响，压力传感器的安装也增加了机械系统的复杂性，固不使用力传感器，即采用对力矩实行开环控制，而对位置实行闭环控制。

3.1 切换函数

对于切换函数T(s)，其切换条件选择为电机编码器反馈的实际位置，设Xp为切换条件位置，kp为Turbo PMAC PID比例增益，Ap(n)为实际位置，则

当电机编码器反馈的实际位置值Ap(n)小于等于设定的条件位置值Xp时，比例增益kp≠0，Turbo PMAC PID正常输出指令值，Turbo PMAC为位置闭环模式，意味着DAC总输出为PID输出值与DAC偏差补偿值Ixx29之和。当电机编码器反馈的实际位置值Ap(n)大于设定的条件位置值Xp时，比例增益Kp=0，PMAC PID输出指令值总为零，Turbo PMAC从位置闭环模式切换到力矩开环模式，意味着DAC总输出就是DAC偏差补偿值Ixx29。

3.2 切换程序

切换程序必须处理的是这种方式的输入输出转换，进入力矩开环模式，令Ixx29=M102，通过程序改变M102的值来改变力矩值的大小;另外，积分增益Ixx33和积分限制Ixx63都设置为0，屏蔽积分作用，电机Ixx11致命跟随误差极限也设置为0使其失效。由力矩开环模式切换到位置闭环模式，实际的电机位置值必须拷贝给两个给定位置寄存器，一个用于电机，一个用于轴，使M163=M162，M165=M162，M162表示1号电机的实际位置值，变量M163表示1号电机的目标位置值，M165表示1号坐标系X轴的目标位置值，这样切换到闭环时就不会发生摆动而且平滑。同时比例增益kp、积分增益Ixx33和积分限制Ixx63都设置为位置闭环模式下的原有值，电机Ixx11致命跟随误差极限也重新存储，使其有效［14－16］。Turbo PMAC卡位置/力矩切换程序:

在实际应用中通过上述程序控制，得到如图4所示的速度曲线图，曲线1表示指令速度曲线，曲线2表示实际速度曲线，能够满足当前高速焊线机的要求。

图4 位置/力矩切换速度曲线图

4 结束语

以往的引线键合伺服驱动控制多采用位置模式的控制方法，在引线键合过程中无法精确控制焊接力的大小，导致焊接质量不是很理想。采用位置/力分段切换控制，控制位置的同时又能够很好地控制力的大小，焊接质量得到改善。在位置/力切换模式时，当前存在切换时间过长 (通常为5～10 ms)、切换过程焊头发生抖动问题，而基于Turbo PMAC卡提出的分段切换控制方法能好地解决切换时间过长和抖动问题，从而真正地实现了位置/力分段切换控制。

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