高加速精密运动平台建模及控制关键技术研究

【摘要】：芯片封装是IC产业中重要环节，高加速精密运动平台是封装设备的核心运动部件。随着科技发展，芯片的尺寸越来越小，引线间距也越来越小，对封装效率的要求越来越高，这就要求面向芯片封装的运动平台具有更快的速度、更高的加速度、更高的定位精度。这些指标对运动平台的设计以及运动控制系统的实现提出了极大的挑战。 本文从封装运动典型工况出发，基于自主研制的高加速精密运动平台，建立了平台摩擦模型，研究了运动平台模型辨识技术，以及能够实现快速、精确定位的控制关键技术。 论文研究的高加速精密运动平台采用的是直线电机直接驱动的形式。本文首先对永磁同步直线电机进行特性分析，分析了直线电机推力波动的情况；建立运动平台的摩擦模型，对于摩擦模型中难以确定的参数进行系统参数辨识；预估了运动平台模型的模型结构，采用频率响应法对系统模型进行辨识，得到系统的数学模型，并验证模型有效性。 基于得到的运动平台的数学模型，研究了面向封装运动的控制关键技术。采用非对称S速度曲线对平台参考位置输入进行轨迹规划，有效抑制运动平台的残余振动；根据辨识得到的闭环系统数学模型，设计了零相位跟踪误差前馈控制器，减小了系统的时滞误差，增强系统响应特性；设计位置环PID控制器，以及速度环PID+扰动观测器(DOB)的控制结构，实现对低频扰动的补偿和高频噪声等干扰的抑制；减小控制算法计算量，降低过渡过程超调量，将摩擦干扰分为高速线性部分和低速非线性两部分分别补偿。利用Matlab/Simulink对设计的前馈、反馈控制器进行仿真分析，验证控制算法的可行性。 最后，搭建基于dSPACE实时仿真系统的运动平台实验系统，对高加速精密运动系统进行性能测试以及实验研究。测试结果表明，运动平台最大加速度可达X向15g，Y向16g。结合所设计的控制器，运动平台X向在9ms以内达到±1um的定位精度，Y向可以6ms以内达到±1um的定位精度，并且使过渡过程的超调量控制在3.2um以内，这些指标都已达到国内外先进水平。