基于音圈电机伺服控制的应用研究

石艺楠，郝 靖

(北京中电科电子装备有限公司，北京100176)

直线电机出现以前，直线运动是由旋转电机加上某种旋转运动变换成直线运动的转换机构来实现的。随着运动控制技术的不断发展，这种控制系统由于受自身结构的限制，在进给速度、加速度、快速定位精确等方面都很难有突破性的提高，已无法满足更高的要求。而直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能的传动装置，它不受机械传动部件的限制，能将电功率直接转换为直线运动，具有无间隙、高刚性、高速度和高加速度的特点。

1 工作原理和结构特点

直线电机种类繁多，控制方法各异，其结构可以看作是把旋转电机沿着径向剖开，并且将圆周拉直成为直线，如图1所示。

图1 直线电机的转变过程

其工作原理和旋转电机类似，也是利用电磁作用将电能转换为动能。但是在气隙中产生的磁场不是旋转而是沿直线方向呈正弦分布、平移，被称为行波磁场。次级导条在行波磁场切割磁力线，感应电动势产生电流，电流和磁场相互作用就产生电磁推力，如果初级是固定的，那么次级就沿行波磁场运动的方向做直线运动。直线电机按结构类型分为扁平型、圆筒型、圆盘型和圆弧型。

本文主要介绍的音圈电机（Voice Coil Motor，VCM）是一种特殊形式的直接驱动电机，因原理与扬声器类似而得名。音圈电机的实物图和工作原理图如图2、图3所示。

音圈电机工作原理为洛伦磁力原理，即通电导体放在磁场中，就会产生力F，力的大小取决于磁场强度B、电流I和线圈匝数N，用公式可表示为：

图2 音圈电机实物图

图3 音圈电机运动原理图

式中：k为常数。

音圈电机具有结构简单、体积小、重量轻、高速度、高加速度、高精度（直接驱动）、极速响应、力控制精确等特性，而且具有使用寿命长、运动频率高的优点。根据结构形式的不同，音圈电机的动力学模型可以分为两大类：一类是质量-弹簧-阻尼模型，即MFK型；另一类是质量-阻尼性，即MF型。MFK型音圈电机因为有弹簧的作用，使得系统的控制易于实现。常用的MFK型音圈电机，其力学和电路结构简图如图4、图5所示。

其力学平衡方程为：

图4 音圈电机力学模型

图5 音圈电机电路模型

其中，F为音圈电机内部线圈在磁场中产生的作用力，FK为弹簧的作用力，FF为摩擦力，FL在这里主要为音圈电机运动部分所受的重力。B为磁通密度，l为切割磁力线部分的线圈长度。当音圈电机竖直安装完毕后，在系统未有输入时，重力被弹簧的作用力所平衡，故公式可改为：

依据音圈电机电路模型，可得到其电压平衡方程为：

其中，u为线圈两端的电压，I为音圈工作电流，L和R分别为回路中的电感和电阻，v为切割磁感应线部分线圈的速度。Blv为线圈在运动同时产生的反电动势。

这里音圈电机做直线运动，是通过线圈供电，使线圈带动执行机构运动，通过光栅尺为音圈电机提供位置反馈，构成音圈直线方向闭环运动。

结合拾放机构要求，音圈电机的选型主要需考虑以下几个因素：

（1）峰值力的大小FP

（2）持续力的大小FC

（3）直线方向的速度v

（4）总行程D

峰值力FP是载荷力FL、摩擦力FF以及由负载加速产生的惯性力Fm的总和，用公式可以表示为：

其中，ML+c为所有执行机构的总质量，a为加速度。荷载力FL是在执行机构运动过程中始终作用于机构上的力。

持续力FC通常用均方根力FRMS接近表示，其公式为：

其中，t1表示加速运行时间，t2表示匀速运行时间，t3表示减速运行时间，t4表示运行过程中的延时。

直线速度v由执行机构的具体运动方式决定。如需要音圈电机提供持续力，则需要让其处于低速运动状态；如果让音圈电机完成点对点的动作，则需要一个较快的速度运行。

行程D可以看作音圈一端到另一端的总距离，行程的选择主要依据实际拾放动作过程中所要移动的距离。一般拾片和放片过程仅需较小的一段行程（几个毫米），行程的大小直接影响拾放片的效率，也影响音圈电机的体积，行程加大将会增大音圈电机的质量，也会增加拾片机构x方向电机的负载。根据以上的几点，综合整体结构的要求，选择适合要求的音圈电机。

2 控制原理

电机控制系统一般由执行电机、控制器、驱动电路和检测装置组成。一个直线电机应用系统不仅要有性能良好的直线电机，还必须有能在安全可靠的条件下实现要求的控制系统。

1）系统的硬件结构包括控制和功率两部分。控制部分主要由DSP控制器、高速A/D、位置反馈计数器、SVPWM信号发生器、光栅信号高速细分电路等组成。功率部分主要由IGBT三相功率逆变桥、IGBT隔离驱动电路、功率电源整流滤波、泵升过电压泄放电路、以及辅助电源系统等组成。其控制系统硬件结构框图如图6所示。

图6 控制系统硬件结构图

2）系统的软件结构是以直接驱动控制算法为核心的实时控制程序，其作用是完成伺服驱动的所有控制和监测功能。主要包括系统初始化，直线电机相位初始化，直接驱动控制算法，预测电流控制，电流采样，故障诊断与处理等功能。

3）直线电机伺服驱动是直接驱动，来自外界的扰动都直接作用在直线电机上。

其中影响动态负载刚度(Sdyn)有2个因素：速度控制环比例增益kp和积分时间Tn，及在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益Kvnf，其关系表达式：

由于测量系统与直线电机和运动之间实现了一体化，因此直线驱动有非常好的静态负载刚性，但其动态负载刚性很大程度上依赖于速度控制环的快速响应，必须通过直线电机极其快速的运动来实现。

影响定位时间有3个因素：最大加速度和速度、加加速度及位置控制进给前馈实际增益。由于直线电机具有很大的加速度，使定位轴可以在很短的时间内达到指定的速度，相应也就缩短了必要的定位时间。kvnf值的设定虽然可以减小定位时间，但会对系统稳定性产生不利的影响，过大的kvnf值会引起机械振动或电机啸叫。

由于系统在刚性、抗扰动能力等方面要求很高，所以音圈式直线电机的控制必须采用智能伺服控制方式：具有位置调节、速度调节和电流调节的三闭环结构形式。其三环控制系统框图如图7所示。

图7 闭环伺服控制系统框图

驱动器闭合了电流环和速度环，运动控制器闭合了位置环。其中，电流环的作用是提高系统的快速性，及时抑制电流环内部的干扰，限制最大电流同时提供系统足够大加速转矩。若干扰作用在电流环内，则电流环能及时调整，减少转速变化，防止对速度环和位置环产生干扰。中间环为速度环，通过检测电机编码器来进行负反馈调节，它的环内输出直接就是电流环的设定。速度调节器的主要作用是保证系统具有良好的跟踪性和抗干扰性能。主要防止来自负载的扰动，保证在负载由波动时，电机速度变化小，速度恢复快。最外环是位置环，由光栅尺反馈电机的实际位移。位置环内部输出即是速度环的设定，在位置控制模式下系统进行所有三个环的运算，其运算量最大，动态响应最慢。其作用主要是保证系统静态精度和动态跟踪性能，直接关系系统的稳定和高性能运行。

3 音圈电机在拾放机构中的应用

拾放机构是IC封装设备的核心单元，在速度上，拾放片效率直接决定整机的工作效率；在精度上，芯片的尺寸很小，需要准确可靠的放入指定的焊盘基板中。其技术指标要求拾放效率＞8000次/h，定位精度±20 μm，这对机械结构和控制系统都提出了很高的要求。其拾放机构如图8所示。

图8 拾放机构示意图

拾放片机构的工作流程：加工完成的芯片位于Wafer盘上，芯片正面朝上，底部粘附于Wafer的蓝膜上。要实现芯片从Wafer盘放置到基板焊盘上，需要完成拾取、平移、放片3个动作。整个过程涉及到多电机高速高精度控制、机器视觉、气路等多方面协调配合。其工艺流程如图9所示。

图9 拾放片工艺流程图

1）芯片的拾取通过顶针机构把图像识别选中的芯片从Wafer盘上顶出，音圈电机驱动摆臂吸嘴从安全高度垂直运动接触芯片，最终完成真空吸附。

2）摆臂吸头保持真空吸附芯片状态，向上抬起至安全高度，再通过水平方向电机平移到对应的基板焊盘上方几毫米处，再向下移动与焊盘接触，吸嘴真空关闭，吹气释放芯片，摆臂吸嘴抬起返回，准备下一芯片的拾取。

针对芯片拾放机构这种短行程、高精度、高频率的往复运动，选用音圈电机作为其执行单元是最佳的选择。

通过理论分析计算和实际的应用测试，拾放机构系统执行单元所用音圈电机主要性能参数如表1。

音圈电机运动控制采用三环伺服控制，由专用运动控制器、高性能伺服驱动器和高精度1 μm光栅尺组成全闭环系统。通过行程上速度的不断优化，充分发挥音圈电机的性能，最终实现了吸嘴高速精确拾放芯片。目前，拾放机构垂直运动的最大行程为16 mm，最大加速度为59 m/s2，单程时间小于45 ms。音圈电机实际应用以后，设备性能大幅提高：效率高，整机粘片速度达到8 500片/h；精度高，定位精度达到±18 μm；运动安静、噪音低，维护方便。

表1 音圈电机参数

4 结束语

音圈电机具有结构简单、重量轻、惯性小、动态响应快、速度和加速度大、精度高、振动和噪声小等优点，是高速、微距离运动的理想传动执行装置。随着直线电机的进一步发展，对封装设备制造业将会有很大的促进作用，有可能使封装设备从结构到性能上都发生革命性的变化。

[1]叶云岳.直线电机原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2]蔡长春，徐志峰，潘晶，等.直线电机的发展和应用[J].微机电，2003，36(2):47-50.

[3]陈仁智.音圈马达Voice Coil Motor简介[J].马达科技研究中心，2003（41）:1-8.

[4]黄世涛、冯之敬.MF型音圈式直线电机的微进给机构伺服方法研究[J].航空精密制造技术，2005，41（5）：12-15.