基于直线电机驱动的芯片检测定位控制系统研究

黄锐　王庭有　李应春

摘要： 芯片在封装过程中可能存在金线断裂，封装开裂等内部损伤，通常需要进行内部探伤来检测其是否合格。由于芯片内部元件以及线路极其精密，因此对检测系统的驱动定位系统也要求具有极高的精度。文章基于U型直线电机高精度的特点，设计了由U型直线电机驱动的超声波芯片检测定位控制系统，通过对由U型直线电机驱动的工作台硬件以及软件的设计，达到了芯片检测的要求。

Abstract： During the process of encapsulation， there may be internal damage， such as broken gold wire and package cracking， etc.， and it is usually necessary to carry out internal testing to check whether it is qualified. As the internal components of the chip and its precision， the detection system of the drive positioning system also requires a very high accuracy. Based on the characteristics of high precision of U type linear motor， this paper designs an ultrasonic chip detecting and positioning control system driven by U type linear motor. The hardware and software of the table driven by U type linear motor are designed to meet the requirements of chip testing.

关键词： U型直线电机；定位系统；控制系统

Key words： U type linear motor；positioning system；control system

中图分类号：TM359.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）32-0140-02

0 引言

随着科学技术的发展，计算机技术已成为现代社会生活和生产中不可分割的一部分，芯片作为计算机技术的核心部件之一，在我们的生活中无处不在，因此对芯片的检测显得尤为重要。芯片内部结构精密而复杂，因此对检测系统的定位精度要求极高。直线电机是一种能够将电能直接转换为直线机械能而不需要任何中间转换装置的特种电机，因其相较于传统的旋转电机，具有高推力、高速度、高精度、平滑进给等优良的特性，因此越来越受到各行业的广泛青睐。文中以直线电机作为驱动装置，通过对软硬件的设计及优化，使得检测系统达到了极高的定位精度。

1 定位系统硬件设计

芯片检测通常采用超声波检测技术，超声波芯片检测系统的工作方式如下：芯片以一定速度被送往检测探头处，检测探头以非接触的方式与芯片同向，同速运行。同时探头以一定速度左右横向运行，对芯片进行检测。当横向检测芯片完成后，检测探头迅速回到原位。

根据检测系统的工作方式，检测探头共需要三个方向的运动，故此系统为XYZ三轴三维定位系统。其中，X轴方向与芯片的传送方向相同，为保证检测探头与传送装置的协调运行以及对检测头支撑，采用龙门结构设计，共需两组相互平行的直线电机。Y轴方向负责检测探头的左右横向运行，需一组直线电机。Z轴方向负责检测探头与芯片间距的调整，需一组直线电机。直线电机定位系统结构如图1所示。

直线电机有多种类型，文中选取U型电机作为驱动电机。U型电机是一种三相交流永磁同步直线电机，因其为无铁芯结构，故电机不会产生齿槽效应，常用于需要平滑，大加速度的场合[1]。文中选用电机型号为LMMH-0080-135-00。电机检测反馈装置是决定直线电机定位精度的关键装置，文中选用英国的RENISHAW公司的RG2系列直线光栅系统作为检测反馈装置，具体型号为：直线光栅读数头RGH22及直线光栅RGS20-S。直线导轨是系统的支撑和引导部件，文中选用日本THK公司的HSR15系列直线导轨。伺服驱动器是现代运动控制的重要组成部分，它通过对伺服电机的位置、速度和力矩进行控制，实现高精度的传动系统定位，文中采用美国Copley Controls公司的Xenus XTL-230-40。

2 定位系统软件设计

文中定位系统共有三个轴四个电机组成，其中每一个轴的控制环节大致相似，因此文章仅对其中一个轴进行研究，其单轴控制结构整体框图如图2所示。

直线电机伺服控制系统为典型的三环控制系统，即电流环、速度环和位置环。由于电流环参数难以调整，故文章主要对直线电机速度环和位置环进行设计。

文章采用矢量控制技术来进行电机控制。矢量控制理论是目前交流电机中运用最为广泛，最为成熟的控制方法。矢量控制通过控制励磁磁场和与它垂直的电枢电流来控制电机电磁转矩，最终实现电机的控制。矢量控制需要精确的数学模型，通过坐标变换法，可以建立起U型直线电机轴数学模型。U型直线电机动力学方程为[2]：

位置环是三环结构中的外环，直线电机的位置环控制精度直接决定了定位控制系统的定位精度。因此位置环控制需要有足够的控制精度。文中位置环采用前馈控制与比例控制相结合的控制方式。

前馈控制原理图如图3所示。

可见前馈控制理论误差为零，可以很好的保证系统的控制精度，同时又兼具快速响应的特性。

速度环需要较快的响应速度。前馈控制可以把指令直接传递给被控制对象大大提高了控制系统的跟踪指令性能和响应速度，故文章采用带前馈的伪微分反馈控制器（PDFF）。PDFF控制器兼具了PI控制器响应速度快和IP控制器抗干扰能力强，鲁棒性好的优点。

由前文位置环控制器和速度环控制器可得系统单轴控制框图如图4所示。通过MATLAB仿真实验，系统的定位精度误差控制在±1×10-4m以内。

3 结束语

文中以U型直线电机为驱动电机，搭建了检测系统的硬件结构。同时设计了前馈——比例位置控制器和PDFF速度控制器。通过硬件和软件的设计达到了检测系统定位精度要求。

参考文献：

[1]吴育春，王庭有，张华.基于U型直线电动机的应用研究[J].新技术新工艺，2012（7）：66-67.

[2]余凤豪，吕飞，张松涛，等.永磁同步直线电机的数学模型分析[J].舰船电子工程，2010，30（9）：120-122.

[3]叶云岳编著.直线电机原理与应用[M].机械工业出版社，2000.