高動態(tài)運(yùn)動平臺全局耦合建模與特性分析及控制研究.pdf

1、芯片封裝是IC產(chǎn)業(yè)鏈中的重要環(huán)節(jié),高動態(tài)運(yùn)動平臺是芯片封裝設(shè)備的核心技術(shù)之一,制約著封裝工藝的實現(xiàn)和生產(chǎn)效率的提高。在芯片封裝中,隨著芯片尺寸的縮小,芯片集成度越來越高,引線間距離越來越小,對封裝設(shè)備中運(yùn)動平臺的定位精度要求也就越來越高,同時隨著對封裝速度要求的提高,對運(yùn)動平臺的速度、加速度要求也越來越高。這些指標(biāo)的實現(xiàn)需要充分發(fā)揮平臺的極限性能,給相關(guān)理論研究及系統(tǒng)設(shè)計制造提出了極大的挑戰(zhàn)。
　　從封裝過程看,目前高動態(tài)運(yùn)動平臺

2、的典型運(yùn)動指標(biāo)是在短距離內(nèi)(毫米級)快速(毫秒級)完成高加速度(10-15g)、高精度(±2-±3μm)的點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動。這些指標(biāo)對系統(tǒng)的動態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)精度提出了極高要求,本文從封裝過程中系統(tǒng)實際運(yùn)行工況出發(fā),基于自主研制的高動態(tài)運(yùn)動平臺,進(jìn)行建模、特性分析及控制器設(shè)計方面的研究。該高動態(tài)運(yùn)動平臺采用直線電機(jī)驅(qū)動,避免了機(jī)械傳動誤差的影響,采用特殊結(jié)構(gòu)的電機(jī)形式實現(xiàn)兩自由度運(yùn)動的解耦,避免了機(jī)械解耦機(jī)構(gòu)導(dǎo)致的系統(tǒng)剛度降低,為實現(xiàn)高加速度精確

3、定位提供了基本保證。針對該運(yùn)動平臺,本文利用鍵合圖理論建立了系統(tǒng)全局耦合模型,進(jìn)行了系統(tǒng)特性分析,然后針對性的使用非對稱S速度曲線作為參考輸入,并設(shè)計了一種雙環(huán)反饋加前饋結(jié)合干擾補(bǔ)償?shù)目刂破?最后通過仿真和實驗驗證了上述理論。
　　在系統(tǒng)建模方面,通過分析典型封裝運(yùn)動特點(diǎn),指出對高動態(tài)運(yùn)動平臺建模需要在較寬頻率范圍內(nèi)建立考慮系統(tǒng)中所有組成部分的全局耦合模型。針對高動態(tài)運(yùn)動平臺是復(fù)雜的機(jī)、電、磁多能域耦合系統(tǒng)的特點(diǎn),并且需要考慮非線

4、性摩擦、檢測信號誤差等因素的影響,采用鍵合圖法建立了包括驅(qū)動器、直線電機(jī)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、檢測元件及摩擦的系統(tǒng)全局耦合模型。為系統(tǒng)特性分析及控制器設(shè)計提供基礎(chǔ)。
　　在系統(tǒng)特性分析方面,基于建立的系統(tǒng)全局耦合模型,全面分析高動態(tài)運(yùn)動平臺在封裝運(yùn)動工況下的特性。首先通過系統(tǒng)模型中反映出來的零極點(diǎn)分布及模態(tài)分析說明運(yùn)動平臺最基本的特性。然后分別針對系統(tǒng)各個組成部分采用理論分析結(jié)合軟件仿真的方法說明其對系統(tǒng)響應(yīng)的影響,從而明確系統(tǒng)中的不確定性

5、因素及其變化程度,為設(shè)計針對性的控制器提供依據(jù)。
　　在速度規(guī)劃方面,利用曲線頻譜特性分析了速度曲線特點(diǎn),得出加加速度是引起系統(tǒng)殘余振動的原因,從而設(shè)計了非對稱速度規(guī)劃曲線。規(guī)劃算法通過引入與加加速度值相關(guān)的兩個因子并參考對稱速度規(guī)劃曲線的參數(shù)進(jìn)行計算,得到了一種時間及距離都受約束情況下的非對稱S速度規(guī)劃曲線,同時使用逐段補(bǔ)償?shù)姆绞教幚碛嬎銠C(jī)實現(xiàn)時的離散化問題。
　　在控制器設(shè)計方面,首先分析了高動態(tài)運(yùn)動平臺控制系統(tǒng)的特點(diǎn),

6、然后設(shè)計了一種速度環(huán)、位置環(huán)雙環(huán)反饋加前饋控制,并結(jié)合干擾補(bǔ)償?shù)目刂破?。速度環(huán)采用魯棒 H∞控制實現(xiàn)對參數(shù)不確定性及干擾的抑制;位置環(huán)采用 PID控制實現(xiàn)對運(yùn)動軌跡的跟蹤;零相誤差跟蹤控制用來進(jìn)一步提高軌跡跟蹤精度并補(bǔ)償系統(tǒng)滯后影響;對非線性摩擦干擾采用基于模型的補(bǔ)償方式。
　　最后搭建了實驗系統(tǒng),對高動態(tài)運(yùn)動平臺進(jìn)行性能測試及實驗研究。性能測試結(jié)果表明運(yùn)動平臺能夠?qū)崿F(xiàn)最大加速度15g。實驗結(jié)果表明所提出的非對稱速度規(guī)劃曲線具有抑