基于直线电机驱动精密运动控制技术实践研究

刘正平

摘要：随着工业4.0时代的到来，在工业控制中，高精度运动控制作为现代高端制造业中的关键技术，全球广泛应用于高端制造机床、芯片制造设备、机器人等高科技机械系统中，特别对芯片制造产业和高端机床设备等装备技术分析，对运动机构的高速、高加速度和高精度的运动控制平台技术研究具有重要实践意义。

关键词:高端制造；芯片；运动控制平台

一、精密运动平台国内外研究现状分析

1、目前国内现状分析

在国内，如上海电气通过对国外先进的直线电机技术进行调研与学习，结合电机本体仿真研究，设计开发了具有自主知识产权的国产直线电机，取得了较好的成果。对于电子封装设备的高速高精度定位平台研究，天津大学研究构建的两轴联动高速高精度定位平台采用了直线音圈电机直接驱动，将驱动部件置于底座上，减轻了运动部件的重量，降低了惯量。从以上两个机构研究的直线电机的发展与应用都促进了高速加工伺服控制技术的研究和开发。虽然高速高精度直线电机直驱伺服控制技术与应用取得了一定的成绩，但同发达国家相比仍然存在着很大差距，且不是真正意义上应用于高速机床及芯片封装设备上的直线电机进给单元。

2、国际现状分析

国外高精度运动伺服控制系统的研究较早，特别在欧美，日本等工业较发达的国家中，直线电机及其驱动器生产技术与应用技术已经相对成熟，并作为一种崭新的进给运动驱动方式，极大地推进了高端机床和其它精密设备的研发进程，并深刻地推动着本国制造业的发展变革。目前世界上有许多著名公司生产直线电机及驱动器，并大力致力于直线电机高精度平台的开发，如日本三菱公司，美国ANORAD公司等。

对于直线电机直驱技术在高速高精密机床及芯片封装设备平台上的应用，德国Ex-cell公司于1993年国际机床博览会上展出世界第一台由直线电机直接驱动的HSC-240型超高速加工中心，这台加工中心采用了Indramat公司开发的感应式直线电机，工作台最快进给速度可以达到60m/min。

二、精密运动平台的技术实践分析

随着全球信息化技术和网络化技术的飞速发展，集成电路产业几乎涉及到国家所有的工业部门和安全领域，对国防安全建设和国民经济的发展起着越来越大的促进作用,在国防建设和国家安全领域，集成电路在信息战和武器装备中起着维护国家意志，捍卫国家主权的作用;在经济建设和增强综合国力的过程中，集成电路又是核心竞争力的体现。因此，芯片产业又被比喻为国家的“工业之粮食”，是关系到国家经济命脉、国防力量、人民生活及信息安全的基础性、战略性产业。涉及到的芯片设计、制造以及封装等技术，已成为衡量一个国家科技进步的重要标志。

近年来，随着大数据时代及微电子技术迅速发展，电子科技产品功能的日趋强大，并且迅速朝着便携式和小型化方向发展，芯片的尺寸微型化，复杂化也逐渐增加，其内部集成的电路数据高达数数千万个，I/O数高达1000个以上。所以，芯片封装技术也不断向着高集成度、高性能化、多引线化等方向发展，这对封装设备运动机构的高精度运动控制技术提出了较为高的要求。传统封装技术已经不能满足现代芯片封装技术的要求，研发先进的高密度封装技术则显得越来越迫切，芯片封装是利用膜技术及微细连接技术，将半导体集成电路芯片内部电路接点通过键合引线与外部封装体的引脚相连接，并通过塑性绝缘介质灌封固定，构成实用的整体结构的工艺技术。

目前大部分数控机床的运动进给机构采用的是传统串联型的直线定位工作台，即“旋转电机+滚珠丝杠”。这种机构的运动机构存在着运动间隙以及惯性大等缺点，限制了数控机床精度、速度和加速度的进一步提高，但是采用直线电机直驱方式的运动平台运行速度比采用传统的“旋转电机+滚珠丝杠”驱动方式的运动机构高几十倍，传动刚度可提高数倍，因此选择基于直线电机直驱机构作为芯片封装设备和高速数控加工中心等高端制造装备的机械运动平台是必然的趋势。

三、精密定位运动平台设计应用分析

高端制造装备的高速精密定位平台设计与搭建是一个系统而又复杂的工程。当中涉及到的技术覆盖了多个学科领域的研究内容，如机械结构设计、机电控制、电机学、高速高精度伺服控制技术、图像处理技术及软件工程等。根据系统工程总体设计原则，首先对所研究构建的高速精密定位实验平台进行功能需求分析，提出实验平台的具体性能指标;然后从定位平台硬件系统包括机械机构、驱动电机与检测设备等与软件控制系统两方面，研究定位平台的基本组成框架，提出系统总体设计方案，以满足芯片封装设备和高速装备对运动机构提出的高速、高加速度、高精度及稳定的控制要求。高速高精度直线电机运动控制平台依然处于实验室研发阶段，与实际生产中用于进行规模生产的成熟产品仍有很大的差距。为了使实验室研究成果更好地应用于未来的生产与应用，保证所研究技术的先进性与可持续性，并结合系统研发过程中经费，需要制定标准化原则、系统可扩展原则、系统可重构性原则、系统稳定性原则、系统可重构性原则提出了相应的要求。

研究内容是设计并构建了一套高速精密定位平台，该定位平台的X-Y工作台采用高精度永磁同步直线电机直接驱动，平台控制系统采用高性能运动控制卡，直线电机伺服控制系统采用全闭环控制。定位平台的定位精度要求达到士5-10um，重复定位精度达到5um以内。针对上述研究目标，主要研究内容包括一下几个方面:

（1）高速精密定位平台整体设计与分析研究。根据高速精密定位平台的功能需求，需要提出研究系统的总体设计方案，并提出定位实验平台机械硬件和软件控制系统的基本组成框架。

（2）直线电机伺服控制系统控制技术研究与分析。分析永磁同步直线电机的结构与工作原理，建立直线电机数学模型及其运动系统数学模型。根据芯片封装设备运动机构高速、高精度及稳定性的运动特点，选择合适的伺服控制策略，建立定位平台伺服控制系统数学模型，为实验研究提供理论依据。

（3）需要利用PMAC提供的专业调试软件，对直线电机伺服控制系统的PID控制参数及前馈控制参数(速度前馈、加速度前馈及摩擦前馈)进行综合整定与调试实验分析，使整个伺服控制系统获得良好的动态响应性能与稳态性能。

（4）需要定位平台性能测量研究与分析。分别对定位平台在空载及带机械负载(负载质量12Kg)运行条件下的定位精度和重复定位精度进行了测量计算与对比分析;同时，通过实验测试分析定位平台在不同负载运行状况下的最大稳定速度与最大加速度。

四、精密定位运动平台性能分析

对于高速高精度定位平台，增加直线电机动子机械负载质量后，会使系统的惯性环节增加，从而使直线电机被控系统数学模型发生改变，影响了直线电机伺服控制系统控制性能。需要通过实验分析负载变化对定位平台的定位精度、最大稳定速度及加速度等性能的影响。

1、对定位精度的影响分析

本文研究的直线电机定位平台在空载状态下X轴动子组件负载质量为5kg，Y轴为48Kg。在实际的应用轴定位平台运动末端还要安装Z轴伺服电机组件，总重量约为17Kg。通过转接板将Z轴伺服电机组件块安装在X轴动子上，反复试验，分析机械负载对直线电机定位精度及伺服系统控制参数的影响。相对于空载运行状况下，X轴直线电机的负载变化较大，约为240%，若不对X轴伺服控制参数重新进行调试与修改，X轴直线电机无法达到理想运行状态，系统跟随误差急剧增大，在高速运行条件下系统跟随误差甚至会达到几毫米，而Y轴直线电机的负载变化较小，约为25%，因此保持Y轴伺服控制系统控制参数不变，只调节X轴伺服系统控制参数，借此分析基于前馈的改进型PID控制算法对负载质量扰动变化的抗干扰性能。

2、对速度及最大加速度的影响

整定直线电机伺服控制系统控制参数，并对X轴及Y轴直线电机的最大稳定速度和最大加速度进行测定，经过自己一些实验数据，结果影响定位平台X轴直线电机最大稳定速度的主要因素是运动控制器的处理速度与外部的各种干扰如电磁干扰、摩擦及振动等;增加机械负载后，由于Y轴直线电机动子负载质量变化较小，而定位平台Y轴的最大加速度并没有出现大幅度地下降，但是由于没有重新调整伺服系统控制参数，Y轴的最大稳定速度从650mm/s下降到450mm/s，且在稳定运行过程中速度波动更加明显，说明直线电机运动平台在高速运行状态下的控制性能与定位平台机械本体结构的刚度有很大的关系。因此，为了实现并提高直线电机定位平台的高速高加速度的运动性能，必须要尽量减小机械负载的质量(即对其进行轻量化设计)和外部环境对伺服控制系统的扰动，同时要尽可能提高定位平台机械本体结构的刚度。

五、结束语

随着技术的不断地发展，诸如芯片封装设备和高速加工机床等高端制造装备对运动各机构的高速、高加速、高精度和稳定性等运动指标要求也越来越高。将来芯片封装设备和高速数控加工中心的实际功能需求与发展趋势，研究面向高端制造装备的高速高精度伺服控制关键技术，本文主要研究提出：

1、针对高端装备制造产业的特点，提出实现高端装备制造的关键技术是研究基于新的直线电机直驱方式及先进控制技术的高速精密定位系统。结合国内外在直线电机及其应用领域的研究现状与成果，提出了自己的课题的研究意义与方案。

2、根据面向高端制造装备的高速精度定位系统总体设计原则，提出了定位平台总计设计方案与系统各组成部分结构框架。本定位平台的X-Y工作台决定采用高精度永磁同步直线电机直接驱动，整个平台控制系统采用了IPC+MC开放式数控系统结构，且运动控制卡采用了功能强大、可靠性高且具有全面开放性的PMAC运动控制卡。

参考文献

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作者简介

刘正平（1978-）云南昭通人，浙江工商职业技术学院讲师，主要从事数控技术方面的研究。