圈鬯 蚕 星 皇至童 鱼 窒 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） 摘 要：随着电机控制技术的不断发展，传统的伺服电机控制方式已经不能适应高速度、高精度 控制运动的要求，而直线电机的直接驱动方式由于取消了一切中间传动环节，具有结构简单、动 态响应快、速度快、精度高、振动和噪音小等优点，在各类高速、高精度加工设备中具有广阔的应 用前景。介绍了音圈式直线电机的结构特点和工作原理，阐述了音圈电机的伺服控制技术．并介 绍了音圈电机在封装设备中的实际应用 关键词：音圈式直线电机；三环伺服控制：拾放机构 中图分类号：ＴＭ３５９．４ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００４ ４５０７（２０１２）０２．００２７．０６ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｖｏｉｃｅ Ｃｏｉｌ Ｍｏｔｏｒ Ｓｅｒｖｏ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＳＨＩ Ｙｉｎａｎ，ＨＡＯ Ｊｉｎｇ （Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｌｔｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １ ００ １ ７６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｕｎｃｅａｓｉｎｇ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｅｒｖｏ ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｕｎａｂｌｅ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｄｉｒｅｃｔ ｄｒｉｖｅ ｍｏｄｅ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａｌｌ ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｒｔａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｋｓ，ｈａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｆａｓｔ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ，ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ，ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｓｍａｌｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ ｅｔｃ．ｉｔ ｉｎ ｈｉ曲ｓｐｅｅｄ，ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｈａｓ ｗｉｄｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｉｎ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｖｏｉｃｅ ｃｏｉｌ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ ｔｈｅ ｖｏｉｃｅ ｃｏｉｌ ｍｏｔｏｒ ｓｅｒｖｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｖｏｉｃｅ ｃｏｉｌ ｍｏｔｏｒ ｉｎ ｐａｃｋａｇｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒ￣：ｖｏｉｃｅ ｃｏｉｌ１ｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ；ｔｈｒｅｅ—ｌｏｏｐｓ ｓｅｒｖｏ ｃｏｎｔｒｏ１；Ｐｉｃｋ ａｎｄ ｐｌａｃｅ ｔｈｅ ｂｏｄＶ 直线电机出现以前，直线运动是由旋转电机 系统由于受自身结构的，在进给速度、加速 加上某种旋转运动变换成直线运动的转换机构来 度、快速定位精确等方面都很难有突破性的提高， １ 实现的。随着运动控制技术的不断发展，这种控制 已无法满足更高的要求。而直线电机是一种将电 收稿日期：２０１２．０１．１２ 基金项目：国家８６３项目（２００９４Ａ０４３１０３） 电子专用设备研究 电子工业毫用设备 － 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，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。 擘一 ＂ＩＰ￣Ｉ Ｐ 定子（初 （次级） （ａ）沿径向剖开 初级 次级 （ｂ）把圆周展成直线 图ｌ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 （ （总第２０５期）圜■圃咽 图２音圈电机实物图 钢性磁通回路 运动机构 图３昔圈电机运动原理图 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，和线圈匝数Ｊ７ｖ，用公式可 表示为： Ｆ＝ｋＢＬＩＮ （１） 式中： 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：一类是质量一弹簧一阻 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： Ｆ一 一 ＋ＥＬ＝，ｎ０ （２） Ｆ＝Ｂｉｌ （３） － 电子工业毫用设备 电子专用设备研究 图４音圈电机力学模型 尺 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， 为弹簧的作用力， 为摩擦力，Ｒ在 这里主要为音圈电机运动部分所受的重力。 为 磁通密度，Ｚ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： Ｆ— 一 ＝ｍａ （４） 依据音圈电机电路模型，可得到其电压平衡 方程为： ＝ 誓＋Ｒ，＋ （５） 其中， 为线圈两端的电压，，为音圈工作电 流， 和尺分别为回路中的电感和电阻， 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 （２）持续力的大小Ｒ （３）直线方向的速度 （４）总行程Ｄ 峰值力 是载荷力Ｒ、摩擦力 以及由负 载加速产生的惯性力 的总和，用公式可以表 示为： ＝Ｒ＋ ＋Ｆｍ （６） ＝ ＋ｃ×０ （７） 其中，耽＋ｃ为所有执行机构的总质量，０为 加速度。荷载力 是在执行机构运动过程中始终 作用于机构上的力。 持续力Ｒ通常用均方根力‰接近表示，其 公式为： 懈＝ （８） 其中，ｔ 表示加速运行时间，ｔ：表示匀速运行 时间，ｔ，表示减速运行时问，ｔ 表示运行过程中的 延时。 直线速度 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 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 电子专用设备研究 电子工业专用设备 － 分电路等组成。功率部分主要由ＩＧＢＴ三相功率 泵升过电压泄放电路、以及辅助电源系统等组成。 逆变桥、ＩＧＢＴ隔离驱动电路、功率电源整流滤波、 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 要的定位时间。 值的设定虽然可以诫小定位时 核心的实时控制程序，其作用是完成伺服驱动的 间，但会对系统稳定性产生不利的影响，过大的 所有控制和监测功能。主要包括系统初始化，直线 值会引起机械振动或电机啸叫。 电机相位初始化，直接驱动控制算法，预测电流控 由于系统在刚性、抗扰动能力等方面要求很高， 制，电流采样，故障诊断与处理等功能。 所以音圈式直线电机的控制必须采用智能伺服控制 ３）直线电机伺服驱动是直接驱动，来自外界 方式：具有位置调节、速度调节和电流调节的三闭环 的扰动都直接作用在直线电机上。 结构形式。其三环控制系统框图如图７所示。 其中影响动态负载刚度（５如）有２个因素：速 宴 度控制环比例增益Ｉｊ｝ 和积分时间 ，及在没有前 馈控制情况下的位置控制环比例增益 ，其关系 表达式： Ｉ— 位置反馈 ｌ速度反馈广・Ｌ＝—Ｉ 塑昼ｌ．１ １ ≈｜ｊ｝ （ ＋ （９） 图７闭环伺服控制系统框图 １口 由于测量系统与直线电机和运动之间实现了 驱动器闭合了电流环和速度环，运动控制器 一体化，因此直线驱动有非常好的静态负载刚性， 闭合了位置环。其中，电流环的作用是提高系统的 但其动态负载刚性很大程度上依赖于速度控制环 快速性，及时抑制电流环内部的干扰，最大电 的快速响应，必须通过直线电机极其快速的运动 流同时提供系统足够大加速转矩。若干扰作用在 来实现。 电流环内，则电流环能及时调整，减少转速变化， 影响定位时间有３个因素：最大加速度和速 防止对速度环和位置环产生干扰。中间环为速度 度、加加速度及位置控制进给前馈实际增益。由于 环，通过检测电机编码器来进行负反馈调节，它的 直线电机具有很大的加速度，使定位轴可以在很 环内输出直接就是电流环的设定。速度调节器的 短的时间内达到指定的速度，相应也就缩短了必 主要作用是保证系统具有良好的跟踪性和抗干扰 － 电字工业专用设备 ｔ●●●，◆ 电子专用设备研究 僻 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 图８拾放机构示意图 拾放机构是ＩＣ封装设备的核心单元，在速度 拾放片机构的工作流程：加工完成的芯片位 上，拾放片效率直接决定整机的工作效率；在精度 于Ｗａｆｅｒ盘上，芯片正面朝上，底部粘附于Ｗａｆｅｒ 上，芯片的尺寸很小，需要准确可靠的放入指定的 的蓝膜上。要实现芯片从Ｗａｆｅｒ盘放置到基板焊 焊盘基板中。其技术指标要求拾放效率＞８０００次 盘上，需要完成拾取、平移、放片３个动作。整个过 ／ｌｌ，定位精度±２０仙ｍ，这对机械结构和控制系统 程涉及到多电机高速高精度控制、机器视觉、气路 都提出了很高的要求。其拾放机构如图８所示。 等多方面协调配合。其工艺流程如图９所示。 吸嘴抬 量Ｊｌ 起下降 拾取动作 放置动作 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 表１音圈 电机参数 的芯片从Ｗａｆｅｒ盘上顶出，音圈电机驱动摆臂吸嘴 电流电阻 ３．２ Ｑ 最大推力 ７０ Ｎ 最大电流 ４．０ Ａ 持续推力 ２７ Ｎ 从安全高度垂直运动接触芯片，最终完成真空吸附。 力常数 １７．７ 电机常数 ６＿８ ２）摆臂吸头保持真空吸附芯片状态，向上抬 反电动势常数 １７．７ 最大行程 ２０ ｍｎｌ 起至安全高度，再通过水平方向电机平移到对应 电感 ２．５ ｍＨ 电机质量 ５２０ ｇ 的基板焊盘上方几毫米处，再向下移动与焊盘接 充分发挥音圈电机的性能，最终实现了吸嘴高速精 触，吸嘴真空关闭，吹气释放芯片，摆臂吸嘴抬起 确拾放芯片。目前，拾放机构垂直运动的最大行程为 返回，准备下一芯片的拾取。 １６ ｍｍ，最大加速度为５９ ｍ／ｓ ，单程时间小于４５ 针对芯片拾放机构这种短行程、高精度、高频 ｍｓ。音圈电机实际应用以后，设备性能大幅提高：效 率的往复运动，选用音圈电机作为其执行单元是 率高，整机粘片速度达到８ ５００片／ｌ１；精度高，定位精 最佳的选择。 度达到±１８ ｍ；运动安静、噪音低，维护方便。 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。 ４结束语 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 ｍ光 音圈电机具有结构简单、重量轻、惯性小、动 栅尺组成全闭环系统。通过行程上速度的不断优化， 态响应快、速度和加速度大、精度高、振动和噪声 电子专用设备研究 电子工业毫用设蚤 － （上接第２６页） 表３运转控制方式 ００ 运转指令由数字操作器控制 显示区 Ｏ１ 运转指令由外部端子控制，键盘ＳＴＯＰ有效 ０２ 运转指令由外部端子控制，键盘ＳＴＯＰ无效 ＬＥＤ指示区 ０３ 运转指令由串行通信控制，键盘ＳＴＯＰ有效 模式键 运转键 ０４ 运转指令由串行通信控制，键盘ＳＴＯＰ无效 确认键 停止／复位键 表４与电机相关的参数 Ｐ０３ 最高操作频率选择 ５０ＨＺ Ｐ０４ 最大电压频率选择 ５０ＨＺ 频率设定 上下键 Ｐ０５ 最高输出电压选择 ３８０Ｖ Ｐ３６ 输出频率上限设定 ５ＯＨＺ Ｐ５２ 电机额定电流设定 １．２Ａ Ｐ５３ 电机无载电流设定 ０．５Ａ 图３变频器数字操作器 其中Ｐ０３、Ｐ０４、Ｐ０５及Ｐ３６是出于保护电机的 ４结束语 目的，必须设定合适的值，避免造成电机因电压过 高或运转频率过低可能产生过热现象，或是因速 采用变频器和三相交流感应电机构成电容分 度过高造成机械磨损等灾害。 选机交流调速控制系统，硬件结构简单，便于维 Ｐ５２必须根据电机的铭牌规格设定，利用此参数 护。能够实现宽广的调速范围，设备速度可以在 可变频器输出电流防止电机过热。Ｐ５３电机无载 ０～１２０个／ｍｉｎ连续调速，设备的启停稳定，速度 电流，会直接影响转差补偿的量，故此参数的设定非 调节方便。使用变频器可以通过参数的设定方便 常重要。其设定依据为：无载电流＜电机额定电流。 地改变输出转矩和加减速时间、目标频率、上下限 （４）数字操作器相关参数。数字操作器如图３ 频率等，使得交流调速系统能够获得优良的调速 所示，位于变频器位置，可分为两部分：显示 性能。 区和按键控制区。它可以通过一根电缆延长线与 变频器连接，安装在设备上。显示区提供参数 参考文献： 设定规划模式及显示不同的运转状态。按键控制 ［１】 刘玉亭．论变频技术的应用［Ｊ］＿现代工业商贸，２００９，１５ 区为使用者与变频器沟通接口。参数Ｐ６４可以设 ２９８．２９９． 定显示区的显示值，当其值为０１时，显示值等于 【２］ 李华楹．浅谈变频调速技术【Ｊ］．经济研究导刊，２００８，１７ ２６０．２６１． 输出频率Ｈ＇Ｐ６５，而Ｐ６５是用户自定义的比例常 ［３］ 中达电通．台达ＶＦＤ—Ｍ使用手册［Ｚ】．２００４． 数，故而利用Ｐ６４与Ｐ６５可以使得显示区的值为 当前电机的速度值。根据频率与电机转速的线性 作者简介： 关系可以计算出Ｐ６５＝电机的最大速度／变频器 黄永（１９８３．），男，汉族，毕业于石家庄铁道学院，本 的输出上限频率：１４０／５０：２．８ Ｈｚ。 科，助理工程师，主要从事电子工艺设备的电气设计工作。
