基于音圈電機伺服控制的應用研究

石藝楠，郝 靖

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

直線電機出現以前，直線運動是由旋轉電機加上某種旋轉運動變換成直線運動的轉換機構來實現的。隨著運動控制技術的不斷發展，這種控制系統由于受自身結構的限制，在進給速度、加速度、快速定位精確等方面都很難有突破性的提高，已無法滿足更高的要求。而直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能的傳動裝置，它不受機械傳動部件的限制，能將電功率直接轉換為直線運動，具有無間隙、高剛性、高速度和高加速度的特點。

1 工作原理和結構特點

直線電機種類繁多，控制方法各異，其結構可以看作是把旋轉電機沿著徑向剖開，并且將圓周拉直成為直線，如圖1所示。

圖1 直線電機的轉變過程

其工作原理和旋轉電機類似，也是利用電磁作用將電能轉換為動能。但是在氣隙中產生的磁場不是旋轉而是沿直線方向呈正弦分布、平移，被稱為行波磁場。次級導條在行波磁場切割磁力線，感應電動勢產生電流，電流和磁場相互作用就產生電磁推力，如果初級是固定的，那么次級就沿行波磁場運動的方向做直線運動。直線電機按結構類型分為扁平型、圓筒型、圓盤型和圓弧型。

本文主要介紹的音圈電機（Voice Coil Motor，VCM）是一種特殊形式的直接驅動電機，因原理與揚聲器類似而得名。音圈電機的實物圖和工作原理圖如圖2、圖3所示。

音圈電機工作原理為洛倫磁力原理，即通電導體放在磁場中，就會產生力F，力的大小取決于磁場強度B、電流I和線圈匝數N，用公式可表示為：

圖2 音圈電機實物圖

圖3 音圈電機運動原理圖

式中：k為常數。

音圈電機具有結構簡單、體積小、重量輕、高速度、高加速度、高精度（直接驅動）、極速響應、力控制精確等特性，而且具有使用壽命長、運動頻率高的優點。根據結構形式的不同，音圈電機的動力學模型可以分為兩大類：一類是質量-彈簧-阻尼模型，即MFK型；另一類是質量-阻尼性，即MF型。MFK型音圈電機因為有彈簧的作用，使得系統的控制易于實現。常用的MFK型音圈電機，其力學和電路結構簡圖如圖4、圖5所示。

其力學平衡方程為：

圖4 音圈電機力學模型

圖5 音圈電機電路模型

其中，F為音圈電機內部線圈在磁場中產生的作用力，FK為彈簧的作用力，FF為摩擦力，FL在這里主要為音圈電機運動部分所受的重力。B為磁通密度，l為切割磁力線部分的線圈長度。當音圈電機豎直安裝完畢后，在系統未有輸入時，重力被彈簧的作用力所平衡，故公式可改為：

依據音圈電機電路模型，可得到其電壓平衡方程為：

其中，u為線圈兩端的電壓，I為音圈工作電流，L和R分別為回路中的電感和電阻，v為切割磁感應線部分線圈的速度。Blv為線圈在運動同時產生的反電動勢。

這里音圈電機做直線運動，是通過線圈供電，使線圈帶動執行機構運動，通過光柵尺為音圈電機提供位置反饋，構成音圈直線方向閉環運動。

結合拾放機構要求，音圈電機的選型主要需考慮以下幾個因素：

（1）峰值力的大小FP

（2）持續力的大小FC

（3）直線方向的速度v

（4）總行程D

峰值力FP是載荷力FL、摩擦力FF以及由負載加速產生的慣性力Fm的總和，用公式可以表示為：

其中，ML+c為所有執行機構的總質量，a為加速度。荷載力FL是在執行機構運動過程中始終作用于機構上的力。

持續力FC通常用均方根力FRMS接近表示，其公式為：

其中，t1表示加速運行時間，t2表示勻速運行時間，t3表示減速運行時間，t4表示運行過程中的延時。

直線速度v由執行機構的具體運動方式決定。如需要音圈電機提供持續力，則需要讓其處于低速運動狀態；如果讓音圈電機完成點對點的動作，則需要一個較快的速度運行。

行程D可以看作音圈一端到另一端的總距離，行程的選擇主要依據實際拾放動作過程中所要移動的距離。一般拾片和放片過程僅需較小的一段行程（幾個毫米），行程的大小直接影響拾放片的效率，也影響音圈電機的體積，行程加大將會增大音圈電機的質量，也會增加拾片機構x方向電機的負載。根據以上的幾點，綜合整體結構的要求，選擇適合要求的音圈電機。

2 控制原理

電機控制系統一般由執行電機、控制器、驅動電路和檢測裝置組成。一個直線電機應用系統不僅要有性能良好的直線電機，還必須有能在安全可靠的條件下實現要求的控制系統。

1）系統的硬件結構包括控制和功率兩部分。控制部分主要由DSP控制器、高速A/D、位置反饋計數器、SVPWM信號發生器、光柵信號高速細分電路等組成。功率部分主要由IGBT三相功率逆變橋、IGBT隔離驅動電路、功率電源整流濾波、泵升過電壓泄放電路、以及輔助電源系統等組成。其控制系統硬件結構框圖如圖6所示。

圖6 控制系統硬件結構圖

2）系統的軟件結構是以直接驅動控制算法為核心的實時控制程序，其作用是完成伺服驅動的所有控制和監測功能。主要包括系統初始化，直線電機相位初始化，直接驅動控制算法，預測電流控制，電流采樣，故障診斷與處理等功能。

3）直線電機伺服驅動是直接驅動，來自外界的擾動都直接作用在直線電機上。

其中影響動態負載剛度(Sdyn)有2個因素：速度控制環比例增益kp和積分時間Tn，及在沒有前饋控制情況下的位置控制環比例增益Kvnf，其關系表達式：

由于測量系統與直線電機和運動之間實現了一體化，因此直線驅動有非常好的靜態負載剛性，但其動態負載剛性很大程度上依賴于速度控制環的快速響應，必須通過直線電機極其快速的運動來實現。

影響定位時間有3個因素：最大加速度和速度、加加速度及位置控制進給前饋實際增益。由于直線電機具有很大的加速度，使定位軸可以在很短的時間內達到指定的速度，相應也就縮短了必要的定位時間。kvnf值的設定雖然可以減小定位時間，但會對系統穩定性產生不利的影響，過大的kvnf值會引起機械振動或電機嘯叫。

由于系統在剛性、抗擾動能力等方面要求很高，所以音圈式直線電機的控制必須采用智能伺服控制方式：具有位置調節、速度調節和電流調節的三閉環結構形式。其三環控制系統框圖如圖7所示。

圖7 閉環伺服控制系統框圖

驅動器閉合了電流環和速度環，運動控制器閉合了位置環。其中，電流環的作用是提高系統的快速性，及時抑制電流環內部的干擾，限制最大電流同時提供系統足夠大加速轉矩。若干擾作用在電流環內，則電流環能及時調整，減少轉速變化，防止對速度環和位置環產生干擾。中間環為速度環，通過檢測電機編碼器來進行負反饋調節，它的環內輸出直接就是電流環的設定。速度調節器的主要作用是保證系統具有良好的跟蹤性和抗干擾性能。主要防止來自負載的擾動，保證在負載由波動時，電機速度變化小，速度恢復快。最外環是位置環，由光柵尺反饋電機的實際位移。位置環內部輸出即是速度環的設定，在位置控制模式下系統進行所有三個環的運算，其運算量最大，動態響應最慢。其作用主要是保證系統靜態精度和動態跟蹤性能，直接關系系統的穩定和高性能運行。

3 音圈電機在拾放機構中的應用

拾放機構是IC封裝設備的核心單元，在速度上，拾放片效率直接決定整機的工作效率；在精度上，芯片的尺寸很小，需要準確可靠的放入指定的焊盤基板中。其技術指標要求拾放效率＞8000次/h，定位精度±20 μm，這對機械結構和控制系統都提出了很高的要求。其拾放機構如圖8所示。

圖8 拾放機構示意圖

拾放片機構的工作流程：加工完成的芯片位于Wafer盤上，芯片正面朝上，底部粘附于Wafer的藍膜上。要實現芯片從Wafer盤放置到基板焊盤上，需要完成拾取、平移、放片3個動作。整個過程涉及到多電機高速高精度控制、機器視覺、氣路等多方面協調配合。其工藝流程如圖9所示。

圖9 拾放片工藝流程圖

1）芯片的拾取通過頂針機構把圖像識別選中的芯片從Wafer盤上頂出，音圈電機驅動擺臂吸嘴從安全高度垂直運動接觸芯片，最終完成真空吸附。

2）擺臂吸頭保持真空吸附芯片狀態，向上抬起至安全高度，再通過水平方向電機平移到對應的基板焊盤上方幾毫米處，再向下移動與焊盤接觸，吸嘴真空關閉，吹氣釋放芯片，擺臂吸嘴抬起返回，準備下一芯片的拾取。

針對芯片拾放機構這種短行程、高精度、高頻率的往復運動，選用音圈電機作為其執行單元是最佳的選擇。

通過理論分析計算和實際的應用測試，拾放機構系統執行單元所用音圈電機主要性能參數如表1。

音圈電機運動控制采用三環伺服控制，由專用運動控制器、高性能伺服驅動器和高精度1 μm光柵尺組成全閉環系統。通過行程上速度的不斷優化，充分發揮音圈電機的性能，最終實現了吸嘴高速精確拾放芯片。目前，拾放機構垂直運動的最大行程為16 mm，最大加速度為59 m/s2，單程時間小于45 ms。音圈電機實際應用以后，設備性能大幅提高：效率高，整機粘片速度達到8 500片/h；精度高，定位精度達到±18 μm；運動安靜、噪音低，維護方便。

表1 音圈電機參數

4 結束語

音圈電機具有結構簡單、重量輕、慣性小、動態響應快、速度和加速度大、精度高、振動和噪聲小等優點，是高速、微距離運動的理想傳動執行裝置。隨著直線電機的進一步發展，對封裝設備制造業將會有很大的促進作用，有可能使封裝設備從結構到性能上都發生革命性的變化。

[1]葉云岳.直線電機原理與應用[M].北京：機械工業出版社，2000.

[2]蔡長春，徐志峰，潘晶，等.直線電機的發展和應用[J].微機電，2003，36(2):47-50.

[3]陳仁智.音圈馬達Voice Coil Motor簡介[J].馬達科技研究中心，2003（41）:1-8.

[4]黃世濤、馮之敬.MF型音圈式直線電機的微進給機構伺服方法研究[J].航空精密制造技術，2005，41（5）：12-15.