基于Turbo PMAC的LED焊線機位置/力分段切換控制

吳小洪，陳佳溪

(廣東工業大學機電工程學院，廣東廣州510006)

LED焊線機在焊線過程中，焊頭從懸空中下降到芯片表面，焊頭與芯片表面發生接觸，存在相互作用力，接觸力過大導致芯片焊盤龜裂，過小則會焊接不牢，引起芯片封裝失效。在焊接芯片時對接觸力有一定的要求，碰撞時刻鍵合力為0.8～1 N，穩定后的鍵合力為0.3～0.5 N。通常情況下，焊頭與芯片接觸碰撞時間越短，碰撞速度越大，瞬間沖擊力就越大，碰撞穩定后焊頭與芯片的接觸力處于靜接觸狀態。第一代焊線機多采用位移控制，通過控制接觸速度和最終變形量來獲得滿意的接觸力［1］，況且芯片的高度也不一致，如果仍然試圖通過單純提高位置控制精度來達到控制力的目的，已經不能滿足高速焊線機的要求，必須對接觸力進行控制。如何構建位置/力控制策略是提高芯片封裝質量和效率的關鍵。

目前LED焊線機實現途徑為PC+多軸運動控制卡+伺服放大器的控制方式，通過研究Turbo PMAC的伺服輸出機制，結合LED焊線機焊接特點，提出了一種位置/力分段切換控制方法。其中對焊頭行程進行分段控制，焊頭從懸空中下降到芯片表面附近，接近芯片表面但未與芯片發生接觸，這段行程應用Turbo PMAC進行位置控制;焊頭從芯片表面附近下降到與芯片發生接觸，并完成焊接，此段行程應用Turbo PMAC進行力控制，由位置控制切換到力控制通過 Turbo PMAC 程序實現［2－3］。

1 Turbo PMAC伺服輸出機制

Turbo PMAC卡是美國DeltaTau公司推出的開放式運動控制器。Turbo PMAC輸出的控制信號分為兩種:一種模擬量控制，另一種是脈沖+方向控制。為了實現對力的控制，采用模擬量信號控制，即Turbo PMAC DAC模擬量指令控制電機。伺服放大器的工作模式分為3種:位置模式、速度模式、力矩模式。伺服放大器設置為力矩模式，伺服放大器的力矩模式接受控制卡模擬量信號并且能夠控制輸出力的大小，Turbo PMAC+伺服放大器控制原理圖見圖1。

圖1 Turbo PMAC+伺服放大器控制原理圖

圖1中Turbo PMAC卡實際輸出到伺服放大器DAC模擬量指令值由兩部分組成:一部分是Turbo PMAC PID控制器輸出的DAC值;另一部分是Turbo PMAC DAC偏差補償值。

1.1 計算Turbo PMAC PID輸出DAC值

PMAC提供了PID+速度/加速度前饋+Notch濾波器控制器，通過調整比例增益、積分增益、微分增益 (即PID控制)、速度、加速度前饋，摩擦增益等參數來解決系統特性問題。Turbo PMAC的PID控制算法原理如圖2所示。

圖2 Turbo PMAC卡PID位置伺服算法框圖

參考圖2的控制模型，如果忽略死區濾波、陷波濾波器等因素，Cp(n)和Ap(n)分別表示指令位置和實際位置，Cv(n)和Av(n)分別表示指令速度和實際速度，Ca(n)表示指令加速度，可得如下公式:

位置跟隨誤差:Fe(n)=Cp(n)－Ap(n)

實際速度為:Av(n)=Ap(n)－Ap(n－1)

指令速度為:Cv(n)=Cp(n)－Cp(n－1)

進行Z變換為:Cv(z)=Cp(z)－z－1Cp(z)=Cp(z)(1－z－1)

因此此處加入的環節為:kvff·(1－z－1)式中:kvff為速度前饋增益。

指令加速度為:Ca(n)=Cv(n)－Cv(n－1)=Cp(n)－2Cp(n－1)+Cp(n－2)

進行Z變換為:Ca(z)=Cp(z)－2z－1Cp(z)+z－2Cp(z)

因此此處加入的環節為:kaff·(1－2z－1+z－2)

式中:kaff為加速度前饋增益。

由圖2可推導出以下公式:

式中:ki為積分增益，kd為微分增益，kp為比例系數。

由以上公式 (1)— (4)推出PID最后輸出量為:

1.2 計算Turbo PMAC輸出DAC值總和

Turbo PMAC實際輸出值是PID控制器輸出DAC值與DAC偏差補償值之和，Turbo PMAC DAC偏差補償值可以通過Turbo PMAC變量Ixx29由用戶自己設置。Turbo PMAC輸出DAC值總和為:

伺服一般為3個環控制，所謂3環就是3個閉環負反饋PID調節系統，最內環是電流環，其次是速度環，最外環是位置環。Turbo PMAC+伺服放大器位置控制，速度環和位置環PID運算由Turbo PMAC卡完成，電流環PID運算由伺服放大器完成。Turbo PMAC+伺服放大器力矩控制，此時屏蔽Turbo PMAC的速度環和位置環，只剩下伺服放大器電流環，根據式 (6)的表達式，讓kp=0，Turbo PMAC PID輸出總為零，那么Turbo PMAC的速度環和位置環PID不再起作用，Turbo PMAC輸出的模擬量為DAC=Ixx29，控制電機力矩的大小［11－12］。

2 位置/力分段軌跡優化

自動焊線過程中，首先采用高速高加速度運行，當要接近目標時，如果速度過高，焊頭與芯片碰撞瞬間沖量過大，瞬間沖擊力就越大，故而采用低速運行，圖3所示是優化前和優化后兩種運動曲線。

圖3 位置/力分段運動軌跡

優化前軟著陸運動軌跡在位置控制模式切換到力矩控制模式時，其電機速度已降為零，優化后的運動軌跡中并沒有在位置/力切換過程中將電機的速度降為零，而是將其直接減速到安全的指定低速指令后直接接近芯片，實現軟著陸。通過對比分析兩種運動軌跡，可以看出:優化后的軟著陸運行時間比前者縮短了，有效地提高了運行效率。

3 位置/力切換方法

位置/力切換通過構建切換函數T(s)實現位置/力切換，通常按力反饋控制系統的結構大體可分為開環控制和閉環控制。使用力傳感器閉環控制在一定程度上提高了力控的準確性，但也增加了控制系統的難度。焊線機受機械結構等因素影響，壓力傳感器的安裝也增加了機械系統的復雜性，固不使用力傳感器，即采用對力矩實行開環控制，而對位置實行閉環控制。

3.1 切換函數

對于切換函數T(s)，其切換條件選擇為電機編碼器反饋的實際位置，設Xp為切換條件位置，kp為Turbo PMAC PID比例增益，Ap(n)為實際位置，則

當電機編碼器反饋的實際位置值Ap(n)小于等于設定的條件位置值Xp時，比例增益kp≠0，Turbo PMAC PID正常輸出指令值，Turbo PMAC為位置閉環模式，意味著DAC總輸出為PID輸出值與DAC偏差補償值Ixx29之和。當電機編碼器反饋的實際位置值Ap(n)大于設定的條件位置值Xp時，比例增益Kp=0，PMAC PID輸出指令值總為零，Turbo PMAC從位置閉環模式切換到力矩開環模式，意味著DAC總輸出就是DAC偏差補償值Ixx29。

3.2 切換程序

切換程序必須處理的是這種方式的輸入輸出轉換，進入力矩開環模式，令Ixx29=M102，通過程序改變M102的值來改變力矩值的大小;另外，積分增益Ixx33和積分限制Ixx63都設置為0，屏蔽積分作用，電機Ixx11致命跟隨誤差極限也設置為0使其失效。由力矩開環模式切換到位置閉環模式，實際的電機位置值必須拷貝給兩個給定位置寄存器，一個用于電機，一個用于軸，使M163=M162，M165=M162，M162表示1號電機的實際位置值，變量M163表示1號電機的目標位置值，M165表示1號坐標系X軸的目標位置值，這樣切換到閉環時就不會發生擺動而且平滑。同時比例增益kp、積分增益Ixx33和積分限制Ixx63都設置為位置閉環模式下的原有值，電機Ixx11致命跟隨誤差極限也重新存儲，使其有效［14－16］。Turbo PMAC卡位置/力矩切換程序:

在實際應用中通過上述程序控制，得到如圖4所示的速度曲線圖，曲線1表示指令速度曲線，曲線2表示實際速度曲線，能夠滿足當前高速焊線機的要求。

圖4 位置/力矩切換速度曲線圖

4 結束語

以往的引線鍵合伺服驅動控制多采用位置模式的控制方法，在引線鍵合過程中無法精確控制焊接力的大小，導致焊接質量不是很理想。采用位置/力分段切換控制，控制位置的同時又能夠很好地控制力的大小，焊接質量得到改善。在位置/力切換模式時，當前存在切換時間過長 (通常為5～10 ms)、切換過程焊頭發生抖動問題，而基于Turbo PMAC卡提出的分段切換控制方法能好地解決切換時間過長和抖動問題，從而真正地實現了位置/力分段切換控制。

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