轉盤式測試分選機主電機高精速定位控制研究

緱新科， 劉澤軍

(蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，蘭州 730000)

轉盤式測試分選機主電機高精速定位控制研究

緱新科， 劉澤軍

(蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，蘭州 730000)

對轉塔式測試分選機上的直驅電機進行高精速定位控制技術研究；對測試機上的直驅電機控制的主要目的是要求在50 ms內直驅電機每轉22.5°都能夠快速精確定位，且超調量很小；直驅電機采用矢量控制策略，以雅科貝思的ATR152-138直驅電機為研究對象，對直驅電機及其負載建立數學模型，并討論了伺服控制位置閉環、速度閉環以及電流閉環中3個控制器的工程設計方法；在MATLAB/SIMULINK環境下建立基于控制策略的位置、轉速和電流三閉環直驅電機仿真模型，并分別對位置環采用模糊P控制和位置環P控制進行仿真實驗分析，發現采用模糊P控制的位置環比采用P控制的位置環精度更高，超調量更小，基本為0；仿真結果證明該直驅電機調節器設計合理，位置和速度響應非常快，滿足轉塔式測試分選機的要求。

轉盤式測試分選機；主轉盤電機；矢量控制；高精速

0 引言

隨著集成電路的飛速發展，使得芯片的尺寸，引腳都越來越小，從而導致對測試此類芯片的測試機性能要求更高。目前國內的測試機如電性能測試機，打標機，編帶機等由于速度慢，功能單一問題不能滿足現在的小尺寸芯片測試。目前對于小尺寸芯片的測試，大多采用轉盤式測試分選機，轉盤式測試機所有工位都可以并行工作，相當于CCD檢測，打標，編帶，電性能測試，轉向等功能同時工作，這樣使得測試速度大大提高，所以轉盤式測試機是將來測試分選設備發展的趨勢[1]。

為了滿足國內對高端測試分選設備的需求，同時打破國外對轉盤式測試機的壟斷，開始了對轉盤式測試機技術的研究，轉盤式測試分選機對速度和精度的要求很高，而其主電機的控制決定了運行的速度和精度，因此需要對主轉盤電機進行高精速定位控制研究。

1 主轉盤電機性能指標要求

根據設計的轉盤式測試分選機的設備參數：要求每小時測試分選產量UPH為36K/hour，工位數為16，參見圖1[2]。電路在每兩個工位之間的移動角度為22.5°。根據UPH設計要求，可知完成一顆電路測試分選的最大時間為0.1 s，所以主轉盤電機每移動一格的時間在0.05 s之內。待測電路的引腳間距最小在0.5 mm，同時電路的測試觸點很小，這要求主電機每轉22.5°時停下來的定位精度足夠高。電路定位精度不夠會使電路不能夠準確放入工位,造成電路損壞。在傳統的驅動系統中，電機和負載之間連接著減速器或齒輪箱等傳動機構進行伺服控制，此種方式增加了系統的損耗，影響控制精度，而且增加了安裝維護成本，而直驅電機具有無機械傳動連接、機械結構簡單、控制精度高、運行效率高、可靠性好、使用壽命長等優勢。根據這樣的工況要求，因此選擇直驅電機作為設備的主電機。

圖1 轉盤圖

2 主轉盤電機數學模型

直驅電機與轉盤負載連接機構如圖2所示。

圖2 電機連接圖

為方便建立其模型，對電機進行數學分析，通常對被研究的電機作下列近似[3-4]：

1)不考慮磁路飽，磁路理解為線性飽和影響；

2)電機定子三相繞組在空間平均分布；

3)不考慮阻尼效應；

4)電機電勢以及定子磁勢呈現正弦化。

采用d-q坐標系，忽略摩擦，電機運行是理想狀態的，電機的數學模型[4]由下列方程式來表達：

對于轉盤負載而言動力學[5]方程式如下：

式中，UdUq為d-q軸電壓，idid為d-q軸電流，LdLq為d-q軸電感，R為定子繞組電阻，Pn為電機極對數，Wr為機械角速度，ψf為轉子磁鋼在定子上的耦合磁鏈，J為系統轉動慣量，Tl為負載力矩，M為轉盤質量，r為轉盤半徑，Jl為轉盤轉動慣量。

3 主轉盤電機伺服系統設計

3.1 電機伺服矢量控制系統的設計

由矢量控制原理，設計了含有位置環、速度環、電流環的三環控制的電機矢量控制系統，在電機伺服矢量控制系統中，電流環和速度環為內環，位置環為外環，三者構成閉環系統,這樣的結構可以使伺服系統獲得較好的動態跟隨性能和抗干擾性能，并且能夠快速精確定位。

但是難點在于直驅電機在快速定位時可能會產生超調現象，這樣會使直驅電機在定位時產生抖動，會損壞器件，所以為了解決電機轉動過程中產生超調這難點，位置環采用模糊P控制，速度環采用PI控制，電流環采用PI控制。基于的矢量控制原理如圖3所示[6]。

圖3 矢量控制原理圖

3.2 電機伺服系統三環控制模型

電機伺服控制系統由位置環、速度環、電流環三閉環構成。

3.2.1 電流環模型

電流環是交流位置伺服系統中一個重要的環節，它是提高伺服系統控制精度和響應速度，改善控制性能的關鍵。

圖4 電流閉環結構

3.2.2 速度環模型

圖5 速度閉環控制圖

3.2.3 位置環模型

圖6 位置結構圖

但是比例調節器可能導致定位精度不夠高，超調大，位置環采用模糊P控制。模糊控制作為智能控制的一種類型，用模糊控制更具有優越性[9]。

將輸入偏差E，偏差變化率EC和控制量模糊化且模糊集均為7個，分別為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，記作{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，論域都為[-3 3]，隸屬函數都為Z型，三角形，S型結合的模式。 當以不同的E和EC作為輸入時，根據P模糊控制的特點，Kp會呈現規律性的變化，根據此變化特點，以及工程設計人員的技術知識和實際操作經驗，建立合適的關于E，EC，Kp的模糊規則。利用中心法對輸入的模糊集合進行去模糊化處理，控制參數Kpp=Kp0+Kp，Kp0為初始值。

4 系統仿真與分析

選擇雅科貝思ATR152-138型直驅電機作為設備的主電機，該電機參數如下：電機連續功率91.9 W，最大功率827.5 W，最大速度835 rpm，極對數Pn為8，電阻R為1.92ohms，d-q軸電感16.5 mH，轉子慣量0.001587 kgm2，額定轉矩17.8 Nm，額定電流6.9 A，轉子磁鏈0.215 Wb；在MATLAB/SIMULINK中采用id=0矢量控制仿真如圖7所示。

圖7 矢量控制仿真圖

由圖7可知，系統調節器由模糊P控制的位置環，PI控制的速度環，PI控制的電流環組成。在MATLAB/SIMULINK中進行仿真，以電機轉一個工位為研究目標，即轉盤分16個工位，每轉一個工位22.5°。電機轉22.5°時采用模糊P控制的位置圖如圖8(a)所示，速度圖如圖8(b)所示。位置調節器采用P控制的位置圖如圖8(c)所示，速度圖如8(d)所示。

圖8

對模糊P控制的位置圖和P控制的位置圖進行放大，放大后的位置圖如圖8(e)和8(f)所示，由圖8(e可知，電機到達22.5°位置，基本沒超調，在0.02s基本穩定，而圖8(fP控制的位置圖超調還是很大的，不滿足測試分選機要求。通過對比發現，模糊P控制方法符合轉盤高精速的運動條件，定位精度很高。

對速度圖進行放大，對應的圖如8(g)，8(h)所示，從圖8(g)可看出速度在0.02 s時振蕩很小，基本為0。而由圖8(h)看出在0.018 s后，電機速度曲線明顯不如圖8(g),速度沒有穩定在0，所以模糊P控制的位置環相比P控制的位置環而言，能夠滿足轉盤式測試機高精速的運動要求。

5 結語

闡述了在轉盤式測試分選機主轉盤電機的數學模型基礎上,采用矢量控制以及的控制策略,可以簡化控制過程及提高電機的控制性能。在數學模型的基礎上，分別建立電機伺服系統的電流環、速度環和位置環，基于電機矢量控制的思想,在MATLAB/SIMULINK環境下，采用模塊化的設計方法，構建了控制仿真模型，對矢量控制方法進行了仿真研究，結果表明采用模糊P控制方法的位置環比傳統的P控制的位置環精度更高，穩定性更好，滿足了轉盤式測試分選機上主轉盤高精速定位控制的要求。

[1] 王曉東.半導體測試分選編帶機的簡單系統工程分析與評價[J].電子工業專用設備，2009，173(6)：24-28.

[2] 蘆 俊， 曹盤江，皮志松.轉盤式分選機中高速旋轉吸盤的動力學分析與計算[J].機械設計，2011(12):28-12.

[3] Zhang B Y，Huang Z C，Feng G H.Design and characteristic analysis on direct drive permanent magnet synchronous[A].Proceeding of 2011 International Conference on Electrical Machines and Systems(ICEMS)[C].2011(8)：1-4.

[4] 孫 宇，王志文，孔凡莉,等.交流伺服系統設計指南[M].北京：機械工業出版社，2013.

[5] 梁景凱，蓋玉先.機電一體化技術與系統[M].北京：機械工業出版社，2006.

[6] 陳志杰.高性能永磁同步電機矢量控制系統研究[M].南京：南京東南大學出版社，1993.

[7] Morimoto S， Takeda Y， Hirasa T. Current phase control methods for permanent magnet synchronous motors[J]. IEEE Trans. on PE, 1990,5(2)：133-139.

[8] 蘇彥民，李 宏.交流調速系統的控制策略[M].北京：機械工業出版社，1998.

[9] 許振偉，蔣靜坪，駱再飛.基于神經網絡的永磁同步電動機模糊自適應控制[J].電力系統及其自動化學報， 2003(33)：49-52.

Research on the Main Motor for High-speed Precision Positioning Control in Test Handler Using turntable

Gou Xinke，Liu Zejun

(Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730000, China)

Research on the direct drive motor for high-speed precision positioning control in turret testing handler . The main purpose of the direct drive motor control on the test machine is that direct drive motor rotation 22.5 degrees can be fast and accurate positioning and overshoot is very small in 50 ms. Direct drive motor uses vector control strategy, it takes ATR152-138 of AKribis as research target for the study. Establishing the mathematical model of direct drive motor and its load and discussing three methods of the controller such as Position closed-loop, Speed closed-loop, Current closed-loop in the engineering design. Under the environment of MATLAB/SIMULINK to establish direct-drive motor simulation model which bases on the location of control strategy, the controllers are position, speed and current closed-loop, the position closed-loop uses fuzzy P control and P control, The motor simulation analysis shows that direct drive motor which uses fuzzy P control has higher precision than P control. the overshoot is very small. The motor simulation analysis shows that direct drive motor controllers are designed very well. Position and speed of response is very fast, it meet the requirements of test handler.

test handler using turntable; main turntable motor ; control strategy; high-speed precision positioning control

2016-09-10；

2016-09-28。

江蘇省科技支撐計劃基金資助項目(2014)。

緱新科(1967-)，男，甘肅天水人，教授，主要從事智能結構及動力系統控制，檢測與自動化裝備。

1671-4598(2017)02-0088-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.024

TP23

A