平板檢測系統直線電機運動平穩性研究

劉美津，黨學明，李 洋

（合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院，合肥 230009）

平板檢測系統直線電機運動平穩性研究

劉美津，黨學明，李 洋

（合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院，合肥 230009）

當前平板顯示技術與器件處于飛速發展階段，平板顯示屏的良率更是人們所關注的重點，保證平板顯示屏檢測過程中掃描的精準性至關重要。交待了平板顯示屏自動光學檢測系統中雙直線電機運動速度平穩的重要性。給出了基于PLC的速度平穩性測試系統的實現方法。探討利用光柵搭建實時閉環控制系統，并在速度平穩性測試平臺中對兩主軸分別在SVB與SVR運動模塊控制下進行測試實驗，測試結果表明，使用SVR進行電機運動控制平穩性更佳。

平板顯示屏自動光學檢測系統；直線電動機；速度平穩性；光柵尺；SVB；SVR

0 引言

如今自動控制技術高速發展，加之與微型計算機技術的配合日益完善，定位精度成為評判自動控制系統優劣的重要指標[1]。傳統的直線運動驅動裝置已遠不能滿足現代控制系統的要求，隨著自控技術對定位精度的要求越來越高，直線電機的應用日益廣泛[2]。

平板顯示屏自動光學檢測系統正是通過兩臺直線電機拖動的方式實現對液晶屏板的掃描檢測及缺陷分析。該檢測系統通過對平板玻璃或者液晶陣列的上下料、抓取、拖動、定位、掃描成像等一系列運動控制得到平板的高分辨率圖像，通過圖像處理系統進行良次品分類。其中電機拖動平板通過掃描區這一運動過程與檢測結果密切相關，電機運動速度的穩定性會對成像結果造成巨大的影響，電機運動速度不均勻會導致缺陷的漏檢或成像失敗，所以平板檢測過程中兩臺主軸直線電機運動速度的平穩性和可靠性是重要內容[3]。為了得到準確清晰的掃描圖像，必須保證直線電機在到達掃描區之前已經達到勻速運行狀態，且勻速過程中的速度波動性最小。為了達到這一目標，本文用系統運動控制器中內置的兩種不同運動控制模塊（SVB和SVR）控制兩直線電機運行，通過對兩種不同的運動控制模式分別編程，比較在掃描過程中測得的速度數據并予以處理、分析，最終得出電機控制的最佳方法。

1 速度平穩性測試系統的實現

1.1 測試平臺的構建

圖1為研究所用的速度平穩性測試系統機械結構示意圖，圖中直線軸A1、B1配有直線無芯型伺服電機，其初級（動子）安裝在拖動液晶屏的滑塊上，次級（定子）固定在縱向導軌底座上，使得該測試系統實現縱向進給[4]。光柵尺位移傳感器的讀數頭也被安裝在導軌滑塊上，其標尺光柵則安裝在導軌旁的機械臺內壁，與伺服電機、比較線路、伺服放大線路等形成閉環伺服系統。此外，左右滑塊均裝有電磁閥和吸盤，主要對被測平板起夾持和固定作用。

圖1 速度平穩性測試系統機械結構示意圖

速度平穩性測試系統的運動控制功能框圖如圖2所示，系統的進給功能由運動控制器MP2300S實現，通過MECHATROLINK-Ⅱ總線實現兩軸連動實時同步控制，同時控制兩臺直線電機的往復進給運動。同時，MP2300S經由路由器與上位機PC連接，實現信息交互與實時通訊。位置檢測系統采用光柵尺，對電機的速度及位置進行實時反饋。氣動系統由若干對平板起固定支撐作用的電磁閥及吸盤組成，通過對IO2310中的I/O口置復位控制[5]。

圖2 速度平穩性測試系統的運動控制功能框圖

1.2 測試系統的運動控制模塊

SVB是一種利用MECHATROLINK對應接口來控制伺服單元、步進電機驅動器、變頻器或分散I/O設備等產品的運動模塊。由于支持MECHATROLINK-Ⅱ，因此可進行位置、速度、轉矩和相位控制，并實現高精度的同步控制，是MP2300S內置的標準運動模塊。它的每個模塊最多可連接21個從站（伺服最多可控制16軸），可利用自動配置功能，對連接于MECHATROLINK的從站設備進行自動分配，并通過網絡對伺服單元的參數進行管理。使用MECHATROLINK-Ⅱ時，可將MP2300S內置SVB作為從站進行使用。

SVR又稱虛擬運動模塊，是一種提供無需與電機實際連接的虛擬軸接口的軟件模塊，為MP2300S的標準配置。它具有與內置SVB相同結構的固定參數、設定參數和監視參數，可控制多達16軸的虛擬軸。SVR大致可用于以下兩種用途：

1）程序的測試：無需實際安裝電機，即可簡便地獲得結果。

2）指令的生成：當需要只用于生成指令的運動模塊時（如：相位控制的主軸或多軸同步控制等），只需使用SVR，即可節約實軸的運動模塊[6]。

圖3為SVB、SVR作為運動控制模塊的系統構成圖。

1.3 雙直線電機往復功能的實現

圖3 運動控制模塊的系統構成圖

系統測試前需先對整個系統進行自動配置，使得所有硬件設備都反映在軟件中，并在軟件中對通訊模塊、運動模塊、I/O模塊的參數進行必要設置。修改PC的IP地址，使得其與MP2300S處于同一局域網，通過軟件連接運動控制器，在軟件定義模塊中對SVB、SVR等進行參數設置。其中各實軸的線路編號均為1，A1軸編號為2，運動寄存器編號為8080-80FF；B1軸編號為3，運動寄存器編號為8100-817F；SVR線路編號為2，軸編號為1，運動寄存器編號為8800-887F。

步驟一：運動固定參數設置

固定參數主要包括運動功能設定、伺服驅動器設定、編碼器設定的等相關參數，SVB與SVR設置相同。

步驟二：運動設定參數設置

設定參數主要包括運動運行設定、轉矩指令、速度指令、位置指令、加減速濾波器、原點復歸的等相關參數[6]。

2 測試原理及測試方法

2.1 速度采集原理

測試所使用的光柵為透射光柵，RGH22B為光柵尺的讀數頭，由光源、透鏡、指示光柵、光電元件以及驅動電路組成。

當紅外發光二級管發出的光以一定角度照射到RGS20柵尺的刻劃面上，直接反射到透明的指示光柵上并透射過去，就在讀數頭的光電探測器平面上產生了正弦干涉條紋。

RGH中的光電器件能實現莫爾條紋的電子細分與判向功能。將光敏器件獲得的光電信號送到差分放大器輸入端，將從差分放大器輸出的信號進行整形成1:1的方波。對方波的相位進行比較，對方波脈沖進行計數，即可獲得光柵尺的移動方向，也可在軟件中計算出光柵尺的速度和位移。

2.2 測試具體的過程

平板掃描過程中兩直線電機由靜止狀態加速到勻速狀態，勻速經過掃描區后再減速停止。系統利用光柵搭建實時閉環控制系統，通過輸出脈沖數，脈沖寬度和周期便能在軟件中計算出電機當前運行速度，并進行實時監控及反饋。使用SVB運動控制模塊控制電機的測試具體過程如下：

1）檢查設備、電路完好，開啟電源。

2）系統進行自動配置。

3）對SVB進行模塊構成定義，并保存到flash。

4）導入編寫好的SVB測試程序控制直線電機運行，采集測試數據。

5）輸出數據，保存測試結果。

6）將650mm×550mm的液晶屏板放到兩直線電機上夾持固定。

7）再次運行測試程序，采集測試數據。

8）輸出數據，保存結果。

使用SVR運動控制模塊控制電機需對SVR進行模塊構成定義，導入SVR程序，其余測試步驟與SVB測試步驟基本相同。

3 測試及數據處理

3.1 初始化

1）檢測電壓、氣壓是否達到標準。

2）清空與運動軸相關的運動參數、監視參數。

3）清空所用寄存器。

3.2 回原點

原點為電機定位的參照起點，機械坐標為0。執行原點復歸（ZRET）后，軸返回機械坐標系的原點。原點復歸方式有17種之多，本文選用一種較簡單的方式：C 相脈沖回原點。

SVR中的原點復歸，在執行機械坐標系的初始化后，即被設置為原點復歸完成狀態并不執行原點復歸動作。所以通過SVR測試電機運行平穩行的試驗中，回原點方式與SVB相同。

3.3 測試及數據分析

運動程序MPM001由MESS指令調用，通過相對應的任務管理寄存器控制其開始、暫停、停止、警報復位等。兩軸定位命令的編程采用絕對值（ABS）模式，設定移動目標的坐標即可完成定位。本實驗中兩軸運動行程為1.735m，由平臺的分辨率10um，相機的行頻36.5898kHz，可得掃描的時恒速度為V=36589.8×10um=0.365898m/s，加速時間為0.547s。

實驗一：無負載情況下SVB控制與SVR控制對電機速度平穩性的影響

對主軸A1、B1編程，使其在運動行程為1.735m范圍內，以0.365898m/s的速度進行4次往復進給。每次進給以10ms為采樣間隔采取電機勻速運動過程中的時恒速度樣本共400個。對4組樣本進行標準差誤差處理,保存數據。對SVR編程，使其在運動行程為1.735m范圍內，以0.365898m/s的速度進行往復進給共4次。每次進給以10ms為采樣間隔采取電機勻速運動過程中的時恒速度樣本共400個。與SVB原理不同，SVR將記錄的虛擬位移實時映射到A1、B1的機械坐標系反饋位置參數上，實現主軸運行。對4組樣本進行標準差誤差處理并保存數據。以A1軸為例，所得數據如表1所示。

實驗二：帶負載情況下SVB控制與SVR控制對電機速度平穩性的影響

實驗一完成后，將準備好的250×650的液晶屏板放在電機上夾持固定，導入SVB控制程序使電機在運動行程為1.735m范圍內，以0.365898m/s的速度進行往復進給共4次。每次進給以10ms為采樣間隔采取電機勻速運動過程中的時恒速度樣本共400個。對4組樣本進行標準差誤差處理并保存數據。導入SVR控制程序使電機在運動行程為1.735m范圍內，以0.365898m/s的速度進行往復進給共4次。每次進給以10ms為采樣間隔采取電機勻速運動過程中的時恒速度樣本共400個。對4組樣本進行比標準差誤差處理，并保存數據。以A1軸為例，所得數據如表2所示。

表1 無負載情況下SVB、SVR兩種不同控制方法所得速度標準差對比

表2 帶負載情況下SVB、SVR兩種不同控制方法所得速度標準差對比

由表1、表2可知，有無負載對SVB及SVR控制的電機運動平穩性影響較小，且對SVR控制的電機運動平穩性幾乎無影響。經過反復測量結果顯示直線軸的速度波動相差不大，平穩性相當。表1、表2中第一欄數據為4次往復運動中電機正方向運行速度所得標準差，第二欄數據為4次往復運動中電機反方向運行速度所得標準差，數值越大，波動性越大。兩表分別進行橫向對比，均可得出電機正方向運行時平穩性高于反方向運行時電機平穩性。

圖4 SVB控制下電機正向運行時的運行軌跡

圖5 SVB控制下電機反向運行時的運行軌跡

圖6 SVR控制下電機正向運行時的運行軌跡

圖4、圖5均為SVB控制下A1軸電機運行軌跡。圖4為電機正向運行時的運行軌跡，圖中電機勻速運行前1/3階段速度稍有波動，圖5為電機反向運行的運動軌跡，電機在勻速運行后1/3階段速度有明顯波動。可見電機往返運行在同一位置出現速度波動，極有可能為運行導軌不平所致。而反向運行過程中速度波動較大的原因為電機減速接近停止狀態時的電機自控制。圖6為SVR控制下A1軸電機運行軌跡。軟件內部映射關系十分復雜，導致電機速度接近勻速時產生自控制反映，趨近于勻速速度時間較慢，如圖6所示。

4 結論

1）有無負載對SVB及SVR控制的電機運動平穩性影響較小，且對SVR控制的電機運動平穩性影響相對更小。

2）系統誤差對測量結果造成很大影響，且對SVB控制的電機運動平穩性影響較大，對SVR控制的電機運動平穩性影響較小。

3）相等條件下SVR控制的電機運動平穩性更好。

綜上所述，相比于SVB，使用SVR進行電機的運動控制更佳。但SVR的控制原理為內部映射，具體映射方式不得而知，所以這種方法有一定風險。

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[2] 宋書中,胡業發,周祖德.直線電機的發展及應用概況[J].控制工程,2006,13(3):199-201.

[3] 劉強,張從鵬.直線電機驅動的H型氣浮導軌運動平臺[J].光學精密工程,2007,15(10):1540-1545.

[4] 張連第.多軸直線電機運動與定位工業以太網控制技術[D].合肥:合肥工業大學,2012.

[5] 王興松.精密機械運動控制系統[M].科學出版社,2009.

[6] 株式會社安川電機.機器控制器MP2300運動模塊用戶手冊（新）[R].日本:2014.

Research on the operation smoothness of linear motor in AOI

LIU Mei-jin, DANG Xue-ming, LI Yang

TP273+.1;TP276

：A

1009-0134(2017)03-0077-04

2017-01-07

平板顯示屏自動光學檢測儀器的開發和應用（2013YQ220749）

劉美津（1991 -），女，天津人，碩士研究生，研究方向為在線檢測與儀器智能化。