基于重復控制的半導體巨量轉移設備高速高精定位方法研究

張勇， 汪承研

（廣東機電職業(yè)技術學院， 廣東廣州 510550）

0 引言

半導體巨量轉移設備主要執(zhí)行點對點的重復快速點位運動， 要求運動具有高速高加速而到達點需要快速高精到位，特別是隨著mini LED 逐步進入量產階段，巨量轉移設備將對mini LED 生產效率起著舉足輕重的作用。最早的巨量轉移設備使用旋轉電機加滾珠絲杠的方式實現，由于傳動機構的存在，平臺剛性較差，往復運行頻率很低，一般只有5 線/秒。 為消除傳動機構帶來的負面影響，同時隨著直線電機技術的發(fā)展，直線電機由于其推重比高、熱損耗小、精度高和結構簡單等優(yōu)點而廣泛應用于半導體設備中[1-2]，使用直線電機直接驅動平臺做往復直線運動將極大的滿足巨量轉移設備的高速高精高效要求。 以此直線驅動系統為基礎的mini LED 等半導體巨量轉移裝備因為采用直線電機直接驅動， 加載在執(zhí)行機構的干擾直接施加在驅動電機上，對運動控制的要求更高。因此， 在直線驅動基礎上如何更有效抵除干擾并實現高速高加速高精度的定位控制， 將是mini LED 巨量倒裝轉移系統控制研究的主要難題。

本文將基于自主開發(fā)的驅控一體控制器對執(zhí)行高速高精運動定位的上下兩層級的XY 直線電機提出一種P+改進重復控制的控制方法應用于該XY 電機級聯控制的位置環(huán)，其中重復控制器主要應用于負載慣量和有規(guī)律干擾的補償[3]，P 控制器則應用于隨機干擾的快速抑制。 本控制方法將有效實現如mini LED 等巨量倒裝轉移系統控制的高速高精運動要求，定位精度和定位速度達到最佳性能。

1 系統結構

本設備控制系統的框架見圖1， 系統主要包含了上位機模塊、 驅控一體控制器模塊、BondXYZ 直線電機、WaferXYZ 直線電機；BondXY 和WaferXY 為上下兩層XY 平面的定位電機， 基于兩級XY 電機可減少定位時間； 驅控一體控制器模塊又包含了運動控制單元和驅動控制單元，運動控制單元主要執(zhí)行運動控制的插補，驅動控制單元主要執(zhí)行直線電機的驅動控制， 本文研究的高速高精定位方法即在驅動控制單元的電機驅動模塊中執(zhí)行與實現。

圖1 設備控制系統框架

2 基于P/PI/PI 的PID 控制

PID 控制經典控制理論在實際控制系統中的典型應用， 是在工業(yè)控制中應用得最為廣泛的一種控制方法。PID 控制器是一種線性控制器，它根據給定值r（t）與實際輸出值c（t）構成偏差：e（t）=r（t）-c（t）。將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構成控制量，對受控對象進行控制，其結構簡單，魯棒性和適應性較強，調節(jié)整定很少依賴于系統的具體模型。 PID 也是當前電機控制的主要方法之一。

在本控制系統電機驅動模塊級聯結構的基本控制策略中，電流環(huán)和速度環(huán)均采用PI 控制，位置環(huán)采用P 控制，基于P/PI/PI 的PID 控制應用并實現系統隨機干擾的快速抑制[4-6]，如圖2 所示。

圖2 基本級聯控制系統結構圖

（1）首先根據直線電機的電壓方程、電磁推力方程和機械運動方程推導出直線電機的平臺數學模型為：

3 基于重復控制的高速高精定位控制

為克服重復控制器對控制對象穩(wěn)定性高要求和系統向前通道中延時， 對重復控制器進行改進以更好協助系統完成高速高精的定位運動。 改進的重復控制器首先在延時環(huán)節(jié)前加入一個低通濾波器Q（s）改善保證系統穩(wěn)定性，加入前饋α（s）克服添加Q（s）帶來的跟蹤性能衰減和促使重復控制器第一周期有信號輸出， 最后在控制對象前加入前置補償器C（s）保證系統穩(wěn)定性。 基于重復控制+P 的級聯控制器的傳遞函數為：

式中：E=Q（s）·e-Ls，Qx（s）和R（s）分別為輸出ox（t）和r（t）輸入的Laplace 變換，以上即得到了控制器中各高速高精定位軸級聯控制的最終計算公式。

圖3 重復控制+P 的級聯控制系統結構圖

4 加工驗證

將上述基于P+改進重復控制的控制方法應用于mini LED 巨量倒裝轉移設備的XYZ 軸控制中，如圖4 所示，在實驗中，加工速度設置為500mm/s，加速度設置為5000mm/s2， 得到各軸定位誤差和定位時間如表1 所示，其中X 軸的跟蹤誤差從12μm 提高到1.2μm， 定位時間從100ms 提高到10ms，定位精度從60μm 提高到5μm；Y軸的跟蹤誤差從13μm 提高到1.5μm，定位時間從105ms提高到11ms，定位精度從50μm 提高到4μm，以上數據達到并滿足了設備高頻啟停情況下高速、高加速度、高精度的定位移動要求。

圖4 加工驗證的mini LED 巨量倒裝轉移設備

表1 實驗結果對比

5 結論

本文提出了一種基于傳統PID 控制模型的改進控制方法， 在控制中加入了重復控制器滿足半導體封裝器件對高速、高加速、高速精度的運動要求，經過原理分析、公式計算和實際加工驗證，得出如下結論：

X 軸的跟蹤誤差從12μm 提高到1.2μm，定位時間從100ms 提高到10ms，定位精度從60μm 提高到5μm，Y 軸的指標提升也與X 軸相當。

通過加工實驗驗證，改進后算法能充分滿足高速、高加速度、高精度的運動要求，加工效果也能完全滿足產品設計要求。