伺服電缸加壓系統(tǒng)的壓力控制方法

韋 杰，張文琪，溫 巖，田 芳

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原030024)

伺服電缸是伺服電機與機械傳動裝置集成于一體的模塊化產(chǎn)品設(shè)計，具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)速度快、抗過載能力強、占用空間小等特點，在工程機械、壓力實驗設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。隨著工業(yè)應(yīng)用需求的不斷提高，伺服電缸正在向大推力、智能化、數(shù)字化的方向發(fā)展。液壓伺服系統(tǒng)在100 kN以上的加壓場景下被廣泛使用，但是液壓伺服系統(tǒng)的組成復(fù)雜、體積大，在空間有限的凈化間內(nèi)很難安置。相比之下，電動加壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，控制精確，適用于空間有限、潔凈度和噪聲要求高的場所[1]。另外，電動伺服加壓系統(tǒng)中執(zhí)行器同步性好，電缸控制精度高，更容易實現(xiàn)同步協(xié)調(diào)。隨著伺服電缸控制技術(shù)的不斷完善，伺服電缸加壓系統(tǒng)在高精度、大壓力場景中的推廣應(yīng)用成為一種必然趨勢[2]。

針對大尺寸芯片倒裝工藝過程的加壓需求，伺服電缸提供了一種大壓力、高精度的加壓方法，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 伺服電缸結(jié)構(gòu)示意圖

1 工作原理

在伺服加壓系統(tǒng)中，電缸裝有旋轉(zhuǎn)編碼器和直線編碼器，利用雙編碼器反饋實現(xiàn)了電缸的高精度位移，其步進(jìn)精度可達(dá)到0.5 μm；然后，在推力的輸出部分設(shè)置了碟簧，在同樣的輸出力矩下，增加了電缸的行程，提高了系統(tǒng)整體的加壓分辨率。通過PLC對電缸進(jìn)行控制，利用增量式PID控制方法對電缸的輸出力進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到高精度、寬范圍的輸出效果。

加壓系統(tǒng)的壓力控制原理為：上位機進(jìn)行壓力參數(shù)編輯、壓力曲線監(jiān)測和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測；通過OPCUA協(xié)議下位機與上位機進(jìn)行實時通訊，并執(zhí)行上位機的指令和回傳相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)接收的加壓指令，按給定參數(shù)命令伺服電機運動，同時獲取壓力反饋、運動機構(gòu)位移和I/O等數(shù)據(jù)，利用壓力控制算法實時處理數(shù)據(jù)，并糾正壓力偏差，實現(xiàn)伺服加壓系統(tǒng)的壓力實時閉環(huán)控制，其控制原理如圖2所示。

圖2 壓力閉環(huán)控制原理圖

2 壓力實現(xiàn)方式

壓力實現(xiàn)方式為伺服電缸推動加壓機構(gòu)進(jìn)行產(chǎn)品壓合，其控制方式是力矩模式或位置模式。力矩模式的本質(zhì)是控制電流，在大推力情況下需要有持續(xù)的大電流，長時間保持大推力對電機和控制器的要求較高，且有安全風(fēng)險。而位置模式在位移結(jié)束后電流會明顯減小，且能持續(xù)保持加壓狀態(tài)。要保持2 h以上的大壓力，控制方式采用位置模式，將壓力轉(zhuǎn)換成位移。

該加壓系統(tǒng)使用表面平整的不銹鋼片作為試驗樣片，加壓時記錄位移與壓力的變化量，位移與壓力的關(guān)系如圖3所示。因此，位移與壓力變化的傳遞函數(shù)可近似為比例環(huán)節(jié)[3]，其計算式為：

圖3 位移-壓力曲線圖

式(1)中，GL(s)為壓力與位移的傳遞函數(shù)，KA為比例系數(shù)，s為加壓機構(gòu)位移量。

在上位機操作界面預(yù)先設(shè)置加壓工藝曲線，如圖4所示。在加壓過程中實時參照壓力傳感器的反饋進(jìn)行調(diào)節(jié)，使過程中讀取的壓力曲線與預(yù)設(shè)加壓工藝曲線一致。

圖4 預(yù)設(shè)加壓曲線示意圖

采用增量式PID控制進(jìn)行壓力控制，PLC進(jìn)行運算處理，并按照設(shè)置值與反饋值的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)[4]。

式(2)中，u(k)為PID計算的輸出值，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，Kd為微分系數(shù)，e為偏差。取得計算結(jié)果后，PLC將位移指令下達(dá)給驅(qū)動器，執(zhí)行機構(gòu)移動相應(yīng)的距離實現(xiàn)壓力的控制。采用碟簧設(shè)計提高了系統(tǒng)加壓的分辨率，在最大壓力100 kN的情況下，該加壓系統(tǒng)的最高分辨率可以達(dá)到20 N，即0.2‰。

3 仿真與試驗研究

3.1 測試平臺搭建

為驗證該伺服電缸加壓系統(tǒng)的各項參數(shù)指標(biāo)及性能，在大理石平臺上搭建了三梁四柱結(jié)構(gòu)的加壓系統(tǒng)進(jìn)行試驗，測試平臺示意圖如圖5所示。該加壓系統(tǒng)能實現(xiàn)100 kN的最大壓力，測試儀器為2個外置壓力傳感器，量程分別為5 kN和100 kN，保證寬范圍、高精度的壓力輸出效果。

圖5 三梁四柱結(jié)構(gòu)測試平臺示意圖

3.2 仿真與測試

該系統(tǒng)壓力控制時的給定值按照預(yù)設(shè)壓力曲線更新，且加壓過程長，如果采樣時間過短，離散后的給定值相差較小，產(chǎn)生過多無意義的給定值，增大計算負(fù)擔(dān)。因此，采樣時間設(shè)為200 ms，給定值間隔時間為1 000 ms，理想控制曲線為階梯狀上升（或下降），采樣時間小于給定值間隔的PID測試結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明，該算法能夠滿足實際的壓力控制要求。

圖6 PID算法測試

實測的壓力曲線如圖7所示，從圖7可以看出，實際測量值與設(shè)置值吻合，加壓過程中的壓力偏差不超過0.3%，且在加壓過程中上下臺面的平行度保持良好，最大偏差不超過1.8 μm，結(jié)果符合設(shè)計要求。

最大偏差：1.8 μm長度計最大值：8.8 μm長度平均值：7.8 μm

圖7 實測的壓力曲線

4 結(jié)束語

本文介紹了一種伺服電缸加壓系統(tǒng)的實現(xiàn)方式及控制策略，通過位移控制實現(xiàn)了壓力的精確控制，在PLC中應(yīng)用PID算法對偏差值進(jìn)行計算并驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行壓力修正。通過搭建測試平臺進(jìn)行驗證，驗證結(jié)果表明，伺服電缸加壓系統(tǒng)設(shè)計及其控制方法可以實現(xiàn)精確的加壓控制，而且壓力控制范圍大，在芯片的大壓力互連工藝應(yīng)用中具有一定的推廣意義。