● 摘要
本文的研究对象——高性能运动系统是现代集成电路后封装设备的核心部件，其动态性能对IC（Integrate Circuit）封装的效率和质量起着关键作用，直接影响到半导体产品的质量与成本。随着芯片引脚数量的持续增加和引脚间距的不断减小，封装设备对高性能运动控制系统的运动精度(主要是定位精度)和运行速度、加速度提出了越来越高的要求，这向运动控制及装配操作的极限性能提出了严峻的挑战。为实现高速、高精度的运动定位，机构设计、建模方法和控制方法等关键技术的研究成为电子封装后道工序的亟待解决的重要技术环节。 为满足封装设备对高性能运动系统的要求，本文以直线电机驱动的高性能运动控制系统为对象，研究了高性能XY工作台结构设计优化、宽频多模态运动耦合建模、动力学分析和控制器设计方法等问题，实现了高性能运动系统机构的结构优化、机械系统和电气系统的全局优化。最终为高性能运动运动系统的设计、优化、控制等关键技术提供了解决方案。 本论文提出了一种适用于高性能运动平台的宽频多模态刚柔耦合建模分析与参数优化方法，为高性能运动系统的建模与结构优化提供了解决方案；在此基础上，提出了包含电气、机械、控制器诸多设计参数的机电动态模型，实现了机电系统联合仿真，最终达到机电系统并行优化设计；在控制器设计方面，本论文进行了基于扰动观测器和最优预测前馈的分段PI-D直线电机运动控制研究，该控制方法有效地抑制了高性能运动系统的宽频振动，并保证了系统的响应速度以及跟踪、定位精度；最后，本论文在理论分析的基础上，设计并研制了T型多直线电机冗余驱动高性能运动系统原型机，并实现了最大速度0.73m/s，最大加速度10g，定位精度1μm的关键性能指标。 本文主要工作内容及成果具体如下： 1．高性能运动平台宽频多模态刚柔耦合建模与参数优化方法研究 综合考虑机械结合面以及部件本身的弹性变形，提出了一种针对高性能运动平台的刚柔耦合建模方法——“宽频多模态刚柔耦合建模”方法。该方法采用“弹簧＋阻尼器”简化动子与运动部件之间的固定结合面，建立多刚体运动平台的经典模型；采用“弹簧+阻尼器+滚子”简化导轨结合部，建立反映系统主运动和多个微运动及其形成的多模态运动耦合的宽频多模态运动耦合刚体模型；将较低固有频率运动部件柔性化，进而建立刚柔耦合模型。通过实验验证，以此建模方法建立的参数化理论模型与实验获得的实际系统频率特性一致，并且反映了高性能运动系统多变量、非线性和耦合性等特点。利用参数化模型，对系统中各个参数与系统动态性能的关系进行仿真和分析，从而为此类系统的的优化设计提供了理论指导和数学依据。 2．高性能运动系统多学科建模、联合仿真及优化 高性能的运动系统的研究涉及诸如机械、电子、控制等多个领域，本文针对高性能运动系统机电耦合特征，提出一种基于仿真软件接口的多学科建模和联合仿真技术，建立包含电气、机械、控制器多设计参数的机电耦合动态模型，分析并优化机电系统，实现机电系统并行设计，最终达到机电系统综合优化。本论文利用子进程方式开发了联合仿真集成环境，以方便软件的使用以及各软件之间的数据传输，使得高性能运动控制系统的建模、分析、设计、控制、仿真以及实验更加方便、快捷。 3．基于扰动观测器和最优预测前馈的分段PI-D直线电机运动控制研究 封装设备高加速度启、停引起的宽频微振动以及系统跟随工作台位置变化而快速时变的动态特性都对控制器的设计提出了挑战。总体来说，面向封装的高性能控制器的总体要求是稳态跟踪精度高、动态响应快、抗干扰能力强、鲁棒性好，本文设计研究了基于扰动观测器和最优预测前馈的分段PI-D控制算法。 高性能运动系统在高动态运动下导轨结合部引起的高频振动对系统产生扰动，具体表现为工作台除了在完成既定运动的同时，在其它方向存在着微小的振动，这些被激发的振动以微小的直线位移或角位移作用于系统。本文选择DOB(Disturbance Observe，扰动观测器)控制方法实现扰动抑制，实验结果表明DOB具有良好的干扰抑制性能和对系统参数变化的鲁棒性；鉴于PID控制算法简单、鲁棒性好及可靠性高，本文采用分段PI-D 控制——在电机起停、大幅值进给阶段，只加比例、微分运算，取消积分校正，当直线电机的实际位移接近给定目标位移时，则恢复积分校正作用，以消除系统的稳态误差；为改善跟踪精度，本文采用基于L2范数优化的零相位前馈控制（ZPETC），实验结果表明该方法大大提高了系统的跟踪精度。 4．T型多直线电机冗余驱动高性能运动系统原型机研制 根据系统的优化设计分析，本论文在原有的由ASM Pacific Technology公司开发的一种运动平台基础上，开发研制了高性能XY运动平台——多直线电机冗余驱动（X轴由双直线电机冗余驱动＋Y轴由单电机驱动）T型XY运动平台，并获得国家发明专利（专利授权号：ZL 2006 1 0083827.9）。实验结果表明，该运动系统可实现的关键技术指标达到：最大加速度10g，定位精度1μm，频带宽度250Hz。 综上所述，本论文完成的工作，为高性能运动系统运动学、动力学建模及优化设计方面提供了理论指导和数学依据，实现了电气、机械和控制器中各个设计参数的并行设计，为高性能运动系统的机构设计、建模方法和控制方法等关键技术提供了解决方案。