（机械工程专业论文）200mm全自动探针测试台工作台控制系统的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 探针测试台是半导体工艺线上的中间测试设备，与测试仪连接后，能自动完成对集 成电路及各种晶体管芯的电参数测试及功能测试。本课题主要研究的是2 0 0 n m 【l 全自动探 针测试台工作台的伺服控制系统，是随着半导体器件及集成电路工艺制造技术的飞速发 展，根据国内半导体技术的发展和市场需求，中国电子科技集团公司第四十五研究所自 行研制开发的2 0 0 r a m 全自动探针测试台课题的子课题。 本论文主要阐述了2 0 0 m m 全自动探针测试台工作原理和测试过程，研究了该工作台 控制系统的组成和结构。分析了控制系统中各个部件的性能和作用，并根据其特点和工 作台的测试要求对其关键部件( 交流伺服电机和驱动器、运动控制卡、光栅尺等) 进行 了选取。根据控制原理确定该控制系统中各个环节的数学模型，并利用m a t l a b 仿真软 件中的s i m u l i n k 软件包进行系统仿真，得出系统在阶跃响应输入条件下的仿真曲线。 本控制系统采用基于p m a c 多轴运动控制卡的闭环控制系统，利用p m a c 运动控制卡 自带的参数调节工具软件p e w i n 进行系统p i d 调节和误差分析，得出实际的位移误差曲 线，并与仿真曲线进行比较。最后利用已调节完成的p i d 参数，使探针测试台自动运行， 采用双频激光测长仪对该工作台进行实际测量。测试结果表明，工作台的x 、y 方向运 动的位移误差均小于4i lm ，本控制系统完全满足2 0 0 r a m 探针测试工作台的自动测试要 求，达到预期的效果。 关键词：全自动探针测试台工作台p m a c 控制卡控制系统 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep r o b e rs t a t i o ni st h et e s t i n ge q u i p m e n to f t h ei cm i d d l e - p r o c e s s 。c o n n e c t e dw i t ht h e t e s t e r , i tc a na u t o m a t i c a l l ya c c o m p l i s ht h et e s t i n go ft h ei ca n dt r a n s i s t o r se l e c t r i c a l p a r a m e t e r sa n do t h e rf u n c t i o n s t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h es c f v oc o n t r o ls y s t e mo ft h e 2 0 0 r a ma u t o m a t i cp r o b e rs t a t i o n st a b l e t h i sp a p e ri sap a r to fo ft h e2 0 0 r a ma u t o m a t i c p r o b e rs t a t i o nd e v e l o p e db y4 5 “r e s e a r c hi n s t i t u t e ，i no r d e r t om e e tt h ed e v e l o p m e n to ft h e s e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g ya n dt h ed o m e s t i cm a r k e t t h i sp a p e ra n a l y s e st h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dt e s t i n gp r o c e s so ft h e2 0 0 m ma u t o m a t i c p r o b e rs t a t i o n , a n ds t u d i e st h ec o n f i g u r a t i o no fi t sw o r k t a b l e t h ek e yp a r t so f t h ew o r k t a b l e ， i n c l u d i n ga cs e r v om o t o ra n dd r i v e r , m u l t i a x i sm o t i o nc o n t r o l l e r , r a s t e ra n do t h e r s a r c c h o s e n t h i sp a p e ra l s os t u d i e st h i sc o n t r o ls y s t e m sm o d e l ，a n di ti ss i m u l a t e db ym a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e ，a n dar e s p o n s ec u r v ei sg a i n e dw h e nau n i tf u n c t i o ni si n p u t t e d t h ec o n t r o ls y s t e mi sc l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e mu s i n gt h ep m a cm o t i o nc o n t r o l l e r , a n d a d j u s t st h es y s t e m sp i dp a r a m e t e r sa n da n a l y s e st h ee r r o rb yp e w i ns o f t w a r et h a tb e l o n g sa p a r to ft h ep m a cm o t i o nc o n t r o l l e r t h ea c t u a lp o s i t i o ne r r o rc u r v ei so b t a i n e d ，a n d c o m p a r e sw i t ht h e c u d i es i m u l a t e db ys i m u l i n k a tl a s t , t h es t a t i o nt a b l e sa u t o m a t i c a l l y m nf o l l o w i n gt h ea d j u s t e dp i dp a r a m e t e r s ，t h ea c t u a lp o s i t i o ni sm e a s u r e db yt h el a s e rl e n g t h m e a s u r i n gi n s t r u m e n t t h er e s u l t i n gp r o v e d ，t h i sc o n t r o ls y s t e mm e e t sd e m a n d o f t h e2 0 0 m m a u t o m a t i cp r o b e rs t a t i o na n dt h ea c t u a le l l o ro f b o t ht h ex a x i sa n dya x i si sw i t h i n4 p m 。 k e y w o r d s ：a u t o m a t i cp r o b e rs t a t i o n w o r k t a b l ep m a cc o n t r o l l e rc o n t r o ls y s t e m i i 独创性声明 y1 0 1 7 4 2 9 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中己标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：l 彩 日期： 知，z 年拍月石b 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全都或部分内容编入有关数据 犀进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本攀位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密醴 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者莓名：嫩 日期：匆9 年p 胃石墨 指导教讲币签名： 哆多 彦) 收 g 期：年f 4 胃；，已 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1绪论 本课题是随着半导体器件及集成电路工艺制造技术的飞速发展，根据国内半导体技 术的发展和市场需求，中国电子科技集团公司第四十五研究所自行研制开发的2 0 0 r a m 全 自动探针测试台课题的子课题。探针测试台是半导体工艺线上的中间测试设备，与测试 仪连接后，能自动完成对集成电路及各种晶体管芯的电参数测试及功能测试“1 。2 0 0 n 咖 全自动探针测试台是集精密机械、计算机控制、伺服控制、光学等多种技术融为一体的 全自动探针测试台。 目前，国内的探针测试台以手动和半自动为主，其控制系统结构简单，容易实现， 成本低，但存在定位精度低，稳定性差等问题”儿町嘲。随着半导体器件和集成电路工艺 制造技术的飞速发展，探针测试台的应用除i c 制造领域外已扩展到分立器件、光电子、 霍尔元件等领域删。并且随着国内半导体技术的飞速发展，原先的以步进电机的开环 控制为主的半自动探针测试台已远远不能满足集成电路产业快速发展的要求。 相对于半自动探针测试台来说，全自动探针测试台增加了自动上下片、c c d 自动对 准和高低温测试等功能，并且增加了内置和外置打印机接口，能够对测试数据进行打印 输出。1 。2 0 0 r a m 全自动探针测试台的先进技术主要表现在x 、y 工作台的全闭环自动控制、 c c d 自动图像对准、自动上下片等方面。本课题主要研究和讨论的是2 0 0 r a m 全自动探针 测试台的工作台全闭环控制系统。该控制系统具有调速范围宽、位移精度高、稳定性好、 动态响应快等特点。该控制系统在探针测试台自动测试过程中对运行情况进行实时检 测，因此中间环节及外界扰动影响小，能更好的满足2 0 0 r a m 全自动探针台的使用要求。 1 2 国内外现状 1 2 1 探针测试台发展的现状 早期研制的探针测试台主要是针对i c 电路和分立器件的分析与测试。随着半导体 华中科技大学硕士学位论文 的线宽越来越窄、硅片尺寸越来越大、集成的功能越来越多、产品速度越来越快、封裟 尺寸越来越小、产品测试变得越来越重要，产品测试已经从传统意义上的中间测试和成 品测试扩展到分立器件，光电子、霍尔元件等领域。也随着对高性能、多功能、高速度、 低功耗、小型化、低价格的电子产品的需求日益增长，这就要求在单个芯片中集成更多 的功能，并进一步缩小尺寸，所以大片径和高速度测试将是今后探针测试台发展的主要 趋势。综合国内外半导体专用设备的技术发展，可以清楚地看到，大行程工作台运行的 高速度、高精度控制技术、无接触测试、多芯片测试、多探针测试技术、晶片传输与对 准技术、免维护测试技术及特殊器件测试如高低温测试、高频测试等将成为探针测试台 发展的主要方向f 3 l 【1 】【i2 j 【i j l 。 目前，国内的探针测试台以手动和半自动为主，控制方式为步进电机的开环控制， 最大工作行程为1 6 0 唧，定位精度一般为1 3 p 邢。开环控带0 系统结构简单，容易实现， 但控制精度较低，稳定性较差，频率响应时间长，容易出现丢步和失步现象“儿。随 着半导体器件和集成电路工艺制造技术的飞速发展，探针测试台的应用除i c 制造领域 外已扩展到分立器件、光电子、霍尔元件等领域“7 。并且随着集成电路变得越来越小， 内部结构越来越复杂，加工要求越来越高，原先的以步进电机的开环控制为主的半自动 探针测试台已远远不能满足集成电路快速发展的要求；另外，综合国内外探针台制造技 术，可以清楚地看到，步进系统的开环控制越来越不能满足大行程工作台运行的高速度、 高精度要求。这就对全自动探针测试台的研制与生产提出了更高的要求。“恤3 。而闭环控 制系统由于对执行情况进行实时检测，并将信息及时反馈到控制端参与控制，因此中间 环节及外界扰动影响小，精度相对要高得多。另外，闭环伺服系统具有调速范围宽、位 移精度高、稳定性好、动态响应快等特点，能很好的满足2 0 0 r a m 全自动探针台的使用 要求。2 0 0 r a m 全自动探针台的闭环控制系统能大大提高探针台的定位精度和稳定性，并 且能够在自动测试过程中进行时时检测工作台的位置。对于全自动探针测试台，高精度 的x 、y 工作台的控制是保证准确测试的基础。这种全闭环控制方式不但可以保证x ，y 的综合精度，还可以克服长时间使用后，丝杠磨损对精度的影响，也可以有效的提高x 、 y 工作台运动的稳定性。 另外，随着半导体器件及集成电路工艺制造技术的飞速发展，集成电路变得越来 2 华中科技大学硕士学位论文 越小，其内部结构也越来越复杂，加工要求也越来越高，目前广泛应用于半自动探针测 试台中的步进系统的开环控制越来越不能满足大行程工作台运行的高速度、高精度要 求。这就对全自动探针测试台的闭环控制系统的研制与生产提出了更高的要求。 1 2 2 控铷技术发展的现状 数字控制( n c ) 技术就是利用数字化信息对机电一体化设备的运动过程进行控制的 一种技术，数控系统是利用数控技术实现实时多任务控制的系统，主要由数控装置、伺 服系统等部分组成，这些组成部件直接影响到系统的计算速度、伺服更新速度、实时性、 系统通讯以及资源管理等功能。 数控装置是数控系统乃至整个设备的核心，它接收输入装置送来的数控指令信号， 经由数控装置的系统软件或逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指 令控制运动部件按规定要求动作。数控装置输出的控制信号包括：经插补运算得到的各 坐标轴的速度、方向和位移量指令信号；运动部件的变速、换向和启停信号和各种辅助 指令信号【卅【2 5 1 。 伺服系统又称拖动系统或随动系统，是控制系统的重要组成部分，伺服系统把来 自数控装置的各种指令脉冲信号，经过一定的信号变换以及电压和功率放大后通过交、 直流伺服电机或步进电机等驱动元件来执行，将其转换成受控部件的运动，使工作台精 确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动【2 6 j 。 数控系统按照常用控制方式可分为开环控制、闭环控制、半闭环控制和混合闭环控 制系统。开环控制系统没有反馈环节，不能对控制对象的输入指令和执行结果进行比较， 驱动执行元件一般为步进电机，步进电机的步距精度很大程度上影响着整个数控系统的 控制精度；闭环和半闭环控制系统有检测反馈环节，能把控制输出量和目标值相比较， 以其偏差值对控制对象进行调节，直至偏差为零，其驱动执行元件一般采用交、直流伺 服电机，其中闭环控制系统的检测反馈装置通常安装在工作台上，半闭环控制系统则将 检测反馈环节安装在丝杠上或电机输出端，显然，由于丝杠和工作台之间的机械传动部 分存在着传动误差，控制精度要比闭环控制方式要低，但由于整个系统结构简单，易于 调整，已成为当前主流的控制形式，由于机械执行机构的传动误差可通过各种补偿功能 华中科技大学硕士学位论文 进行补偿，故仍可得到较高的控制精度【2 7 枷】。 由此可见在机电一体化控制中，控制系统占据越来越重要的位置。根据驱动元件的 不同，控制系统主要可分为三种： 1 以步进电机作为驱动元件的开环控制系统； 2 ，以直流电机作为驱动元件，位置检测单元安装在丝杠前的半闭环控制系 统； 3 以交流电机作为驱动元件，位置检测单元安放在工作台上的全闭环控制系统。 表1 - 1 ：三种控制系统的比较 种类优点缺点 控制简单、方便、价格低廉、 空程时快速传递速度较慢： 配套元件供应成熟。是我国 开环控制系统控制精度较低； 目前经济型数控系统发展的 传递力矩较小。 主流方向。 控制较复杂； 传递力矩大、速度快、控制 价格较贵； 半闭环控制系统精度较高。进口中低档机床 不能对丝杠工作台的误差进行 闭环控制，因而精度上受到一定 多为采用。 影响： 稳定性相对于饲环控制较差。 传递力矩大、速度快、稳定 性好，变速容易、控制精度 技术复杂； 闭环控制系统高，交流电机在理论上可以价格贵； 永不磨损。国内外大力推广元器件配套供应己基本成熟；。 的控制系统。 通过分析三种数控系统的特点，针对目前国内外控制系统发展的现状和国内半导 体发展的趋势，主要是探针测试台控制技术发展的趋势，从提高控制精度和速度的要求 出发，对比三种控制系统的优缺点，在本论文中采用了双闭环伺服控制系统，即利用伺 服电机自帮的旋转编码器实现控制系统的速度反馈，利用安装在工作台上的光栅尺实现 4 华中科技大学硕士学位论文 控制系统的位置反馈。这种系统具有控制精度高、输出力矩大、稳定性好等特点。 1 2 3 控制卡发展的现状 简单的说，控制卡即运动控制器，是对由电机驱动的执行机构进行运动控制，以 实现预定运动轨迹为目标的装置。可以说，在现代控制系统中只要有伺服电机应用的场 合就离不开运动控制器，它以其特有的灵活性和优异的运动轨迹控制能力使许多工业生 产设备焕发了生机和活力，也大大减少了新产品的研发周期，节约了研发成本【3 2 1 。 为满足对多轴控制系统快速发展的需求，世界主要自动化设备的生产厂商都陆续 推出了自己的多轴运动控制器产品。在国外，多轴运动控制器产品已经很成熟，且得到 了广泛应用，但是在国内，这方面发展还很缓慢，只是少数厂家开始应用外国进口的成 熟的多轴运动控制器产品。目前，市场上有很多公司在制造销售或代理销售多轴运动控 制卡系列产品及其配套的控制器、电机、编码器和检测设备，如：6 ef a n u n c 、德国m o v t e c 、 台湾a n r o t e k 、北京泛华，还有三菱电机、o m r o n 、富士、东芝等机电公司也在开发制 造同类产品。相比之下，美国的p m a c ，g a i l 应用比较广泛，功能比较强大。 p m a c 控制卡是美国d e l t a t a u 公司推出的基于d s p 的可编程多轴运动控制器，是世 界上功能最强的运动控制器之一，具有响应速度快、精度高、开发周期短、编程和操作 简单的特点，发达国家广泛运用于机器人、数控机床等多轴控制的高精度伺服装置上。 它借助于m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 l 5 6 0 0 2 数字信号处理器，可以同时操纵卜8 个轴。它能 够对存储在它内部的程序进行单独的运算，执行运动程序、p l c 程序、进行伺服环更新， 并以串口、总线两种方式与主计算机进行通讯。而且它还可以自动对任务进行优先等级 判断，从而进行实时的多任务处理，这使得它在处理时间和任务切换这两方面大大减轻 主机和编程器的负担，提高了整个控制系统的运行速度和控制精度p ”9 1 。 1 3 本文的主要内容 t z - 9 0 1 全自动探针测试台采用多轴运动控制卡通过对全数字交流伺服电机和驱动 器的控制，来实现工作台全闭环位置控制功能。论文的主要内容为： 。 根据全自动探针测试台的工作原理与要求设计合理的控制系统； 华中科技大学硕士学位论文 根据控制理论和p m a c 控制卡的工作原理建立探针测试台控制系统的数学模 型； 利用仿真软件m a t l a b 中的s i m u l i n k 软件包进行系统仿真，得出工作台运动 的仿真曲线； 利用p m a c 控制卡自带的p e w i n 软件进行p i d 参数调节，并确定控制参数。 根据调节好的参数，在工作台自动测试过程中利用激光测长技术进行测试，检验 设计的控制系统是否符合2 0 0 r a m 全自动探针测试台的工作要求。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 2 0 0 m m 探针测试台控制系统结构设计 2 12 0 0 m m 全自动探针测试台控制系统的组成 2 1 12 咖全自动探针测试台控制原理 2 0 0 r a m 全自动探针测试台是目前国内研制的高端的全自动中测设备，该设备集成 上片、对准、测试、打标、下片和测试数据打印等功能，是集机械、电气、光学和计算 机等技术于一体的机电一体化设备。2 0 伪m m 全自动探针测试台整机主要由精密工作台、 承片台、自动上下片和自动对准等部分组成。本课题主要研究的是精密工作台的双闭环 控制系统。 该控制系统主要由工业p c 机、多轴运动控制卡、带编码器的交流伺服电机和驱动 器、光栅尺等组成，其组成结构如图2 1 所示，工控机是整个设备的控制中心，在自动 闭环交流伺服 图2 - 1x ，y i 作台控制示意图 测试过程中对控制卡进行控制，控制卡接到“中心”的指令后对交流伺服电机进行控制， 7 华中科技大学硕士学位论文 电机带动工作台移动到相应位置后，控制卡通过电机自带的增量式编码器和工作台上安 装的光栅尺把相应的信息反馈回工控机，工控机再根据这些反馈数据“指挥”下一步的 工作【3 t 1 1 3 2 1 。 2 1 22 0 0 m 全自动探针测试台工作台控制系统的组成及结构 随着计算机技术、微电子技术以及伺服控制技术的迅速发展，特别是大量可编程 运动控制模块的出现，使得采用开放式体系结构对探针测试台进行控制成为将来发展的 必然趋势，全闭环的伺服控制更能满足探针测试台大行程运行的高速度、高精度控制技 术要求。 通常控制系统可采用以单片机、工业p c 机或p l c 等作为计算机控制系统，根据控 制器的不同形式。计算机控制系统可分为集中式、分布式、集散式三种。目前在半自动 探针测试台中以单片机组成的运动控制器需从最底层开发，系统设计复杂，系统软件需 自行开发相应控制算法，其开发周期长；而以p l c 组成的运动控制器需要增加相应高速 功能模块，整体价格不菲，且p l c 的高速实时控制能力较差。因此，设计探针测试台控 制系统的着眼点在于采用一种通用运动控制器，集成了相应控制算法且具有高速实时控 制功能的控制系统”。 本文研究的探针测试台采用的伺服控制系统以工业p c 机为基础，以多轴控制器为 核心，构成上下位机分层递阶控制框架，形成2 0 0 r a m 全自动探针测试台控制中心。上位 机负责各种资源管理，对下位机的程序进行调度与控制，并实现与下位机实时通讯，以 及人机交互等功能。在2 0 0 r a m 全自动探针测试台的控制过程中，多轴控制器作为下位 机，完成对2 0 0 r a m 全自动探针测试台运动部件的位置控制和各种辅助操作的动作控制， 丽控制系统的其它配置，如电机和驱动器均采用标准模块的嵌入形式。这种控锘4 方式具 有控制精度高，研发周期短，研发成本低等特点。 该伺服控制系统是一个双闭环伺服控制系统，它的控制原理为：工业p c 机作为上 位机主要实现系统的管理功能和整机协调功能，与p m a c 运动控制器通过p c 总线通讯。 总线通讯方式是指主机到指定的地址上去寻找p 姒c 运动控制器，其中指定的地址是由 p m a c 的跳线确定。根据探针测试台的测试要求，由工业p c 机发出运动控制指令，p 舭c 8 华中科技大学硕士学位论文 按照接受到p c 机的指令进行相应的运动控制。p m a c 卡在接受指令信号后，通过电机驱 动器的转换和放大后，驱动x 、y 电机来对工作台进行控制，工作台运行到相应位置后， p m a c 卡再根据编码器和光栅尺的位置信息反馈信号把相关位置信息反馈给工业p c 机 。其中，编码器把信号直接反馈给驱动器，形成速度反馈的半闭环控制，而光栅尺 把工作台的位置信息反馈给控制卡，形成位置全闭环控制。 全自动x ，y 工作台采用光栅尺反馈的全闭环控制方式来控制伺服电机进行工作。 以x 电机为例，控制原理如图2 - 2 所示：整机主控工控机向控制模块发送信号指令，驱 动交流伺服电机转动，使工作台移动。同时，x 、y 各轴光栅记录工作台移动的距离， 工作台移动到指定的位置后，电机停止转动，光栅尺把工作台运行的相关位置信号反馈 回工控机，并根据工控机的指令要求，进行相应的工作。 图2 - 2 系统控制原理框图 这种闭环控制方式不但可以保证工作台、y 方向运行的综合精度，还可以克服长 时间使用后，丝杠磨损对工作台精度的影响，也可以提高x 、y 轴运动的稳定性。 2 1 33 2 作台的相关技术指标 行程 2 0 0 r a m ( 8 ”) 夺单轴稳定时间 3 0 m s 定位精度4 - 2 u m 夺最大运动速度 2 0 0 m m s 9 华中科技大学硕士学位论文 2 2 控制系统主要硬件的选择 2 2 1 控制卡的选择 根据所设计的2 0 0 r a m 全自动探针测试台的运动功能要求，控制器选用美国d e l t a t a u 公司的经济型的m i n i - p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i p l ea x i sc o n t r o l l e r ) 多轴运动控制器。在 本控制系统中，p m a c 主要完成控制中的插补、位置控制、后台p l c 运行监控、数据 采集等功能。m i n i - p m a c 多轴运动控制卡具有自动插补运算功能，提供了高精度的轮 廓控制方式，是本系统的关键部件，在该控制系统中p m a c 的主要有：直线和圆弧插 补功能、数控g 代码的处理、三次样条轨迹计算、“s 曲线”加速和减速，以保证加减 速时运动平稳等功能。选择p m a c 运动控制器是出于以下几方面考虑【4 9 彤1 ： p m a c 自带高速c p u ，可以用其构成上下位机的体系，将部分运算工作放在下位机， 缓解主c p u 的压力，保证可靠的实时控制； 夺系统需要控制多个开关量。p m a c 不仅带有标准i o 接口，而且还集成了p l c ，恰 好满足了控制需要。这样就避免了单独配置p l c 和i o 接口，从而提高了系统的集 成度和可靠性； 夺作为一款成熟的工业产品，p m a c 的开发界面友好，它所提供的p e w i n 编程工具完 全在w m d o w s 环境运行，编辑修改非常容易。它提供的功能强大的二次开发软件使 用户能方便地利用高级语言进行二次开发。更为突出的是它的e p r o m 擦写功能， 可以很方便地将p l c 程序写入e p r o m ，最大限度地提高开发效率； 夺利用运动控制卡的设计方案充分兼顾了控制系统的可靠性、高效性和快速性，便于软 件系统开发，易于与设备集成，乃至维护和升级等多方面的考虑。其优越性已在很 多实践中得到证实。 ( 1 ) p 姒c 控制卡的特点 p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i - a x i sc o n t r o l l 啪运动控制卡是美国d e l t a t a u 公司推出 的基于d s p 的可编程多轴运动控制器，全称为可编程多轴控制器，它是1 9 9 0 年推出的 基于工控p c 机和w i n d o w s 操作系统的多轴、多通道开放式运动控制器，是世界上 功能最强的运动控制器之一，具有响应速度快、精度高、开发周期短、编程和操作简单 1 0 华中科技大学硕士学位论文 的特点，发达国家广泛运用于机器人、数控机床等多轴控制的高精度伺服装置上。它借 助于m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 1 5 6 0 0 2 数字信号处理器，可以同时操纵1 8 个轴。它能够对 存储在它内部的程序进行单独的运算，执行运动程序、p l c 程序、进行伺服环更新，并 以串口、总线两种方式与主计算机进行通讯。而且它还可以自动对任务进行优先等级判 断，从而进行实时的多任务处理，这使得它在处理时间和任务切换这两方面大大减轻主 机和编程器的负担，提高了整个控制系统的运行速度和控制精度。 美国d e l t a t a u 数字系统公司推出的p m a o ( p r o g r a m m a b l em u l t i - a x i sc o n t r o l l e r ) 运 动控制卡使用高速d s p 5 6 0 0 1 、5 6 0 0 2 作为c p u ，提供全新的高性能技术和w i n d o w s 平台，满足用户在运动控制各个领域中的各种高科技应用。它能同时控制1 8 个轴， 既可单独执行存储于控制器内部的程序，也可执行运动程序和p l c 程序，还可进行伺 服环更新以及以串口、总线两种方法与上位机进行通信。它可以自动对任务优先级进行 判别，从而进行实时多任务处理。 控制卡的硬件核心为m o t o r o l a 的d s p ，使p m a c 控制卡的软件功能更加灵活和开 放，每个控制卡最多可控制3 2 轴，伺服周期为5 5l is 每轴，d s p 的时钟频率为 2 0 4 0 6 0 8 0 1 2 4 m h z ，可控制各种电机及接收各种反馈，控制卡具有直线、圆弧、快速 定位、三次样条和p v t 共5 种插补计算特性，具有s 曲线加减速特性，p i d 伺服环闭 合调整功能，内置先进的p i d 伺服算法，固定程序缓冲区为2 1 6k 字节，并且具有旋转 运动缓冲区，可用于大量程序的边下载边执行。用户无须编写轴的插补程序，只需直接 调用相关插补指令即可 4 9 - 纲。 ( 2 ) p m a c 控制卡硬件结构的开放性 夺与各种伺服系统的匹配通过适当的参数设置和使用不同的接口卡，便可以与各种模 拟或数字的交、直流有刷、直流无刷伺服电机伺服驱动器及步进电机驱动相连，构 成数控系统的驱动部分。 与各种检测元件的匹配：p m a c 可以和各种市面上流行的机床检测元件进行匹配， 包括测速发电机、光电编码器、光栅、旋转变压器等。 夺与p c 机的通讯方式：p m a c 有三种可选的与上位p c 机的通讯应用手段，包括总 华中科技大学硕士学位论文 线( b u s ) 和串n ( r s 2 3 2 或r s 4 2 2 ) ，以及新推出的u s b 接口和m a c r o 光缆接口通讯形 式。 夺与众不同的硬件平台的匹配：p m a c 有三种类型，分别在三种不同总线( p c - x t 和 a t , v m e ，s a d ) 上运行，由此提供了多平台的支持特性，同时也使同一控制软件可以 在不同的硬件平台上运行。 ( 3 ) p m a c 控制卡软件结构的开放性 夺人机界面的对外开放：p m a c 提供了w i n d o w s 平台下的驱动程序，可以在高级编程 语言如v c + + 、v b 、d e l p h i 等编程环境下调用这些动态链接库，实现w i n d o w s 环 境下的人机界面。 夺数控功能的对外开放性：p m a c 提供了一套基本功能指令集合，如直线插补、圆弧 插补、样条曲线插补、增量或绝对方式运行等，可在这些基本指令基础上定制用户 自己的g 代码、m 代码数控功能。 夺控制系统定制的对外开放性：p m a c 通过各种方式如i 变量等来实现对整个控制系 统的定制，使其方便的与实际机床进行匹配。p m a c 最大的特点是它提供给用户的 优越、特殊的开放性能。 ( 4 ) p 姒c 控制卡的伺服控制功能 一般来说，伺服能力只能用每小时完成的操作或生产的合格零件来衡量，当今对产 品质量的要求已超过对生产率的要求，所以在设计系统时，系统的每一部件都要最好。 可以用以下三点来衡量伺服控制器的能力：处理能力、轨迹特性、输入带宽特性。 夺处理能力：对于计算机的c p u ，处理器的能力通常用m p s ( 每秒钟的百万指令数) 表示。p m a c 以s u b a t 为单位来衡量控制器。p m a c 的处理能力可以达到6 7 5 0 0 s u b 玎单位。 夺轨迹特性：由于高级伺服应用中所要求的准确性和平滑性，必须在运行中精确计算 三维位置。d e l t a t a u 以t r a j e c t o r yu p d a t er a t e c a l c u l a t i o nb i t o u t p u tr e s o l u t i o n ( t u c o r ) 为单位来衡量这一能力。p m a c 的精确计算能力可以达到6 7 2 0 0 0 。 输入带宽特性：多年来人们一直希望能够以2 5 4 厘米，秒的速度移动x y 平台，并 使其分辨率达到2 5 4 那米( ( o 0 2 5 4 微米) 。用p m a c 运动控制器可以实现这一日标。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 而这一突破要归功于其大带宽特性和对直线电机进行高速数字计算能力的结合。编 码输入的串行处理速度是大多数控制器的1 0 到1 5 倍，而且还具有如下一个独特性 能：即可以从高分辨率编码器件接收低插补位的5 位并行数据。因此可以得到 3 2 0 v l h z 的有效输入带宽。p m a c 串行输入带宽可以达到1 5 m h z 。 2 2 2 伺服电机和驱动器的选择 以快速、准确为主要目标的位置伺服系统，是现代数控系统不可缺少、应用十分广 泛的一种自动控制系统，一般来说，人们对调速系统的要求是希望有足够的调速范围， 稳态精度和快且平稳的启动、制动性能。系统的主要控制目标，是使转速尽量不受负载 变化，电源电压波动及环境温度变化等干扰因素的影响，而位置伺服系统一般以足够的 位置控制精度( 定位精度) 、位置跟踪精度( 位置跟踪误差) 和足够快的跟踪速度来作为 它的主要控制目标。伺服系统用来控制被控对象的转角和位移，使其能自动地、连续地、 精确地复现输入指令的变化规律。位置控制的作用是将c n c 装置插补出的瞬时位置指令 值p 。和检测出的实际值p f ，在位置比较器中比较，产生位置偏差p ，再把p 转换为瞬 时速度指令电压u 。输入位置比较器中的指令有两种方式：脉冲列和数值指令。 与普通电动机相比，交流伺服电动机具有调速范围宽，短时输出力矩大等优点，因 此系统设计时就能以较紧凑的结构而驱动较大的负载。松下伺服电机驱动功率大，结构 紧凑，运行稳定，具有所有交流伺服电机的优点。 该控制系统所选用的交流伺服电机和驱动器是松下的m i n a s 系列全数字交流伺服 系统，该系统是日本松下电器公司于1 9 9 3 年投入批量生产的全数字化( 位置、速度、 电流三环全数字化的交流伺服系统) 交流伺服系统。内部采用3 2 位d s p ，输出采用 i g b t 、p w m 控制方式，因此系统响应快、精度高。该系列是世界上体积最小、重量最 轻的全数字交流伺服系统，其主要特点如下： 控制使用方便。各种实时参数和控制方式均可通过数字面板调整，非常适合现场整定。 夺控制方式多样化。它有多种控制方式可供选择：速度控制方式、转矩控制方式、 位置控制方式。输入的脉冲信号有正反转脉冲、a b 相脉冲、脉冲，符号三种方式。 以上三种控制方式均可进行复合控制。速度、转矩控制方式的输入为模拟电压。 满足实时控制要求。速度环、位置环的调节器参数可以随整个系统特性而定，还 可以利用前馈补偿达到极快的响应。用户也可利用“自动增益调整”功能，自动进 华中科技大学硕士学位论文 行参数设置。 夺接线方便。它对外部接线进行了优化，还配有自动检查接线状态功能。 保护措施齐全。系统配有完善的各种自诊断保护措施，一旦发生错误立即停机，报 警并告以故障原因，排除故障后方可重新工作，因此可靠性极高。 根据m i n a s 系列全数字交流伺服系统上述特点，我们选用日本松下m i n a sa 系 列伺服驱动器及伺服电机作为该数控系统的伺服机构及执行机构。具体型号及参数如表 2 1 和表2 - 2 所示。 表2 - 1 所选电机的性能指标 电机型号 g y s l 0 1 d c 2 一t 2 a 额定功率( k w )o 1 额定转矩( n m )o 3 1 8 最大转矩( n m ) 0 9 5 5 额定转速r m i n3 0 0 0 最大转速r m i n5 0 0 0 电机惯量1 0 - 4 9 9 m 0 0 3 7 1 额定电流0 8 5 a 最大电流2 5 5 a 轴端直轴、带键 安装方式法兰安装 电机带增量编码器( p r ) 1 7 位相对编码器 电机重量( k g )0 5 5 k z 安装环境无油污无腐蚀性气体 表2 2 所选电机驱动器的性能指标 型号 r y c l 0 1 d 3 一v v t 2 主电源三相a c 2 0 0 - 2 3 0 v+ 1 0 - - 1 5 5 0 6 0 h z 控制电源单相a c 2 0 0 - 2 3 0 v+ 1 0 1 5 5 0 6 0 h z 允许频率变动最大5 控制系统 i g b tp w m 控制f 正弦波控制1 旋转编码器增量式编码器，1 1 线，2 5 0 0 脉冲，转 动态制动器主电源调电，伺服o f f 保护功能和限位开关动作后有效 电子齿轮( 指令脉冲)由n 1 0 0 0 ) ( 1 1 0 0 0 ) 2 0 ”算出 反馈脉冲分频 1 - 2 5 0 0 脉冲i f 通信 p s 2 3 2 c 和r s 4 8 6 ，最大1 6 轴 位置控制方式线驱动器和集电极开路 位置控制指令方式正交脉冲指令，c w c c w 脉冲和脉冲方向指令 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 2 3 光栅尺的选择 ( 1 ) 光栅尺的工作原理 光栅尺又称光学式编码器，作为伺服系统中的检测装置，可以测量长度、角度、 速度、加速度、振动和爬行等。一般情况下，用直线光栅来测量直线位移，用圆光栅来 测量角位移。光栅尺利用激光测长技术来刻制光栅，使光栅检测的分辨率和精度达到很 高的水平。 光栅检测装置如图2 3 所示，由光源、透镜、指示光栅、光电元件、驱动电路和标 尺光栅组成。其中光源、透镜、指示光栅、光电元件和驱动电路组成读数头，安装在执 行部件的固定零件上，而标尺光栅则安装在执行部件的被测移动零件上。标尺光栅与指 示光栅的尺面相互平行，通过读数头的光电转换，发送出与位移量对应的数字脉冲信号， 用作位置显示信号或控制系统中位置反馈信号。 光源透镜指示光栅光电元件 图2 - 3 光栅检测装置 ( 2 ) 光栅尺的选择 在实际应用中，选择光栅尺需要考虑的主要技术指标是测量标准尺的热膨胀系数， 输出信号形式和输出信号周期，分辨率等。经过多方面的考虑，我们使用的是英国 r e n i s h a w 直线光栅，主要原因是： 相同的光栅尺，多样化的读数头：r e n i s h a w 是2 0 9 i n 和州两种栅距的柔性刚 带光栅尺，容易存放；并且可以截成任意长度；所以客户可以购买一定长度后，随 用随剪。相同的光栅尺可以匹配多样化的读数头。读数头可以输出1 v p p 、1 2 衅以 华中科技大学硕士学位论文 及r r l 电平。细分读数头不需外接细分接口电路。 夺r e n i s h a w 读数头内置安装状态指示灯：r e n i s h a w 读数头内置的安装状态指示 灯，是r e n i s h a w 的专利技术，通过指示灯的颜色可以判断读数头的位置，不需要 外接示波器等辅助安装设备，大大提高了安装的效率与方便性。通过安装状态指示 灯也为故障检测提供了很大的方便，通过观看指示灯的颜色就可以判断光栅测量系 统是否处于正常状态。 夺紧凑型的读数头：r g h 2 4 内置细分电路；r g h 2 5 读数头更加小巧，不需要外接接口 电路，非常适合安装在结构十分紧凑的设备上。 夺设计独特的柔性钢带尺：r e n i s h a w 的钢带光栅是利用反射光栅原理制成，光栅尺 和工作基面的热膨胀系数相同，不需要做热补偿。光栅尺的表面有一层保护膜，如 有油污情况下用干净的软布轻轻擦拭即可，并且轻度的油污和划痕并不影响读数精 度。 夺非常高的重复定位精度和运行速度：r e n i s h a w 就具有5 0 r i m 的重复定位精度来保 证客户的精度要求。由于光栅尺和读数头是非接触的，读数头具有高的频率响应， 所以最高速度可达1 5 m s 。 在现在电子行业中，e n i s h a w 的光栅尺已成熟应用于集成电路封装设备、晶体 处理设备、p c b 钻床、l c d 装配及检测、丝网印刷等领域。 ( 3 ) 所选光栅尺的技术指标 按照2 0 0 m m 全自动探针测试台的使用要求，并考虑成本和安装等多方面原因，我 们选用的r e n i s h a w 光栅尺的具体型号及参数如表2 - 3 所示： 表2 3 所选光栅尺的性能指标 型号备注 分辨率：1p m 光栅尺 r g s 4 0 s 精度：3 u m 输出信号：正交方波 读致头 r 1 3 h 4 1 3 0 d o o a 分辨率1p m 零位r g m 2 2 s 端压块 r g c p 一对 1 6 华中科技大学顾士学位论文 2 3 小结 在本章中主要介绍了2 0 0 r a m 全自动探针测试台控制系统的结构和组成，并介绍了 该控制系统的工作原理。根据实际需要对该控制系统中的主要元件进行了性能分析和选 取，并给出了所选元件的主要型号和性能指标。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 3 控制系统数学模型的建立 3 1 控制系统建模 在控制系统的分析和设计中，首先要建立控制系统的数学模型。控制系统的数学 模型是描述系统内部物理量之间的关系的数学表达式【5 6 1 。不论是在静态条件下，还是在 动态条件下，只要知道输入量和初始条件，对微分方程求解，就可以知道系统输出量的 表达式。 由以上2 0 0 r a m 全自动探针测试台控制系统的控制原理和结构可知，该控制系统的 控制框图如图3 1 所示： i ( s ) 上 - - 斗 图3 - 1 控制系统的控制框图 其中：i ( s ) 系统输入信号； u ( s ) 系统输出信号； c ( s ) 、g 1 ( s ) 、k 1 、k 2 、k 3 、k 4 系统中各环节传递函数。 由图3 1 可知，在整个控制系统中，k 1 、k 2 、