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上海交通大学博士学位论文 面向芯片封装的直线伺服系统的高速高精运动控制 摘要 随着产品质量与生产率要求的不断提高，越来越多的机械系统提出 了高速、高精度的运动性能指标。这些指标给运动控制器的设计提出了 更高要求。尤其是面向芯片封装的运动系统，由于芯片尺寸越来越小， 行程越来越短，而且已面临极限工况，因此如何设计一个高性能的运动 控制器以实现高速高精度运动至关重要。 本文以面向芯片封装的一类直线伺服原型系统直线电机驱动的 x - y 运动平台为研究对象，主要针对系统中存在的四种扰动因素：摩擦、 外部扰动、模型摄动和延时扰动，重点研究、设计并实现具有强抗扰能 力、强鲁棒性的高性能控制器，以使系统在高加速度工况下获得高精度 的运动性能。 首先，针对影响系统性能的两大因素：摩擦力和外部扰动，提出了 三种控制方案。一、提出基于l d g r e 动态模型的摩擦力补偿控制。本文 通过引入参数自适应和状态观测器，以及离线拟合模型参数的方法，实 现了基于l u g r e 模型的摩擦力补偿。实验结果表明，该摩擦力补偿方案 能够大大减少动态跟踪误差和提高稳态定位精度。二、提出基于l u g r e 模型的摩擦补偿与干扰观测器相结合的控制方案。该方案中的摩擦补偿 部分与前面提出的基于l u g r e 模型的摩擦补偿基本相同，只是状态观测 器的设计稍有不同。另外，所有的摩擦力模型参数都采用了固定的估计 值。干扰观测器的采用主要有两个目的：消除系统受到的外部扰动，以 及进一步消除没有被摩擦补偿消除掉的摩擦力。实验结果很好地验证了 该控制方案的有效性。三、针对干扰观测器( d o b ) 存在的问题，提出 一种改进型干扰观测器结构( i d o b ) 。该结构原理简单、计算简便，而 且提供了更多可供调节的参数，因此在一定程度上缓解了系统的抗干扰 性能与稳定鲁棒性之间的矛盾。实验比较了i d o b 和d o b 。结果表明： i d o b 具有更好的动静态性能。 上海交通大学博士学位论文 然后，针对模型摄动、外部扰动和延时扰动，提出具有前馈控制的 鲁棒内模控制结构，以同时提高系统的抗干扰性能和鲁棒性。该控制方 案在速度环采用内模控制，主要消除扰动的影响；位置环采用鲁棒控制， 以提高系统的稳定鲁棒性。另外，为了消除系统延时，并进一步提高系 统的动态跟踪性能，还采用了零相误差跟踪前馈控制器。通过比较实验， 验证了所提控制方案的各组成部分的性能。 最后，以同时提高系统响应速度、抗扰能力和鲁棒性为目的，提出 了基于软变结构控制和延时控制的方案。通过连续配置系统极点逐渐远 离虚轴，系统的响应越来越快。同时，采用延时控制消除系统的扰动， 提高系统的抗扰鲁棒性。仿真和实验都证明了这种控制方案使得系统响 应较快，而且还具有较强的抗扰性能和较高的定位精度。 为便于文中所提控制方案的实现与实验研究，本文还编制了一套高 速高精运动平台测控软件( m o t i o l l e y e s ) ，该软件已获得软件著作权。 m o t i o i 町e s 包括两部分：上层界面程序，由v c + + 编制。主要完成用户 参数设置、状态显示和结果显示等任务；底层控制程序，基于i 溉实时 系统开发，主要负责完成采样、控制、状态检测等实时性要求比较高的 任务。 基于m o t i o n e y e s 软件平台，本文所提出的各种控制方案在x y 运动 平台上得以实现。通过大量的实验研究与分析，充分验证了各种控制方 案的优良性能( 平台实现了5 6 g 加速度，2 岬定位精度的往复运动) 。 本文的研究成果为后继高速高精运动控制的深入研究，奠定了基础， 提供了参考。 关键词：直线电机，摩擦补偿，扰动观测器，内模控制，软变结构控制 上海交通大学博士学位论文 h i g h s p e e d h i g h a c c u r a c ym o t i o nc o n t r o lo f s e r v os y s t e md r i nb yl i n e a rm o t o r f o ri c p a c k a g i n g a b s t r a c t w t ht h ee 1 1 l l a l l c e m e n to f p r o d u c t i v eq u a l i 够a n dp r o d u c t i v i 劬m o r ea n d m o r em e c h a n i c a ls y s t e m sn e e dh i 曲s p e e da n dh i 曲a c c u r a c ym o t i o n ，w h i c h c h a l l e n g et h ed e s i g no fm o t i o nc o n t r o l l e r e s p e c i a l l yf o ri cp a c k a g e ，a sm e s i z eo fc h i pb e c o m e ss m a l l e ra n ds m a l l e r ，a n dm o t i o nd i s t a n c eb e c o m e s s h o r t e ra n ds h o r t e r ，h o wt od e s i g l lam o t i o nc o n 仃o l l e rw n h i 曲p e r 内m a n c e t oi m p l e m e n t h i 曲a c c e l e r a t i o na n d1 1 i 曲a c c u r a c ym o t i o ni sv i t a l b a s e do nt h es e r v os y s t e mf o ri cp a c k a g i n g ，a nx yt a b l e “v e n b y l i i l e a rm o t o r s ，t h i sd i s s e i r t a t i o nf o c u s e so nf o u rd i s t u r b a n c e s ：衔c t i o n e x t e m a l d i s m r b a n c e s ，m o d e le r r o r sa n dd e l a y a n ds t u d i e so nh o wt od e s i 呈皿a n dr e a l i z e h i g hp e r f o m a n c ec o n t r o l l e rw i t hs t r o n gd i s t u r b a n c er e s i s t a n c e ，r o b u s 缸1 e s s ， 、h i c hw i l ly i e l dh i 曲a c c u r a c yw i t hh i 曲a c c e l e r a t i o n f i r s t l y ，f o c u s e do nt h e t 、v om 匈o rs o u r c e so fa n 、e c t i n gm es y s t e m s p e r f i o r m a n c e ，衔c t i o na n de x t e m a ld i s t u r b a i l c e s ，t b e ec o n 呐ls c h e m e sa r e p r 叩o s e d 0 n ei s 衔c t i o nc o m p e n s a t i o nb a s e do nl u g r ed y n a m i cm o d e l b y d e s i g m n g as t a t e o b s e n ，e r ， a p 聪吼e t e ra d a p t i v e 1 a wa i l do 昏l i n e 印p r o x i m a t i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o nr e a l i z e s 衔c t i o nc o m p e n s a t i o nb a s e do n l u g _ r em o d e le a s i l ya n de 艉c t i v e l y e x p 耐m e n t a lr e s u l t ss h o w 1 a tt h e p r o p o s e d 衔c t i o nc o m p e n s a t i o nc a na c h i e v em u c h1 e s st r a c l ( i n ge r r o ra n d h i 曲e rp o s i t i o n i n ga c c u r a c y a n o m e rc o n t r o l l e r ( d o b f c )c o m b i l l i n g d i s t u r b a l l c e o b s e r v e r ( d o b ) a i l d 衔c t i o nc o m p e n s a t i o nb a s e do nl u g r e m o d e l i s p r e s e n t e d c o m p a r e dw i t l lt 1 1 ea b o v e 衔c t i o nc o m p e n s a t i o n ，i nm i s 上海交通大学博士学位论文 s c h e m e ，a u 衔c t i o nm o d e lp a r a m e t e r sa r ee s t i m a t e db yo 仃- l i n e 印p r o ) 【i m a t i o n ， 趾dt h es t a t eo b s e r v e ri ss o m e w h a td i f | f e r e n t t h ea d o p t i o no fd o bi sf o rt v 旧 e n d s ，o n ei st or e s i s te x t e m a ld i s t u r b a l l c e ，a n dt h eo t l l e ri st oe l i m i n a t e 衔c t i o n c o m p e n s a t i o ne r r o r s e x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s 仃a t em ee f r e c t i v e n e s so f d o b f c t h eo t h e rc o n t r o l l e rp r o p o s e di san e wi n l p r o v e dd i s m a n c e o b s e r v e r ( i d o b ) i d o bi s v e 巧e a s y i n t 1 1 e o c o i n p 似i o n 锄d i m p l e m e n t a t i o n f u r t l l e r n l o r e ， i d o bc a ns o l v et h ec o n n i c t i o nb e t 、耽e n d i s t u r b a i l c er e s i s t a n c ea n ds t a b i l i t yr o b u s t n e s st os o m ee x t e n dd u et o p r o v i d i n gm o r ep a r 锄e t e r st oa d j u s t i d o ba n dd o ba r ec o m p a r e do nm e x yt a b l e r e s u l t sd e m o n s t r a t et 1 1 a ti d o bi ss u p e r i o rt od o b s e c o n d l y ，f o c u s e do nm o d e le n o r s ，e x t e m a ld i s t u r b a n c e sa n dd e l a y ，a n e wc o n t r o ls c h e m eb a s e do nac o m b i n a t i o no fi n t e 打i a lm o d e lc o n 打o l ( i m c ) a n dr o b u s tc o n t 】旧li s p r o p o s e dt oi m p r o v e t h ed i s 劬b a n c er e s i s t 雅c e p e r f 0 1 m a i l c e a 1 1 dr o b u s t n e s s i nm i ss c h e m e ，i m cd e s i g n e dt o s u p p r e s s d i s t u r b a n c ei su s e df o rv e l o c i t yl o o p ，a n dr o b u s tc o n t r o l l e rf o rp o s i t i o nl o 叩， w h i c hp r o v i d e ss 协i l i t yr o b u s 恤e s s 1 1 1a d d i t i o n ，t h ez e r op h a s ee r r o rt r a c l ( i n g c o n t r o l l e r ( z p e t c ) i sa d o p t e dt oa c ta saf e e d f o n v a r dc o n t r o l l e rt o 如r m e r i i n p r o v e t 1 1 e t r a c l ( i n gp e r f o r m a n c e c o m p a r a t i v e e x p e r i m e m a l r e s u l t s d e m o n s 仃a t ep e r f o n n a n c ei m p r o v e m e n to b t a i n e db ye a c he l e m e n ti n 廿1 e p r o p o s e dc o n t r o ls t i u c t l j r e f i n a l l y ，as o rv 撕a b l es 仃u c t u r ec o n 们ls c h e m eb a s e do nt i i l l ed e l a y c o 砷旧li sp r o p o s e dt oa c h i e v eq u i c kr e s p o n s e ，s t r o n gd i s t u r b a n c er e s i s t a l l c e a n dr o b u s t i l e s s b yc o n t i n u o u st u n i n gt 1 1 es t a t ef e e d b a c kc o n t r o lv e c t o r ，t 1 1 e p o l e so fm es y s t e m 、树nc o n t i n u o u sp r o c e e dt o w a r dn e g a t i v ei n f i n i t ) rd 血n g t l l er e s p o n s e h e n c et h es y s t e mw i na c h i e v eh i 曲r e g u l a t i o nr a t e sa 1 1 ds h o r t s e t t l i l l g t i i l l e s f u r 1 e 肌o r e ， t i m e d e l a y c o n t r 0 1i s a d o p t e dt oi m p r o v e r o b u s 协e s st os y s t e mu n c e r t a i n t i e sa n dd i s t u r b a n c e s f r o mt h es i m u l a t i o na i l d e x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，t h ep r o p o s e qc o n t l o lp r o v i d e sg o o dp e r f o m a n c e si n s e t t l m gt i m e ，p o s i t i o n i n ga c c u r a c ya n dd i s t u r b a n c er e j e c t i o n f o rr e a l i z a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ft h ec o n t r i d ls c h e m e s p r o p o s e di nm i sd i s s e r t a t i o n ， as o 胁a r es y s t e mn a m e dm o t i o n e y e si s d e v e l o p e d m o t i o n e y e si n c l u d e st 、v op a r t s ，o n ei s i n t e r f a c ep r o g u m e db y v c + + ，b y 、h i c ht h eu s e r sc a ns e tp a r a m e t e r s ，a n dm es a t e sa l l dr e s u l t so f r u n c a nb ed i s p l a y e d ，e t c t h eo t l l e ri sp r o g r a mb a s e do nt h ei xr e a lt i m e o p e r a _ t i l l gs y s t e m ，w h i c hi s i nc h a 唱eo fs u c ht a s k sa sr e a l i z i n gc o n t r o l a l g o r i m m ，c o m m a n d i n g ，s a n l p l i n g ，c o n t r o l l i n g ，a n d s oo n b a s e do nm o t i o n e y e 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对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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： 日期：年月日 上海交通大学 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， 同意学校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。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：；荚 日期：勿僻亍月多日 指导教师签名：了怍 日期：沙库弓月弓日 上海交通大学博士学位论文 1 1课题来源 第一章绪论 本学位论文来源于国家自然科学基金重大项目“先进电子制造中的重要科学技术 问题研究”的课题：面向芯片封装的高加速度运动系统精确定位和操纵。项目资助号 为：5 0 3 9 0 0 6 3 。 1 2 课题背景 作为战略性的基础产业，微电子产业的产业规模和技术水平已成为衡量一个国家 综合实力的重要标准之一。微电子产业是当前全球经济发展的高速增长点，是国民经 济中最具活力的行业。作为其支撑产业之一的电子制造技术，也从2 0 世纪8 0 年代初 伴随着信息时代的到来而迅猛发展起来的高新技术。为了顺应时代要求，以及能够跟 上其产品的快速更新速度，需要开发大量的新兴技术并不断应用到电子制造中去，本 课题的研究重点就是针对电子制造中芯片后封装过程这类高速高精度运动系统的控 制技术。 芯片( 1 1 1 t e g r a t ec i r c u i t ，简称i c ) 后封装是指将芯片( 或微结构) 安装、固定和 密封于封装基板中，并将其上的i o 点用导线连接到封装外壳引脚上的过程。封装基 板起着保护微器件并增强其电热性的作用。在其封装工艺中，有三种主要的连接形式： 倒封装( f 1 i p c 1 1 i p ) 、引线键合( w i r eb o n d i n g ) 和载带自动焊接技术( t a b ) 。尽管 倒封装技术在基于c o b ( c h i po nb o a r d ) 的高端的封装中发挥越来越重要的作用， 但目前和未来1 0 年内，引线键合( w i r eb o n d i n g ) 的连接方式仍然占据封装产量的 9 0 左右，因此引线键合技术仍然是目前芯片封装形式的主流。 引线键合技术采用加热、加压和超声能，用直径为几十到几百微米的a u 、a l 或 s i a l 金属丝将芯片的i o 端与对应的封装引脚或基板上的布线焊区( a 1 或a u ) 互 连的过程( 图1 1 简单给出了芯片引线键合封装过程) 。目前在工业化生产中，引线 键合设备能实现：球形焊盘间距3 5 p m ，金属丝的直径为1 5 岬，焊盘的直径为2 7 岬； 楔形焊盘间距3 5 p m ，金属丝的直径为2 0 岫，焊盘的宽度为2 3 “m 。下面列举几家世 界知名公司的引线键合机的性能指标：香港a s m 公司的e a g l e 6 0 x l 产品，其键合速 度为8 晰r e s s ，焊盘间距为3 5 p m ，键合区域为1 0 0 m m 8 8 n u n ；美国k - u l i c k e & s o 勖 上海交通大学博士学位论文 公司的m a ) 【舯 1 p l u s 产品，其键合速度为1 5 埘r e s s ，焊盘间距为3 5 岬，键合区域为 5 6 i m 6 6 i 姗；瑞士e s e c 公司的m o d e l3 1 0 0 产品，其键合速度1 7 谢r e s s ，焊盘问 距为3 5 4 5 岫，键合区域5 2 n u n 7 0 i i l n l 。通过分析以上世界知名封装设备供应商的 引线键合设备可知，当前封装设备的典型技术水平为：定位平台运动加速度 6 0 1 2 0 州s 2 ，定位精度5 1 0 “m ，频带宽度2 0 0 3 0 0 h z ，工作频率1 0 h z 。下一代封装 设备将突破上述典型指标，加速度达到1 2 0 1 5 0 州s 2 ，定位精度达到2 5 u m ，带宽提 高到3 0 0 4 0 0 h z ，工作频率达到2 0 4 0 h z 。这些指标对系统的动态过程和稳态精度提 出了更高要求，已经进入了当前电子制造装备的极限工况范围，由此产生了在常规工 作状态下难以遇到的许多新现象、新矛盾，对运动控制、定位等的理论方法研究和原 型系统设计提出了极大的挑战。近几年k u l i c k e & s o 瓶和a s m 等国际著名的i c 封 装设备制造厂商在开发引线键合机等新产品时均遇到了技术上的障碍，并向有关科研 机构公开了所遇到的问题，同时，这一领域的研究正逐渐引起学术界的关注。 一 圭! 刍撇 压电火花 23 图1 1利用引线键合技术的封装过程 f i g 1 1p a c k a g i n gp 1 0 c e s so fw i r e b o n d i n gt e c h n o l o g y 1 3 面向芯片封装的运动平台 随着芯片集成度不断增大，芯片i o 密度越来越高，芯片尺寸、引线、引线间距 持续减小，引线键合机的发展趋势和目标为：具备3 5 “m 的焊盘间距的处理能力；键 合探针的定位精度小于士2 5 岬( 3s i g m a ) ；键合速度达到1 7 2 5 证r e s ；键合区域7 0 i 姗 1 0 0 m 瑚。实现以上指标的关键：用于引线键合探针定位的二自由度运动平台，是否 上海交通大学博士学位论文 具备高加速度( 1 0 0 1 5 0i 眺2 ) 和高定位精度( 士2 5 岬) 。面向i c 封装的运动平台大 致可分为以下三类。 l 、传统运动平台 传统的芯片封装运动工作台与普通数控机床中的工作台一样，采取的结构方式是 旋转电机驱动与传动装置( 包括减速器、滚珠丝杠等) 组合而成。这种结构在控制上 比较容易实现，而且，推力大、制造成本相对较低、抗干扰能力强即鲁棒性好。然而 这种传统运动平台存在以下不足之处： 旋转电机的输出需要经过连轴器、齿轮、丝杆等多个中间环节才能到达运动 平台。这些传动装置不仅存在多个误差源，而且还增加了系统转动惯量，这 使得系统动态响应变慢，因而难以提高运动平台的加速度； 冷丝杆的传动使系统刚度变低，它的弹性形变使控制性能受到很大程度的抑 制，而且容易产生机械谐振，严重影响运动性能； 传动环节的死区、摩擦、形变，使系统非线性因素急剧增加，导致定位精度 难以进一步提高； 对于行程极短的封装操作，丝杆的弹性及传动中的死区、摩擦使极小空间的 运动精度变的不可预测。 随着i c 后封装装配过程对于定位精度、加速度的不断提高，上述缺点使得传统 运动平台难以满足性能要求。 2 、直接驱动运动平台 目前，以直线电机为代表的直接驱动运动平台正在得以推广应用。直接驱动由于 不存在中间传动装置，因此具有极高的驱动刚度和推重比；同时不存在传动环节的回 程间隙等影响以及滚珠丝杆的弹性变形，因此可获得较高的加速度和定位精度，适应 了芯片封装的发展变化对运动平台的要求。 直接驱动运动平台虽然可获得高加速度、高精度等的优良特性，但是这种结构仍 然存在一些缺陷：由于没有中间传动装置，系统参数摄动、负载扰动等不确定因素将 不经过任何缓冲或减弱，就直接作用到伺服电机上，因此增加了控制的难度。另外， 直接驱动运动平台结构相对比较紧凑，因而散热困难。如果平台产生的热量不能及时 散出，将直接使得机械的物理结构发生复杂变化，从而严重影响系统性能。 3 、无摩擦运动平台 为了开发适用于下一代i c 封装要求的高加速度、高精度定位工作台，从上世纪 9 0 年代开始，美、日、韩等国家，对悬浮式精密定位工作台开展了大量的研究工作。 其具体工作包括研究利用磁或者空气使工作台运动部件和固定部件相隔离的悬浮技 上海交通大学博士学位论文 术；研究利用磁力学原理使运动部件实现平面任意位置的高精密定位和多自由度运动 平面的电机等等。新型的悬浮运动工作台将具有运动范围大、推重比大、精度高、能 量损失少、无摩擦、无磨粒污染等特点，是理想的下一代i c 封装精密工作台。 利用气浮或磁浮轴承等非接触式支撑机械平台可认为是理想的无摩擦力的一种 平台结构。系统非接触的结构特点克服了磨损、金属粉尘及油脂污染等问题。但磁悬 浮定位平台控制复杂、易失稳，由此带来制造成本昂贵等问题；气浮平台虽然具有结 构简单、运动控制解耦、成本较低散热性能好等优点，但空气悬浮的承载能力较低； 因此寻找合适的控制方法、并通过合理的结构设计优化驱动与悬浮磁阵列、采用智能 材料增加空气轴承的刚度特性是目前研究磁浮和气浮的一个研究热点。同时解决纹波 推力扰动、齿槽推力扰动、磁链谐波扰动和端部效应等也是促使无摩擦驱动平台走向 实用化的主要研究内容。 1 4 面向芯片封装的直线伺服系统 1 4 1 系统构成以及工程考虑因素 目前，直线伺服系统因能够获得高加速度、高精度的优良性能，在芯片封装装配 过程中得以推广应用。一个典型的直线伺服系统通常包括定位机构、直线驱动电机、 传感器、运动控制器、驱动放大器等。定位机构通常包括运动工作台以及支撑机构， 后者指导轨、轴承等。直线驱动电机包括直流感应电机、直线同步电机、直线直流电 机等。典型的位置传感器通常采用直线型光栅编码器。另外，激光干涉仪也逐渐被广 泛应用于芯片封装的高精度定位系统中，同时，它也可以用于对其它位置传感器的标 定。运动控制器包括工业p l c ( 可编程控制器) 、伺服控制器、工业c n c ( 数控) 控 制器等等。 直线伺服系统的各个组成部分都会影响整个系统的性能，因此为了获得优越的性 能，在设计和选择系统的各个机械构成部件时，应综合考虑以下几个主要因素： l 、定位精度 定位精度是指，运动部件在控制作用下运动所能达到的位置精度。它决定于控制 系统与机械传动误差。 2 、重复定位精度 重复定位精度是指运动部件多次运动到同一个目标点的定位误差的离散度大小。 4 上海交通大学博士学位论文 3 、分辨率 分辨率是指运动控制系统所给出的、执行机构能够响应的最小位置增量命令。机 械定位部件、电机以及电子控制器对于决定系统的分辨率起着重要作用。 4 、陶灭( a b b e ) 误差 测量误差严重影响运动系统的定位精度。测量误差容易被忽略的部分就是阿贝误 差。阿贝误差是指当测量轴不在工作平面内或者工作台与测量元件不平行时产生的测 量误差。 5 。热效应 热效应将随着工作台工作时长的增加( 尤其在高速情况下) 越发明显。热效应引 起的膨胀，使得机械的物理结构发生复杂的变化，进而严重影响系统性能。尤其在反 馈元件采用激光干涉仪的运动系统中，温度变化很容易引起气体密度的变化，从而影 响位置的检测。 1 4 2 影响直线伺服系统性能的因素 当直线伺服系统的各个机械组成部件确定后，运动工作台所能达到的理想性能指 标就确定了。然而，系统存在大量的扰动因素和不确定因素，使之难以达到预期的高 加速度、高精度性能指标。大量研究表明，影响直线伺服系统性能的因素主要有： l 、非线性摩擦 摩擦是引起系统跟踪误差、影响定位精度的主要扰动因素之一。特别是静摩擦具 有非线性弹性变形和塑性变形的特征，这将严重影响系统的定位精度。因此在i c 封 装这样的定位精度要求比较高的应用场合，非线性摩擦的影响将不容忽视。 2 、外部扰动 在系统运行过程中往往会受到诸如负载突变、工作环境变化等外部扰动的影响， 如果控制系统不具有强的鲁棒性，就会造成伺服系统性能变差。 3 、模型误差 辨识得到的被控系统模型( 标称模型) 与实际被控对象之间的误差、机电伺服系 统建模中忽略的结构性不确定因素等等，往往使得系统的控制失效。 4 、延时扰动 系统中，控制量传输滞后、位移反馈滞后都会使控制作用不能及时得到响应，扰 上海交通大学博士学位论文 动作用不能及时发现与补偿，从而导致系统超调、振荡、性能降低。 5 、耦舍扰动 多轴运动直接往往存在耦合扰动，即一个轴的运动会影响其它轴的运动。 6 、力波纹 直线电机力波纹严重影响电机性能，它的产生主要来源于以下两方面： 令齿槽推力由永磁体与动子铁心相互作用产生。即使不存在任何电枢电流，只 要动子与定子之间存在相对运动，都会产生齿槽推力。 夺磁阻力由于绕组自感应变化进而引起力常数变化而产生。 7 、端部效应 旋转电机的磁场封闭在电机内部，不会对外界造成任何影响。而直线电机的磁场 是敞开的，存在严重的“端部效应”，即气隙磁场发生畸变，严重影响电机的工作特 性。端部效应是直线电机特有的一种现象。 8 、振动 i c 封装设备的高加速度启停带来的宽频振动给运动定位、产品质量和设备寿命 带来许多问题。 1 4 3 面向ic 封装的直线伺服控制器设计的关键问题 直线伺服系统在i c 封装中的应用，给运动控制器的设计带来巨大挑战，原因主 _ 要有以下两点： 夺直线伺服系统采用直线电机直接驱动运动平台( 即所谓的零传动) ，影响系 统性能的各种扰动因素将直接反映到直线电机的运动控制中，而没有任何中 间的缓冲过程( 不像有中间传动环节那样，扰动折算到电机上就减弱了很多， 因为中间传动环节的弹性变形在一定范围内可以起到吸收和抑制干扰的作 用) ，因此增加了控制上的难度。 夺在芯片封装运动系统中，由于对运动平台的加速度、定位精度等的要求越来 越高，原本可以忽略的细微扰动因素，如：负载扰动、非线性摩擦、环境温 度变化等等，都将严重影响系统性能，因此给控制器的设计提出了更高要求。 事实上，上述第二点也是对所有面向i c 封装的运动控制器设计提出的挑战。只 是这个挑战对于面向i c 封装的直流伺服系统更为巨大。由以上叙述可知，面向i c 封装的直线伺服控制器的设计存在以下两个关键问题。 关键问题一：如何抑制系统的扰动因素。由上一小节知，影响直线伺服系统性能 6 。 上海交通大学博士学位论文 的因素多种多样。然而，对于一个具体的实际系统而言，某些扰动因素影响较大不能 忽略，而另一些扰动因素影响小则可以不予考虑。因此，要针对具体系统中存在的各 种不容忽视的扰动因素，以相应见长的控制策略来解决。 关键问题二：如何协调各性能指标间的关系。面向i c 封装的直线伺服系统要求 高加速度、高精度运动的同时，还应具有较强的鲁棒性。然而，这些高性能指标之间 往往相互矛盾，例如：短行程的高加速度运动容易造成余振，影响系统定位精度；系 统抗扰鲁棒性的提高会造成稳定鲁棒性的下降等等。因此设计控制器时需协调各性能 指标间的关系，以满足多方面性能的要求。 总而言之，一个成功的面向i c 封装的直线伺服控制策略，必须针对具体对象的 特点，满足高加速度、高精度的同时兼顾较强的鲁棒性。 1 5 高速高精度运动控制器的研究现状 1 5 1 经典控制算法 以p i d 为代表的经典控制在运动控制系统中应用广泛。事实上，由于p i d 控制及 其变形控制如：p i ，p d 原理简单，算法简洁，而且其配置几乎为最优，具有较强的 鲁棒性，因此构成了运动控制系统中最基本的控制形式。虽然，在高速高精的运动系 统中，仅靠单一的p i d 控制难以达到要求，但是在加入适当的补偿、校正环节后，仍 适用于某些高速高精度控制的场合。 i 、非线性补偿 摩擦力因其高度复杂性和不确定性，己成为控制领域的一大难题。基于模型进行 摩擦力补偿，是消除摩擦的最基本也是应用最广的方法。自2 0 世纪以来，随着摩擦 力现象越来越为人类所揭示，先后出现了多种摩擦力模型。早期的摩擦力模型如：如 经典模型【l 】、k a n l o p p 模型2 1 、加m s 拍n g 模型【3 1 等等大都是静态模型，主要描述了摩 擦力的静态特性：静摩擦，库仑摩擦，粘滞摩擦，s 仃i b e c k 影响等。其中，基于经典 模型的摩擦力补偿应用最广泛【l 】【4 j 。然而静态摩擦力模型没有体现摩擦力的动态特 性，如：变化的突变力，停止一滑动( s t i c k s l i p ) 运动等等【5 】，因此，在定位精度要 求较高的运动控制中，采用摩擦力静态模型进行补偿，难以满足性能要求。近年来， 先后出现了多种动态摩擦力模型，如d a l l l 模型【6 1 、b r i s t l e 模型【7 1 、l u g r e 模型【8 1 等 等。这些模型因其更全面地描述了摩擦力的动、静态特性，在高性能控制器的设计中 受到了极大重视【9 】【l o 】。 为了减少直线电机力波纹和齿槽力的非线性影响，文献 1 1 提出的控制器中添加 了基于离线经验模型的力波纹前溃补偿项。由于基于经验的模型精确度不高，而且难 上海交通大学博士学位论文 以应付力波纹的在线变化，所以t 锄【1 2 j 提出给系统加入一个“特洛伊木马 似的抖振 信号来抵消力波纹，该信号形如力波纹经验模型，但它的系数可按照某种自适应律在 线改变。另外，o t t e n 【1 3 】等人还提出了基于神经网络的学习前溃控制器，它可以减少 由于可重复性的力波纹所引起的位置误差。 2 、干扰补偿 提高系统抗干扰能力的一种最直接的方法就是采取某种校正措施，使干扰对系统 的影响得到全补偿，从而实现系统对干扰具有不变性。干扰补偿是在一定范围内实现 不变性的有效办法。其实质是利用干扰来补偿干扰，即直接或间接测量出干扰信号， 并经过适当变换之后作为附加校正接入系统。 毗萄i 【1 4 】对两自由度控制结构进行变形，得出了目前应用广泛的干扰观测器结构， 并给出了干扰观测器参数确定的一般公式。基于此，文献 1 5 1 7 提出了基于干扰观 测器的干扰补偿器，它可以使系统对于外界扰动具有较强的鲁棒性。其中文献 1 7 将 已有的干扰观测器设计技巧进行扩展以补偿系统的时间滞后。但是，理论和实验表明 【1 8 】：干扰观测器不能很好地处理非连续的干扰，例如：库仑摩擦，也不能处理较大变 化范围的参数不确定性。 3 、机械凡伺误差补偿 在定位精度要求较高的运动系统中，机器终端执行机构与工件之间存在的相对位 置误差将直接影响到最终产品或相关过程的质量。机械几何误差是引起这种误差的主 要原因之一。 消除机械几何误差的方法通常是尽量设计并加工精确的物理机构。然而，这不但 需要投入大量的资金，而且机械磨损很快也会造成机械几何误差。因此在实际应用中， 通常设计一个几何误差补偿器，消除机械几何误差。最通用的一种几何误差补偿器就 是通过实验测量各个构件几何误差引起的位置偏移量，从而补偿系统。此外，协等 人先后在文献 1 9 】【2 0 】中提出了基于校准点的径向基函数误差模型和多层神经网络误 差模型，以更准确地补偿机械几何误差。 4 、热效应误差补偿 热效应将使得机械的物理结构发生复杂的变化，特别是在高速高加速度的情况 下，系统的热效应将变得非常明显而不能再被忽视。引起热效应的因素有很多，包括 环境温度，照明，散热装置等等，b r y a i l f 2 l 】曾全面分析过这些因素。要消除热效应， 通常使用的方法就是安装性能较好的散热装置。然而，在控制性能要求较高的运动系 统中，依靠散热装置来消除热效应，难以达到令人满意的效果。而且，在高速运动的 情况下，未被散热装置带走的热量会急剧积累起来，这不仅会毁坏机器，还会造成人 8 曩 上海交通大学博士学位论文 身安危。基于补偿的原理，安装热传感器，建立热误差模型来补偿热效应是消除热误 差的有效方法。尽管热效应补偿不可能完全消除热效应，但它可以把系统热量限制在 一个允许的范围内，不至于让它无限度的增加，而严重影响系统的性能。 5 、前馈校正 在反馈控制系统中引入前馈校正，不仅可以改善系统的稳态性能，而且可以改善 系统的动态性能。从等效闭环传递函数可以看出，前溃校正引入的是系统的零点，因 此具有扩展频带，使响应的快速性得到改善的作用。 t o m i z u k a 【2 2 j 提出了一种全新的前溃控制器算法零相误差跟踪控制器( z e r 0 p h a s ee n o r 仃a c k i n gc o n t r o l l e r ，简称z p e t c ) 。该控制器可以消除反馈环的所有极点和 可消除的零点，同时还可以消除由不可消除的零点引起的相位误差。z p e t c 原理比 较简单，算法也容易实现，因此在运动控制系统中得到了极为广泛的应用。但是 z p e t c 也有不足之处：由于z p e t c 是在一个宽的频率范围内对整个闭环动特性的倒 置，所以，在许多系统中就会呈现出在高频段具有很高的前馈增益的现象【l7 1 。为克服 上述问题，c a r l l l 7 j 提出了一种改进方案：采用一个零相低通滤波器与z p e t c 相结合。 这样既限制z p e t c 在高频段的增益，同时还保持了z p e t c 的零相位误差特点。 另外，还有其它一些文献进一步对z p e t c 做了改进。例如s ，e v e r s 【2 3 】将z p e t c 改进为扩展频带的z p e t