基于重复控制的半导体巨量转移设备高速高精定位方法研究

张勇， 汪承研

（广东机电职业技术学院， 广东广州 510550）

0 引言

半导体巨量转移设备主要执行点对点的重复快速点位运动， 要求运动具有高速高加速而到达点需要快速高精到位，特别是随着mini LED 逐步进入量产阶段，巨量转移设备将对mini LED 生产效率起着举足轻重的作用。最早的巨量转移设备使用旋转电机加滚珠丝杠的方式实现，由于传动机构的存在，平台刚性较差，往复运行频率很低，一般只有5 线/秒。 为消除传动机构带来的负面影响，同时随着直线电机技术的发展，直线电机由于其推重比高、热损耗小、精度高和结构简单等优点而广泛应用于半导体设备中[1-2]，使用直线电机直接驱动平台做往复直线运动将极大的满足巨量转移设备的高速高精高效要求。 以此直线驱动系统为基础的mini LED 等半导体巨量转移装备因为采用直线电机直接驱动， 加载在执行机构的干扰直接施加在驱动电机上，对运动控制的要求更高。因此， 在直线驱动基础上如何更有效抵除干扰并实现高速高加速高精度的定位控制， 将是mini LED 巨量倒装转移系统控制研究的主要难题。

本文将基于自主开发的驱控一体控制器对执行高速高精运动定位的上下两层级的XY 直线电机提出一种P+改进重复控制的控制方法应用于该XY 电机级联控制的位置环，其中重复控制器主要应用于负载惯量和有规律干扰的补偿[3]，P 控制器则应用于随机干扰的快速抑制。 本控制方法将有效实现如mini LED 等巨量倒装转移系统控制的高速高精运动要求，定位精度和定位速度达到最佳性能。

1 系统结构

本设备控制系统的框架见图1， 系统主要包含了上位机模块、 驱控一体控制器模块、BondXYZ 直线电机、WaferXYZ 直线电机；BondXY 和WaferXY 为上下两层XY 平面的定位电机， 基于两级XY 电机可减少定位时间； 驱控一体控制器模块又包含了运动控制单元和驱动控制单元，运动控制单元主要执行运动控制的插补，驱动控制单元主要执行直线电机的驱动控制， 本文研究的高速高精定位方法即在驱动控制单元的电机驱动模块中执行与实现。

图1 设备控制系统框架

2 基于P/PI/PI 的PID 控制

PID 控制经典控制理论在实际控制系统中的典型应用， 是在工业控制中应用得最为广泛的一种控制方法。PID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值r（t）与实际输出值c（t）构成偏差：e（t）=r（t）-c（t）。将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制，其结构简单，鲁棒性和适应性较强，调节整定很少依赖于系统的具体模型。 PID 也是当前电机控制的主要方法之一。

在本控制系统电机驱动模块级联结构的基本控制策略中，电流环和速度环均采用PI 控制，位置环采用P 控制，基于P/PI/PI 的PID 控制应用并实现系统随机干扰的快速抑制[4-6]，如图2 所示。

图2 基本级联控制系统结构图

（1）首先根据直线电机的电压方程、电磁推力方程和机械运动方程推导出直线电机的平台数学模型为：

3 基于重复控制的高速高精定位控制

为克服重复控制器对控制对象稳定性高要求和系统向前通道中延时， 对重复控制器进行改进以更好协助系统完成高速高精的定位运动。 改进的重复控制器首先在延时环节前加入一个低通滤波器Q（s）改善保证系统稳定性，加入前馈α（s）克服添加Q（s）带来的跟踪性能衰减和促使重复控制器第一周期有信号输出， 最后在控制对象前加入前置补偿器C（s）保证系统稳定性。 基于重复控制+P 的级联控制器的传递函数为：

式中：E=Q（s）·e-Ls，Qx（s）和R（s）分别为输出ox（t）和r（t）输入的Laplace 变换，以上即得到了控制器中各高速高精定位轴级联控制的最终计算公式。

图3 重复控制+P 的级联控制系统结构图

4 加工验证

将上述基于P+改进重复控制的控制方法应用于mini LED 巨量倒装转移设备的XYZ 轴控制中，如图4 所示，在实验中，加工速度设置为500mm/s，加速度设置为5000mm/s2， 得到各轴定位误差和定位时间如表1 所示，其中X 轴的跟踪误差从12μm 提高到1.2μm， 定位时间从100ms 提高到10ms，定位精度从60μm 提高到5μm；Y轴的跟踪误差从13μm 提高到1.5μm，定位时间从105ms提高到11ms，定位精度从50μm 提高到4μm，以上数据达到并满足了设备高频启停情况下高速、高加速度、高精度的定位移动要求。

图4 加工验证的mini LED 巨量倒装转移设备

表1 实验结果对比

5 结论

本文提出了一种基于传统PID 控制模型的改进控制方法， 在控制中加入了重复控制器满足半导体封装器件对高速、高加速、高速精度的运动要求，经过原理分析、公式计算和实际加工验证，得出如下结论：

X 轴的跟踪误差从12μm 提高到1.2μm，定位时间从100ms 提高到10ms，定位精度从60μm 提高到5μm，Y 轴的指标提升也与X 轴相当。

通过加工实验验证，改进后算法能充分满足高速、高加速度、高精度的运动要求，加工效果也能完全满足产品设计要求。