黃銳　王庭有　李應春

摘要： 芯片在封裝過程中可能存在金線斷裂，封裝開裂等內部損傷，通常需要進行內部探傷來檢測其是否合格。由于芯片內部元件以及線路極其精密，因此對檢測系統(tǒng)的驅動定位系統(tǒng)也要求具有極高的精度。文章基于U型直線電機高精度的特點，設計了由U型直線電機驅動的超聲波芯片檢測定位控制系統(tǒng)，通過對由U型直線電機驅動的工作臺硬件以及軟件的設計，達到了芯片檢測的要求。

Abstract： During the process of encapsulation， there may be internal damage， such as broken gold wire and package cracking， etc.， and it is usually necessary to carry out internal testing to check whether it is qualified. As the internal components of the chip and its precision， the detection system of the drive positioning system also requires a very high accuracy. Based on the characteristics of high precision of U type linear motor， this paper designs an ultrasonic chip detecting and positioning control system driven by U type linear motor. The hardware and software of the table driven by U type linear motor are designed to meet the requirements of chip testing.

關鍵詞： U型直線電機；定位系統(tǒng)；控制系統(tǒng)

Key words： U type linear motor；positioning system；control system

中圖分類號：TM359.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）32-0140-02

0 引言

隨著科學技術的發(fā)展，計算機技術已成為現(xiàn)代社會生活和生產中不可分割的一部分，芯片作為計算機技術的核心部件之一，在我們的生活中無處不在，因此對芯片的檢測顯得尤為重要。芯片內部結構精密而復雜，因此對檢測系統(tǒng)的定位精度要求極高。直線電機是一種能夠將電能直接轉換為直線機械能而不需要任何中間轉換裝置的特種電機，因其相較于傳統(tǒng)的旋轉電機，具有高推力、高速度、高精度、平滑進給等優(yōu)良的特性，因此越來越受到各行業(yè)的廣泛青睞。文中以直線電機作為驅動裝置，通過對軟硬件的設計及優(yōu)化，使得檢測系統(tǒng)達到了極高的定位精度。

1 定位系統(tǒng)硬件設計

芯片檢測通常采用超聲波檢測技術，超聲波芯片檢測系統(tǒng)的工作方式如下：芯片以一定速度被送往檢測探頭處，檢測探頭以非接觸的方式與芯片同向，同速運行。同時探頭以一定速度左右橫向運行，對芯片進行檢測。當橫向檢測芯片完成后，檢測探頭迅速回到原位。

根據(jù)檢測系統(tǒng)的工作方式，檢測探頭共需要三個方向的運動，故此系統(tǒng)為XYZ三軸三維定位系統(tǒng)。其中，X軸方向與芯片的傳送方向相同，為保證檢測探頭與傳送裝置的協(xié)調運行以及對檢測頭支撐，采用龍門結構設計，共需兩組相互平行的直線電機。Y軸方向負責檢測探頭的左右橫向運行，需一組直線電機。Z軸方向負責檢測探頭與芯片間距的調整，需一組直線電機。直線電機定位系統(tǒng)結構如圖1所示。

直線電機有多種類型，文中選取U型電機作為驅動電機。U型電機是一種三相交流永磁同步直線電機，因其為無鐵芯結構，故電機不會產生齒槽效應，常用于需要平滑，大加速度的場合[1]。文中選用電機型號為LMMH-0080-135-00。電機檢測反饋裝置是決定直線電機定位精度的關鍵裝置，文中選用英國的RENISHAW公司的RG2系列直線光柵系統(tǒng)作為檢測反饋裝置，具體型號為：直線光柵讀數(shù)頭RGH22及直線光柵RGS20-S。直線導軌是系統(tǒng)的支撐和引導部件，文中選用日本THK公司的HSR15系列直線導軌。伺服驅動器是現(xiàn)代運動控制的重要組成部分，它通過對伺服電機的位置、速度和力矩進行控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位，文中采用美國Copley Controls公司的Xenus XTL-230-40。

2 定位系統(tǒng)軟件設計

文中定位系統(tǒng)共有三個軸四個電機組成，其中每一個軸的控制環(huán)節(jié)大致相似，因此文章僅對其中一個軸進行研究，其單軸控制結構整體框圖如圖2所示。

直線電機伺服控制系統(tǒng)為典型的三環(huán)控制系統(tǒng)，即電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。由于電流環(huán)參數(shù)難以調整，故文章主要對直線電機速度環(huán)和位置環(huán)進行設計。

文章采用矢量控制技術來進行電機控制。矢量控制理論是目前交流電機中運用最為廣泛，最為成熟的控制方法。矢量控制通過控制勵磁磁場和與它垂直的電樞電流來控制電機電磁轉矩，最終實現(xiàn)電機的控制。矢量控制需要精確的數(shù)學模型，通過坐標變換法，可以建立起U型直線電機軸數(shù)學模型。U型直線電機動力學方程為[2]：

位置環(huán)是三環(huán)結構中的外環(huán)，直線電機的位置環(huán)控制精度直接決定了定位控制系統(tǒng)的定位精度。因此位置環(huán)控制需要有足夠的控制精度。文中位置環(huán)采用前饋控制與比例控制相結合的控制方式。

前饋控制原理圖如圖3所示。

可見前饋控制理論誤差為零，可以很好的保證系統(tǒng)的控制精度，同時又兼具快速響應的特性。

速度環(huán)需要較快的響應速度。前饋控制可以把指令直接傳遞給被控制對象大大提高了控制系統(tǒng)的跟蹤指令性能和響應速度，故文章采用帶前饋的偽微分反饋控制器（PDFF）。PDFF控制器兼具了PI控制器響應速度快和IP控制器抗干擾能力強，魯棒性好的優(yōu)點。

由前文位置環(huán)控制器和速度環(huán)控制器可得系統(tǒng)單軸控制框圖如圖4所示。通過MATLAB仿真實驗，系統(tǒng)的定位精度誤差控制在±1×10-4m以內。

3 結束語

文中以U型直線電機為驅動電機，搭建了檢測系統(tǒng)的硬件結構。同時設計了前饋——比例位置控制器和PDFF速度控制器。通過硬件和軟件的設計達到了檢測系統(tǒng)定位精度要求。

參考文獻：

[1]吳育春，王庭有，張華.基于U型直線電動機的應用研究[J].新技術新工藝，2012（7）：66-67.

[2]余鳳豪，呂飛，張松濤，等.永磁同步直線電機的數(shù)學模型分析[J].艦船電子工程，2010，30（9）：120-122.

[3]葉云岳編著.直線電機原理與應用[M].機械工業(yè)出版社，2000.