一种miniLed倒装巨量转移控制系统与控制方法与流程

本发明属于半导体技术领域，涉及一种miniled倒装巨量转移控制系统与控制方法。

背景技术：

次毫米发光二极管，又称为minled，是指晶体尺寸约在50-200μm的led，其晶粒尺寸和点间距介于传统小间距led和microled之间，鉴于microled的微缩制程、全彩化等关键技术瓶颈和高成本问题，仍使用传统制程、技术实现难度小于microled和结合倒装cob技术的miniled横空出世，具有巨大的发展空间。随着miniled逐步进入量产阶段，miniled的巨量转移设备将对生产效率起着举足轻重的作用。

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，而到达点需要快速到位且具备高精度，才能达到巨量转移要求。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点到点的直线运动，由于传动机构的存在，使得平台的刚性下降，往复运行频率很低，一般只有5线/秒。为了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封装设备中，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miniled封装装备其性能已不仅取决于设备的本身，同时取决于设备的控制系统，正因为系统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，对运动控制的要求提出了更高要求。因此，在直线驱动系统基础上如何更有效解决在抵除干扰基础上实现高速高加速且高效高精度的控制，将是miniled倒装转移系统控制的主要难题。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的问题，本发明公布了一种miniled倒装巨量转移控制系统与控制方法，有效实现miniled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，极大提高设备的生产效率和可靠性；

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：提供一种miniled倒装巨量转移控制方法，用于控制直线电机组的运动定位控制，包括如下步骤：

s100.首先控制器中驱动控制单元依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获得单个直线电机的数学模型gm；

s200.根据直线电机的数学模型以及直线电机的控制系统框图，控制器获得直线电机中采用pi控制方式的电流环传递函数；

s300.根据获得的电流环传递函数，控制器获得直线电机中采用pi控制方式的速度环传递函数；

s400.根据获得的电流环传递函数以及速度环传递函数，控制器获得直线电机中采用p控制方式的位置环传递函数；

s500.根据位置环传递函数获得控制器进行级联控制方式的传递函数，利用重复控制算法对控制器进行改进，获得改进后控制器的传递函数；

s600.利用改进后控制器对直线电机组进行运动定位控制。

进一步的，所述s100步骤中获得直线电机的平台数学模型的方法为根据直线电机的电压方程、电磁推力方程和机械运动方程进行推导，获得直线电机的数学模型gm：

其中，l是直线电机电枢电感,r是直线电机电枢电阻，kf是直线电机力常数，m是直线电机移动质量，b是粘滞摩擦系数。

进一步的，所述s200步骤中电流环传递函数的具体计算方法为：

其中，kip为电流环控制的比例系数，kii为积分系数，l是直线电机电枢电感,r是直线电机电枢电阻，m是直线电机移动质量。

进一步的，所述s300步骤中速度环传递函数的具体计算方法为：

其中，b2＝kfkvpkip，

b1＝kf(kvikip+kvpkii)，

b0＝kfkvikii，

a4＝ml，

a3＝mr+bl+mkip，

a2＝br+mkii+bkip+kf(ke+kvpkip)，

a1＝bkii+kf(kipkvi+kvpkii)，

a0＝kfkvikii，

且kvp为速度环控制的比例系数，kvi为积分系数，kip为电流环控制的比例系数，kii为积分系数，l是直线电机电枢电感，m是直线电机移动质量，b是粘滞摩擦系数。

进一步的，所述s400步骤中位置环传递函数的具体计算方法为：

其中，kpp为位置环控制的比例系数，且

d2＝kppb2，

d1＝kppb1，

d0＝kppb0，

c5＝a4，

c4＝a3，

c3＝a2，

c2＝a1+kppb2，

c1＝a0+kppb1，

c0＝kppb0。

进一步的，所述s500步骤中利用重复控制算法改进控制器的具体方法为：

s501.在控制器中级联控制系统的输入信号前设置重复控制算法，所述重复控制算法产生周期信号，该重复控制算法的基本模型为

s502.对重复控制算法的基本模型进行改进：在延时环节前加入低通滤波器q(s)改善控制系统的稳定性，并加入前馈α(s)克服添加低通滤波器q(s)带来的跟踪性能衰减以及促使重复控制算法在第一周期产生信号输出低通滤波器q(s)采用一阶低通滤波器，该一阶低通滤波器的基本传递函数为：

其中，ωc为一阶低通滤波器的截止角频率；

s503.在控制器与重复控制算法之间加入前置补偿器c(s)，用于保证控制系统的稳定性，前置补偿器c(s)的采用二阶振荡环节，该前置补偿器的基本传递函数为：

其中，ξ为阻尼比，且0<ξ<1，ωn为环节的无阻尼自然频率；

s504.基于步骤s501至s503对重复控制算法进行改进后，获得改进后的控制器，且改进后的控制器的控制系统传递函数为：

其中，式中的ox(s)和r(s)分别为输出ox(t)和输入r(t)的laplace变换，e＝q(s)·e^-ls。

此外本发明还提供了一种miniled倒装巨量转移控制装置，包括上位机模块、驱控一体控制器以及直线电机组件，所述上位机模块与驱控一体控制器保持通信连接，所述驱控一体控制器通过信号电缆连接所述直线电机组件，所述驱控一体控制器通过模拟量电压信号控制所述直线电机组件。

所述驱控一体控制器包括运动控制单元和驱动控制单元，所述运动控制单元与上位机模块保持通信连接，所述驱动控制单元与直线电机组件保持通信连接，所述运动控制单元用于接收上位机模块的交互数据且规划直线电机组件的运动速度规划和对直线电机组件运动进行插补计算；所述驱动控制单元用于接收所述运动控制单元的插补数据，并通过控制策略对直线电机组件进行信号输出控制；

所述驱控一体控制器的运动控制单元包括有第一参数管理模块、第一状态管理模块和插补器模块，所述第一参数管理模块用于对运动控制单元的运行参数进行管理，所述第一状态管理模块用于对运动控制单元的运行状态进行管理；所述插补器模块用于运动控制单元对直线电机组件的速度进行规划以及周期性计算直线电机组件的插补数据；

所述驱动一体控制器的驱动控制单元包括有第二参数管理模块、第二状态管理模块和电机控制模块，所述第二参数管理模块用于对驱动控制单元的运行参数进行管理，所述第二状态管理模块用于对驱动控制单元的运行状态进行管理，所述电机控制模块用于接收插补器模块传输数据并直接控制直线电机组件运动，所述电机控制模块中设有电流环、速度环和位置环，且所述电流环、速度环和位置环采用级联结构。

进一步的，所述直线电机组件包括第一直线电机组和第二直线电机组，所述第一直线电机组用于上层刺晶工作头机构的运动定位，所述第一直线电机组包括第一x向直线电机、第一y向直线电机和第一z向直线电机；所述第二电机组用于下层miniled托板机构的运动定位，所述第二直线电机组包括第二x向直线电机、第二y向直线电机和第二z向直线电机。

进一步的，所述上位机模块用于产生参数信息和操控信息，并通过以太网传输至驱控一体控制器中，并且所述上位机模块从驱控一体控制器中获取系统加工状态并显示。

本发明同现有技术相比，具有如下优点：

本发明中的控制系统基于驱控一体控制器作为核心控制单元，结合高速度、高精度位置定位的上下两层直线电机，该控制系统通过利用重复控制算法对控制器进行改进，并应用于直线电机级联控制结构的位置环中，其中重复控制器应用于负载惯量和有规律干扰的补偿，p控制器应用于随机干扰的快速抑制，在实际控制应用中可有效得到本系统较优的电流环比例系数和积分系数、速度环比例系数和积分系数、位置环比例系数，进而得到系统定位轴较优的跟踪误差、定位精度和定位速度，满足本miniled倒装转移控制系统高速高精运动定位要求，有效实现miniled倒装转移系统控制的高速度、高精度运动要求，确保定位精度和定位速度达到最佳性能。

附图说明

图1是本发明实施例中一种miniled倒装巨量转移控制系统的框架结构图；

图2是本发明实施例中用于miniled倒装巨量转移的设备结构图；

图3是现有技术中一种电机系统的基本级联控制系统结构图；

图4是本发明实施例中一种改进后重复控制的级联控制系统结构图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：

结合图1-2所示，本实施例中提供了一种miniled倒装巨量转移控制装置，包括上位机模块1、驱控一体控制器2以及直线电机组件5，所述上位机模块1与驱控一体控制器2保持通信连接，所述驱控一体控制器2通过信号电缆连接所述直线电机组件5，所述驱控一体控制器2通过模拟量电压信号控制所述直线电机组件5。

具体的，所述上位机模块用于产生参数信息和操控信息，并通过以太网传输至驱控一体控制器中，并且所述上位机模块从驱控一体控制器中获取系统加工状态并显示。

具体的，所述驱控一体控制器2包括运动控制单元3和驱动控制单元4，所述运动控制单元3与上位机模块1保持通信连接，所述驱动控制单元4与直线电机组件5保持通信连接，所述运动控制单元3用于接收上位机模块1的交互数据以及用于直线电机组件5的运动速度规划与对直线电机组件5运动进行插补计算；所述驱动控制单元4用于接收所述运动控制单元3的插补数据，并通过控制策略对直线电机组件5进行信号输出控制；

更详细的是，所述驱控一体控制器2的运动控制单元3包括有第一参数管理模块31、第一状态管理模块32和插补器模块33，所述第一参数管理模块31用于对运动控制单元3的运行参数进行管理，所述第一状态管理模块32用于对运动控制单元3的运行状态进行管理；所述插补器模块33用于运动控制单元3对直线电机组件5的速度进行规划以及周期性计算直线电机组件5的插补数据；须注意的是，插补是指数据密化的过程，本实施例中的插补计算是指直线电机所控制的执行机构运动坐标运用一定的算法计算，根据计算结果向相应的坐标发出进给指令，从而精确控制执行机构的运动路径。

所述驱动一体控制器2的驱动控制单元4包括有第二参数管理模块41、第二状态管理模块42和电机控制模块43，所述第二参数管理模块41用于对驱动控制单元4的运行参数进行管理，所述第二状态管理模块42用于对驱动控制单元4的运行状态进行管理，所述电机控制模块43用于接收插补器模块33传输数据并直接控制直线电机组件5运动，所述电机控制模块43中设有电流环、速度环和位置环，且所述电流环、速度环和位置环采用级联结构，如图3所示。

具体的，本实施例中的直线电机组件5包括第一直线电机组和第二直线电机组，所述第一直线电机组包括第一x向直线电机51、第一y向直线电机52和第一z向直线电机53，上述电机共同控制上层刺晶工作头机构的运动定位；所述第二直线电机组包括第二x向直线电机54、第二y向直线电机55和第二z向直线电机56，上述电机组共同控制下层miniled托板机构的运动定位。

此外本实施例中还提供一种miniled倒装巨量转移控制方法，用于控制直线电机组的运动定位控制，包括如下步骤：

s100.首先控制器中驱动控制单元依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获得单个直线电机的数学模型gm：

其中，l是直线电机电枢电感,r是直线电机电枢电阻，kf是直线电机力常数，m是直线电机移动质量，b是粘滞摩擦系数。

数学模型是指利用字母、数字和其他数学符号构成的等式或不等式，或者用图表、图像、框图、数理逻辑等来描述系统的特征及其内部联系或与外界联系的模型，本实施例中采用方框图表示电机控制过程的逻辑关系，具体的将电机系统的控制关系由多个典型环节组成。

本实施例中直线电机的数学模型中包括有电流环、速度环和位置环控制系统，且电流环和速度环采用pi(比列-积分控制)控制方式，pi控制是根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，其作用是改善控制系统的稳态性能。位置环采用p(比列控制)控制方式，p控制是一种简单的控制方式，输入信号成比例地反应输出信号，从而对被控对象进行控制，其作用是调整系统的开环增益，提高系统的稳态精度，降低系统的惰性，加快响应速度。

s200.根据直线电机的数学模型以及直线电机的控制系统框图，如图3所示，控制器获得直线电机中采用pi控制方式的电流环传递函数，其具体计算方法为：

其中，kip为电流环控制的比例系数，kii为积分系数，l是直线电机电枢电感,r是直线电机电枢电阻，m是直线电机移动质量。

s300.根据获得的电流环传递函数，控制器获得直线电机中采用pi控制方式的速度环传递函数，其具体计算方法为：

其中，kvp为速度环控制的比例系数，kvi为积分系数；且

b2＝kfkvpkip，

b1＝kf(kvikip+kvpkii)，

b0＝kfkvikii，

a4＝ml，

a3＝mr+bl+mkip，

a2＝br+mkii+bkip+kf(ke+kvpkip)，

a1＝bkii+kf(kipkvi+kvpkii)，

a0＝kfkvikii。

s400.根据获得的电流环传递函数以及速度环传递函数，控制器获得直线电机中采用p控制方式的位置环传递函数，其具体计算方法为：

其中，kpp为位置环控制的比例系数，且

d2＝kppb2，

d1＝kppb1，

d0＝kppb0，

c5＝a4，

c4＝a3，

c3＝a2，

c2＝a1+kppb2，

c1＝a0+kppb1，

c0＝kppb0。

s500.根据位置环传递函数获得控制器进行级联控制方式的传递函数，利用重复控制算法对控制器进行改进，获得改进后控制器的传递函数，其具体步骤为：

s501.在控制器中级联控制系统的输入信号前设置重复控制算法，所述重复控制算法产生周期信号，该重复控制算法的基本模型为其作用是用于对外部周期t的任意参考信号实现渐进跟踪；

s502.对重复控制算法的基本模型进行改进：在延时环节前加入低通滤波器q(s)改善控制系统的稳定性，并加入前馈α(s)克服添加低通滤波器q(s)带来的跟踪性能衰减以及促使重复控制算法在第一周期产生信号输出；在本实施例中根据控制系统性能需求和直线电机性能参数，前馈α(s)通常取值为1，低通滤波器q(s)采用一阶低通滤波器，具体取值为

s503.在控制器与重复控制算法之间加入前置补偿器c(s)，用于保证控制系统的稳定性，前置补偿器的结构采用二阶振荡环节，该二阶振荡环节的具体表达式根据直线电机参数并经过试验后取值为

s504.基于步骤s501至s503对重复控制算法进行改进后，获得改进后的控制器，且改进后的控制器的控制系统传递函数为：

其中，式中的ox(s)和r(s)分别为输出ox(t)和输入r(t)的laplace变换，e＝q(s)·e^-ls。

s600.利用改进后控制器对直线电机组进行运动定位控制。

基于上述步骤，即得到了控制器中各电机的级联控制的传递函数，本传递函数直观表达了采用重复控制算法的控制器中控制系统进行伺服控制时输入信号与输出信号的传递关系，在实际控制应用中可有效得到本系统较优的电流环比例系数和积分系数、速度环比例系数和积分系数、位置环比例系数，进而得到电机以及执行机构较优的跟踪误差、定位精度和定位速度，满足本miniled倒装转移控制系统高速度、高精度的运动定位要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。