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ISMC技術分享 | 開環力控性能的影響因素

文：ISMC相石科技2024年第五期

　　先進制造場景迫切呼喚一種能夠模擬人類手工細膩與柔性的加工方式，特別是在屏幕精密檢測、按鈕檢測、晶圓高精度檢測、晶圓封裝及傳輸等關鍵環節。在此背景下，伺服系統的力控能力成為了衡量加工柔性與精度的關鍵指標，ISMC將在本文中聚焦于力控技術的深度探討。

　　文/ISMC相石科技

　　隨著智能手機、液晶顯示技術及半導體產業等高科技領域的蓬勃發展，針對那些質地易脆、易碎、極易受損的晶圓和液晶材料進行加工與操作時，傳統剛性自動化設備的局限性日益凸顯。這些先進制造場景迫切呼喚一種能夠模擬人類手工細膩與柔性的加工方式，特別是在屏幕精密檢測、按鈕檢測、晶圓高精度檢測、晶圓封裝及傳輸等關鍵環節。在此背景下，伺服系統的力控能力成為了衡量加工柔性與精度的關鍵指標，ISMC將在本文中聚焦于力控技術的深度探討。

　　1 伺服系統介紹

　　伺服力控技術主要分為全閉環與開環兩大流派。全閉環力控以其卓越的精度著稱，能夠實現誤差控制在10±1g以內甚至更高，這一成就得益于外部精密壓力傳感器的加持，盡管其響應速度略遜一籌，壓力響應時間約為150ms以內，但其長期運行的穩定性無可比擬，有效抑制了伺服系統長期作業下參數漂移的影響。相較之下，開環力控則以更快的響應速度與適中的精度吸引了廣泛關注。它能夠在20±5g的精度范圍內高效運行，壓力響應時間縮短至80ms以內，展現出極高的效率與靈活性。然而，開環力控的性能表現高度依賴于伺服驅動器、電機及機械結構的綜合性能，對這些核心組件的參數精度及其長期一致性提出了更為嚴苛的要求。因此，本期文章將深入剖析這些關鍵參數，揭示它們如何微妙地影響著開環力控的性能表現，為追求極致加工柔性與精度的工程師們提供寶貴的參考與洞見。

　　圖1 伺服系統原理圖

　　伺服系統是一個集位置反饋、速度反饋和電流反饋于一體的三環閉環系統，對于普通的位置和速度控制功能大多數伺服系統都可以滿足，評價位置控制的核心性能是位置精度以及位置響應，評價速度控制的核心性能是速度波動以及速度響應，評價電流控制的核心性能是電流精度和電流響應。伺服系統架構如圖1所示。

　　伺服系統開環力控的數學計算如下：

　　"Tmotor=Iq * Kt "To=Tmotor-Tf"

　　注：

　　l Tmotor是伺服電機扭矩，單位為牛米(N-m);

　　l Iq是伺服電機的解耦后的Q軸電流，單位為安培(A);

　　l Kt是伺服電機的扭矩常數，單位為牛米/安培(N.m/A);

　　l Tf是機械系統的摩擦力，單位為牛米(N-m);

　　l To是伺服系統的輸出扭矩，單位為牛米(N-m)。

　　為了提高伺服系統開環力控的性能，需要保證Iq、Kt、Tf的參數更優，我們基于以上的數學計算來分別講述幾種方案下這些參數的差異和性能影響。

　　Iq是伺服電機的解耦后的Q軸電流，這個電流的精度是開環力控的起點，是開環力控的核心指標，該電流精度影響因素主要是電機相電流的采樣精度和解耦運算。目前交流伺服的電流精度和Kt精度普遍都不高，所以決定了交流伺服系統不適合做力控的場景，并且對于直流伺服系統而言，目前驅動器的精度也有很大差距(圖2)。

　　圖2 不同驅動器品牌精度之比較

　　Kt 是伺服電機的扭矩常數，這個參數是電機的核心性能指標，對于普通伺服電機，一般在規格書標稱的10~20%的范圍波動，并且受到溫度和長期壽命的顯著影響，對于直驅電機該參數性能會顯著提升。Kt 在不同溫度、長期壽命下隨電流變化的線性度，這個是衡量電機的最重要的性能指標之一。Kt常數一般通過maxwell電磁仿真和實際測量后獲得。

　　Tf是機械系統的摩擦力，目前機械系統有伺服電機+凸輪結構和直驅系統兩種方案。對于伺服電機+凸輪結構的機械系統，凸輪的摩擦力Tf的一致性較差，難以滿足高力控的場景需求，只能滿足簡單的力控檢測報警。而對于直驅系統，摩擦力Tf受導軌和材料的影響較大，能夠滿足絕大多數的力控場景需求，Tf是電機一致性的核心性能之一。對于部分極高力控精度需求的場景，可以采用氣浮結構，排除摩擦力的影響。

　　2 ISMC力控方案

　　ISMC力控解決方案示意圖如圖3、圖4所示。