音圈电机在探头机构中的应用
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１Ｄ 电子工业毫用设备 ・ＩＣ制造设备与工艺・
音圈电机在探头机构中的应用 高慧莹 （中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京东燕郊１０１６０１） 摘 要：描述了在探头机构中，应用恒力矩控制模式对直线电机进行控制，并通过试验分析，得出 驱动器ｓＯ参数、电压和力的关系。 关键词：探头机构；直线电机；恒力矩控制模式 中图分类号：ＴＭ３３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４．４５０７（２００８）１２—００３７—０３
Ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｉｎｅａｒ Ａｃｔｕａｔｏｒ ｉｎ Ｐｒｏｂｅｒ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ＧＡＯ Ｈｕｉｙｉｎｇ （Ｔｈｅ ４５ｔｈ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＣＥＴＣ，Ｅａｓｔ Ｙａｎｊｉａｏ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １ ０ １ ６０ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ Ｖｏｉｃｅ Ｃｏｉｌ Ａｃｔｕａｔｏｒ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｂｅｒ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｏｒｑｕｅ Ｍｏｄｅ （ＱＭ），ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ａｍｏｎｇ ｔｈｅ ＳＱ ｐａｒａｍｅｔｅｒ，ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｆｏｒｃｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｒｏｂｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｒｏｂｅｒ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；Ｖｏｉｃｅ Ｃｏｉｌ Ａｃｔｕａｔｏｒ；Ｔｏｒｑｕｅ Ｍｏｄｅ（ＱＭ）
在半导体专用设备中，很多探测设备都用到探头 机构，随着半导体技术的发展和对半导体器件质量要 求的提高，对探测设备的要求也越来越高，而在测试过 程中对压痕的要求也越来越高。传统的探头控制都是 由步进电机来完成的，为了能在探测过程中达到既能 良好接触，又无明显压痕，我们通过对直线电机不同的 控制方式来达到针尖恒力输出的效果。 １ 音圈电机的工作原理及主要技术指标 １．１工作原理 音圈电机（Ｖｏｉｃｅ Ｃｏｉｌ Ａｃｔｕａｔｏｒ）是一种特殊形式 的直接驱动电机，是动圈式永磁直线直流电动机，是 收稿日期：２００８—１１－１５ 由直线电机演变而来。他的原理和结构与直线电机 完全相同，由主单元和次单元组成，具有结构简单、 体积小、高速、高加速、响应快等特性。近年来，随着 对高速、高精度定位系统性能要求的提高和音圈电 机技术的迅速发展，音圈电机不仅被广泛用在磁盘、 激光唱片定位等精密定位系统中，在许多不同形式 的高加速、高频激励上也得到广泛应用。 音圈电机在工作过程中的输出推力是依据安 培力原理来确定，力的大小取决于： Ｆ＝ｋＢＬＩＮ （１） 其中： 一通电导体在磁场中产生的力
一为常数 磁场强弱 导线在磁场中的长度 ・ＩＣ制造设备与工艺・ 电子工业董用设蚤 － ，一导线中的电流 』、Ｌ一导线的数量
图ｌ 安培力原理图 由式１和图１可知，力的大小是由磁场强弱， 导体长度和数量有关，力的方向是电流方向和磁场 向量决定的。在音圈电机结构形式中，如图２所示， 磁场和导体长度数量为定值，则音圈电机产生的力 是和输入的电流成正比的。在工作过程中，铁磁圆 筒内部是由永久磁铁产生的磁场，铁磁材料的内芯 配置在线圈轴向中心线上，与永久磁体的一端相 连，用来形成磁回路。当给线圈通电时，根据安培力 原理，它受到磁场作用，在线圈和磁体之间产生沿 轴线方向的力，通电线圈两端电压的极性决定力的 方向。
图２ 直线电机结构图 圈支撑 ２．２主要技术指标 在音圈电机的使用过程中，最主要的技术指标 为：所需峰值力（ ）、所需平均连续力（‰）、直线 速度 ）、总行程或移动距离（Ｄ）。 ２．２．１峰值力（ ） 其中所需峰值力 是由载荷力 ，摩擦力 ， 以及质量和加速度引起的力 的总和，即： ＝ ＋ ＋Ｆ （２） 式中：疗～持续作用在电机上的推力 ～由轴承，油脂，联接，面接触等机械配 置决定 ｆ 它由载荷（包括电机线圈）的质量和 负载加速度 决定 ＝ｍｆ ）×Ｏｔ （３） １．２．２平均连续力（Ｆｅｏａｓ）： ‰用来估计应用中的平均连续力．它由下面 公式描述 ＼ （４） 式中：ｔｌ一加速时间； ｔ２一匀速运行时问； ｔ３一减速时间， 一运动过程中的停顿时问 ２．２－３运行速度（ ） ｝ 谁扣屯 叫 如渖斗啭缸一 图３ 音圈电机运动图 运行速度 主要指电机在运行过程中的平均 速度，图３给出了音圈电机在点到点定位运动中 的速度与时问的关系，在运动过程中，主要进行加 速、均速和减速运动。假设加减速的位移为Ｄ／４， 均速运行的位移为Ｄ／２，则在加速度时间ｔ 内的 额定速度为： ，整个行程Ｄ内的平均速度 １ 为： Ｄ １．２．４总行程或移动距离 ） 行程指运行的一端点到另一端点的总位移，或 者以行程中点为参考点的正、负位移，音圈电机的 行程范围从几微米到大约１０２ ｍｍ，力和行程通常 － 电子工业董用设备 ・ＩＣ制造设备与工艺・
成反比。 ２ 探头机构的控制结构及主要部件的选用 在我们设计的探头机构中采用由音圈电机通 过针座驱动探针运动，从而达到测试的目的，其结 构示意见图４。
图４ 探头机构示意图 在带动探针运动过程中，音圈电机直接将电能 转换为直线运动，省掉了传统的机械速度变换机 构，将探针直接与音圈电机的动子相连，消除了机 械速度变换机构所带来的一些不良影响，如摩擦、 机械后冲、弹性变形等。具备了快速性、鲁棒性和实 现简单等特点。 其控制原理为：由工业计算机通过ＲＳ２３２控制 驱动控制器，同时配以相应的Ｉ／Ｏ口控制音圈直线 电机进行上下运动，其控制示意图如图５所示。 图５ 控制示意图 在该探头机构中，我们选用的音圈电机的主要 技术指标为： 行程 ２５ ｍｍ 峰值推力 ９．３ Ｎ 持续推力 ５．９Ｎ 线圈电阻 １２ Ｑ 根据电机的性能和设备运行的实际要求，我们 选用了一款智能驱动控制器，其主要技术指标为： 操作模式：位置、速度、力（力矩） ８输入／８输出ＴＴＬ电平，扩展Ｉ／Ｏ 通讯界面 ＲＳ．２３２ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ 滤波控制程序ＰＩＤ控制 最大伺服速率２００ ｓ 供应电压（ＤＣ） １１～５０ Ｖ 电机操作电压（ＤＣ）１２￣４８ Ｖ 输出电流 ３ Ａｆ最大６Ａ） 输入／输出增益０．６ Ａ／Ｖ ３ 控制过程 在探头机构的控制过程中，主要采用上下层控 制分开的控制模式，下层的控制主要是通过智能化 驱动器完成，其主要内容包括初始化、使能、回零 点、运动、停止、发送信息等。上层的控制主要包括 串口定义、根据动作需要调用底层的运动程序号。 其具体的控制流程如图６所示，其控制过程为：
３．１设置ＲＳ２３２串口的相关参数： 波特率：９ ６００； 数据位：８； 奇偶校验：无； 停止位：ｌ； 数据流控制：Ｘｏｎ／Ｘｏｆｆ
３．２通过上层软件打开串口程序： ｖｏｉｄ ＣＭｙＣｏｍ３ ５２２Ｄｌｇ：：ＯｐｅｎＰｏｒｔ（ｉｎｔ ｎＢａｕｄ，ｉｎｔ ｎＰａｒｉｔｙ，ｉｎｔ ｎＤａｔａＢｉｔｓ，ｉｍ ｎＳｔｏｐＢｉｔｓ） ｛ ｈＰｏｒｔ＝ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ ＣＣＯＭ２”，ＧＥＮＥＲ— ・ＩＣ制造设备与工艺・ 电字工业毫用设备 － 图６ 探头运动控制流程 ＩＣＲＥＡＤ［ＧＥＮＥＲＩＣ＿ＷＲＩＴＥ，
ＩＬＥ＿ＳＨＡＲＥ＿ＲＥＡＤＩＦＩＬＥ—ＳＨＡＲＥ＿ＷＲＩＴＥ，ＮＵＬＬ，
ＯＰＥＮ＿ＥＸＩＳＴＩＮＧ，０，ＮＵＬＬ）；
……．
，
５．３控制电机初始化： 在电机每次运动之前都必须对驱动器初始化， 完成速度、加速度等参数设置，完成ＰＩＤ参数设置， 并完成电机使能、回原点等动作，此控制是在 ＲＳ２３２控制的前提下，利用Ｉ／Ｏ来完成的。 ５．４控制模式的选择 我们选用的直线电机在控制过程中可以采用 位置控制模式（ＰＭ）、速度控制模式（ＶＭ）、力矩控制 模式（ＱＭ）。具体含义为： 位置模式：所谓“位置模式”，是允许致动轴沿 着行程方向使用加速度值，速度值及力量值移动至 目标位置。它可能是绝对式的运动，相对式的运动 或教导式的运动。其优点是可以按照理想的速度， 加速度进行运动到指定的位置，缺点是输出力是固 定的，在高速运行时，力输出较大。 速度模式：所谓“速度模式”，是允许致动轴，以 所给的速度值，加速度值，力量值及方向值来移动。 基本上，它是使用在“软性接触”的过程中，即对接 触压力有严格要求的程序中。 力量（扭力）模式：力量模式，是一种开回路模 式，没有回馈讯号从控制器过来，实际位置仍然可 以监控，但位置输出是没有作用的，其移动位移以 反馈回的力矩为依据，当达到理想力矩时立刻停止 运动。此种运动速度慢，不适合大行程运动。 在我们的控制过程中，为了提高探测效率，减 少运动时间，同时又能达到压力控制要求，采用位 置控制模式、速度模式和力矩模式相结合的控制模 式，在开始从０～１０ Ｉ／ｌｒｎ的运动距离采用位置控制 模式（ＰＭ），在位置控制模式下，设定一定的速度和 加速度，进行运动，其控制语句为： ＳｅｎｄＳｔｒｉｎｇ （”ＡＬ２０００，ＡＲ２，ＡＬ１３１０７２０，ＡＲ３， ＡＬ１ ０４８６，ＡＲ４，ａｌＯ，ａｒ５”）； ＳｅｎｄＳｔｒｉｎｇ（”ＳＱ３２７６７，ＷＡ１０，ＳＶ＠３，ＳＡ＠４，ＰＭ， ＭＲ＠２，ＧＯ”）； 从１０ ｍｍ到被测板之间采用速度、力矩控制 模式（ＶＭ＋ＱＭ），其控制语句为： ＳｅｎｄＳｔｒｉｎｇ（”ＡＬｌ０００，ＡＲ６，ａｌ０，ａｒ５”）； ＳｅｎｄＳｔｒｉｎｇ（”ＶＭ，ＳＶ２００００，ＳＡ１００００，ＳＱ２５００， Ｄ１０，ＧＯ，ＷＡ２”）； ＳｅｎｄＳｔｒｉｎｇ （”ＱＭ，ＭＮ，ＳＱ＠６，ＭＪ４２，ＷＡ＠５， ＲＷ５３０，ＩＥ＠６，ＮＯ，ＲＰ”）； 当探针与被测板良好接触后，测试仪开始测试， 测试完成后，探针将以固定的速度和加速度，以位置 模式（ＰＭ）ｉｇ动到探测前的位置，其控制语句为： ＳｅｎｄＳｔｒｉｎｇ （”ＰＭ，ＳＱ３２７６７，ＳＶ２０００００， ＳＡ１００００，ＭＡ＠９，ＧＯ，ｗＰ＠９，ＷＳ５”）； 在正常测试过程中，电机完成初始化后，先根 据实际被测板的厚度情况，以位置模式（ＰＭ）运动位 移口，一般选择１０ ｍｍ，然后以速度＋力矩模式 ｆＶＭ＋ＱＭ）运动位移６，此位移量是根据实际被测板 时时变化的，当测试完成后，再以位置模式（ＰＭ）运 动位移ｃ，回到ｎ的位置。同一个被测板的其余测试 点的运动就是６一ｃ一６的往复运动，直到完成整个
