RFID标签封装装备控制系统设计与实现
华中科技大学
硕士学位论文
RFID标签封装装备控制系统设计与实现
姓名：金望明
申请学位级别：硕士
专业：机械制造及其自动化
指导教师：尹周平
20070128
摘要
射频识别（RFID）技术是近些年得到快速发展的一种自动识别技术。使用RFID 技术生产的电子标签具有存储容量大、使用寿命长、抗干扰能力强、使用距离远、智能化程度高等优点，在物体跟踪、制造过程控制、供应链管理、零售系统、自动付费系统等领域具有广阔的应用前景。本文针对RFID标签封装设备的工艺流程和机械结构，讨论了设备中控制系统的设计与工程实现。
首先介绍了RFID标签封装设备研发的背景和意义，阐述了目前运动控制技术的发展和应用概况，分析了设备控制系统功能和特点，提出了几种可行的控制方案，进行了硬件选型；在此基础上，结合设备各个模块的具体工艺要求，对系统执行机构的控制方式进行了设计；依据所选用控制卡和伺服电机，对装备强电电路、控制电路和保护电路进行了详细设计；对设备人机交互方式进行了分析，针对装备体积大、模块多、操作复杂的特点，提出“多触摸屏＋工控机”的人机交互方式，并通过串口编程实现触摸屏的辅助界面功能。
针对装备的工艺特点，详细介绍了伺服控制系统的组成，分析了常用位置控制算法，阐述了PMAC控制器的控制算法和一般的整定步骤；针对贴装平台，采用了一种双反馈的控制策略，通过仿真和试验证明，这种策略在保证装备控制精度的同时，有效的提高了系统的稳定性；对装备中点胶平台和贴装平台进行了数学建模，通过仿真分析和实际整定结果，得出装备的控制性能，并详细分析了系统中各种机械参数对控制性能的影响。
最后对控制系统下位机程序开发环境进行了介绍，并结合系统中的回零程序和急停处理程序阐述了下位机程序的开发过程；针对系统多控制卡的特点，提出了利用控制卡中断功能来实现多卡之间的协调，提高了系统的效率。
关键词：射频识别运动控制 PMAC 人机界面位置控制双反馈中断
Abstract
Radio frequency identification is a kind of automatic identification technology which has developed quickly in the recent years. RFID tag has many advantages, such as large data memory, long life time, strong tolerance of environment and long access distance, which can be used in many different areas, such as asset tracking, manufacturing, supply chain management, retailing, payment systems, security and access control. This thesis mainly discusses the design and implement of the control system based on the structure and process of the RFID tag package equipment.
At first, the background and significance of RFID tag package equipment are introduced, the development and application of motion control technology are illuminated, the function and character of the control system of the equipment are analyzed, three doable control schemes are proposed, and the hardware is selected. Combined with each module, the control pattern of each motor is designed, the electric circuitry is planned, the human-machine interface is analyzed, the touch-screen is applied to the control system, and the function is implemented by serial-port program.
Based on the equipment, the structure of servo-control system is introduced, the position control arithmetic is analyzed, the controller and tuning approach of PMAC are described; aimed at the bonding platform, a dual-feedback control system is designed, experiment and simulation prove that this controller can both improve the stability and guarantee the position precision of the system; the mathematics module of the dispensing platform and bonding platform are constructed, the control performance of the system is got by simulation and experiment, the affection caused by mechanical factors is detailedly analyzed.
Finally, the development environment of the controller is introduced, the home program and emergency-stop program are designed; the interrupt-based method for the harmony of multi-controllers is proposed which improves the efficiency of the system.
Keywords: Radio Frequency Identification; Motion Control; Programmable Multi-Axis Controller; Human-machine Interface; Position Control; Dual Feedback;
Interrupt
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：
日期：年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
保密□，在年解密后适用本授权书。
本论文属于
不保密□。
（请在以上方框内打“√”）
学位论文作者签名：指导教师签名：
日期：年月日日期：年月日
1绪论
1.1课题来源
本课题得到以下项目的联合资助：
z国家重点基础研究发展计划（973）项目子课题“电子制造中的混合约束数字建模与产品缺陷诊断机理”，批准号：2003CB716207；
z科技部863计划先进制造技术领域重大项目“RFID标签封装设备开发与生产”，批准号：2006AA04A110；
z国家杰出青年基金项目“数控技术与数字制造”，批准号：50625516。
1.2课题背景
RFID（Radio Frequency Identification）技术是一种非接触式自动识别技术，可以通过射频信号自动识别目标对象，获取其相关的数据。这项技术无需人工接触、无需光学可视、无需人工干预即可完成信息输入和处理，操作快捷方便。RFID应用系统通常包含电子标签和读写器两部分，电子标签是射频识别系统的数据载体，读写器通过天线与RFID电子标签进行无线通信，实现对标签识别码和内存数据的读写。相对于传统的条形码技术，电子标签具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离远、数据可加密、存储数据容量大、存储信息更改自如等优点[1,2,3]。长远来看，RFID技术对当今社会的影响绝不次于互联网带给世界的影响，它可以与票据（上海的世博会以及北京奥运会门票）、钱币、银行单据、重要文件、个人身份等结合形成为庞大的电子体系，而在近期最有希望的是在零售、物流等领域的货物识别标签（如集装箱物流、超市货物）上大规模使用RFID技术。据市场研究公司International Data 预测，到2008年，用于在零售供应链中跟踪货物的电子标签技术市场规模将发展到接近13亿美元。世界上的所有货物如果都通过此技术联系在一起，而且可以互相“对话”，将组成一个“物联网”。
在RFID标签封装设备的研制方面，目前能够提供商用产品的一般都为外国的大型半导体设备生产商，如德国纽堡、日本Toray、奥地利Datacon和法国自动化等。RFID 标签制造设备最重要的性能指标是每小时生产的合格标签个数（Unit Per Hour，简称UPH），国外公司设备的普遍水平在每小时5000～8000UPH，例如德国纽堡公司1996年投产的型号为TAL4000和TAL8000的装备生产速度分别为4000UPH和8000UPH，其于2004年投产的型号为TAL5000和TAL10000的装备生产速度则高达5000UPH和10000UPH。另外还有一些专门从事RFID制造工艺研究的公司提出了其他一些新颖的
封装方法，例如美国的Matrics公司提出了一种PICA(Parallel Integrated Chip Assembly)的贴装工艺，他们的固化设备是采用压头阵列和UV固化各向异性导电胶的方法来提高产量，其理论的生产能力能达到1,200,000~30,000,000UPH。Alien公司开发出一种流体自装配（FSA）技术，并应用于其自有品牌的RFID标签的生产制造[4]。
近来国内有很多厂商和研究机构都开始了对此类设备的研发，但是还没有能够提供整套设备的公司。相对于国外的公司，国内的研究在技术、经验、资金和人员上都处于十分落后的地位。研制具有自主知识产权的RFID标签封装设备，打破国外公司对此类技术的垄断，对我国具有重大经济意义和社会意义。
1.3课题目的及意义
基于我国RFID标签封装装备现状，华中科技大学机械学院长期致力于RFID工艺和装备的研究，并与深圳市惠田实业有限公司联合开发国内第一台RFID电子标签制作设备。本课题的主要研究内容装备中控制系统的设计和实现。
RFID标签封装装备属于典型机电一体化产品。在开发过程中，装备主要分为三个系统，分别为机械系统、控制系统和软件系统，其相互关系如图1.1所示。
图1.1 装备系统关系框图
从图中可以看出，控制系统是整个装备的核心，它既要指挥协调机械系统完成各种特定工艺动作，也为软件系统提供开发接口。同时，基于装备运动机构多、逻辑关系复杂、对运动速度和精度要求高的特点，控制系统的开发也是装备开发中的难点。控制系统的性能和可靠性将直接影响到整台装备的性能，而其成本也将会影响到装备的成本以及产业化问题。本课题将基于装备的工艺要求和机械系统，在充分调研国内外同类设备的基础上，设计一套控制系统。该系统将从成本、性能和开发工作量等多方面综合考虑，力求降低装备开发成本，提高装备可靠性，缩短开发周期，为装备的产业化打下基础。
1.4国内外研究现状
1.4.1半导体封装设备控制系统现状
目前，在工业控制领域广泛应用的控制系统包括DCS系统、PLC系统以及IPC系统，DCS系统主要用于对工业过程中的各种变量（压力、温度、流量等）进行回路控制，在一些大型生产线上（化工、钢铁等）得到广泛应用；PLC主要用于逻辑控制，应用十分广泛，包括设备，小型装配线和大型工厂；IPC利用软件来实现PLC功能，
使用更为灵活，不足之处在于可靠性不高。随着计算机技术的发展，这三种控制器出现了很大程度的交叉和重复。
针对半导体封装装备，从过去十年的发展来看，由于消费产品体积不断缩小，芯片及其封装尺寸也逐渐缩小，但是其功能却越来越多；随着I/O数量的不断增加，芯片引脚的间距和焊球的直径一直在减小，对装备也提出了越来越高的要求，体现在高精度、高加速度、超微细、高可靠性等方面[5,6]。从其工艺要求来看，控制系统为运动控制系统，即对装备执行机构的位置、速度、加速度、力矩或力等物理量实现精确控制。
传统的运动控制方案主要有单片机系统、运动控制PLC和专用控制系统。前两种系统主要适用于运动过程简单、运动轨迹固定的设备；专用的数控系统主要适用于产品档次较高的数控设备，而且开放性和扩展性差[7,8]。从90 年代开始，DSP 芯片技术得到高速发展，出现了一批高性能低成本DSP，如Taxes Instruments 的TMS320C32，Analog Devices 推出的ADSP-21061 SHARC，以及Motorola 推出的DSP5000 系列，这些DSP 的重要特性是它们的兼容性好及运算速度快，使2~32 轴的运动控制系统能够浓缩在一块插在PC 机ISA/PCI的控制卡上，每个伺服轴的更新速率可以高达20μs。同时，随着工业PC 机的快速发展，可靠性大为提高，以工业PC 机为核心的控制系统已经被工业控制领域所接受。如果将DSP和PC 机相结合，可充分利用现有的Windows操作环境和资源等，进一步降低系统的成本，提高系统的性能，也实现了控制器结构的开放性[9]。这种方案也是21 世纪运动控制技术的发展主流。
采用IPC+DSP作为运动控制系统的硬件结构，不仅具有信息处理能力强、开放程度高等特点，而且它运动控制轨迹精度高、通用性好，很大程度上提高了运动控制系统的精度和柔性应付市场需求的能力，美国将其称为新一代的工业控制器，日本称其将带来第三次工业革命，并预测其应用将和现在的PLC一样普遍。与传统数控装置相比，该运动控制器技术更新，功能更加强大，并具有结构形式模块化、操作简单等特点[10]。
1.4.2运动控制理论的研究现状
随着运动控制系统的应用领域深入到微电子封装与组装、高速精密加工、柔性制造系统等方面，人们对运动控制系统性能指标提出越来越高的要求，目前在IC后封装制造过程中，一般要求设备达到定位精度2～5μm，空间运动精度40μm，加速度大于
5g，生产节拍每秒钟大于10次。同时，由于DSP 迅速的发展，处理速度越来越快，性能也越来越好，而价格却越来越便宜。在这种背景下，一些先进的控制策略越来越多的应用在运动控制系统中。
动态响应的快速性、稳态跟踪的高精度以及行为的鲁棒性是运动控制系统追求的主要性能指标。影响系统性能的主要原因是摩擦力、转矩变化、动态干扰以及模型的不确定。单纯的反馈控制已不能满足高速高精度的控制要求；为了提高系统性能，尤其是跟踪精度，反馈控制往往与其他方法，如引入前馈、摩擦补偿、扰动观测等一种或几种相结合，以提高系统性能[11,12]。
Masory提出速度前馈控制以改善追踪误差[13]，因其对控制器的修改很少，对整个系统而言，并不影响其特征方程式，仅相当于加入一个零点，由于相位的前移而使系统的带宽变大，且可使跟踪误差减低，以补偿参数不一所造成的影响。目前，PID+速度/加速度前馈控制已被工业界广泛采用。
Tomizuka以极点、零点与相位消去为基础，提出零相位误差跟踪控制 (Zero Phase Error Tracking Control, ZPETC) [14]。ZPETC的实质是在闭环系统之外的一个前馈控制器，将闭环系统的极点配置为前馈控制器的零点，将闭环系统的可消除零点配置为前馈控制器的极点；而对于不可直接消除的零点，采用相位消去的方法处理，达到提高系统控制精度的目的。但由于这种方法基于零极点对消，所以不能很好的适应模型误差和负载参数的变化。针对这一缺点，Tsao提出了自适应零相位误差跟踪控制[15]，使得在负载参数不确知和不断变化的情况下，系统仍然具备很好得跟踪能力。
滞后是工业过程中固有的特性，是存在于物理系统中的最难控制的动态环节。时滞较大时，将导致较大的超调量和较长的调节时间，甚至出现错误的控制，严重影响生产过程的控制品质。对于时延系统，最流行的方法是Smith预估计控制器，但该方法对模型精度比较敏感。预测控制的出现为解决大延迟系统控制的难题开辟了一条新的途径[16]。
运动控制系统往往要求具有较强的鲁棒性，对于系统参数的变化和干扰不敏感。有些干扰信号的周期是固定的，如重复命令信号、电源频率的干扰信号等。对于此类具有周期性的干扰信号，可以采用重复控制[17]。重复控制被认为是一种简单的学习控制，因为控制输入是利用前一周期的误差信号来进行计算的。渐近跟踪的高性能特性可以通过在闭环系统中实施一个周期为L的信号发生器而获得.任意一个以L为周期的周期函数，可由一个具有相同周期的延时因子e-Ls的单元重复产生，将此单元放入闭环系统中，就构成简单的重复控制系统。因为此系统中具有一个延迟因子e-Ls，它的开环传递函数在虚轴上含有无数个极点。所以系统对任何阶输入或干扰的系统误差是渐近趋于零，具有很强的鲁棒性。重复控制是一个鲁棒型控制器，在跟踪重复参考量的伺服系统中，具有很好的跟踪信号能力以及抗系统参数变化和不确定干扰的鲁棒性。
滑模控制是对不定性非线性动力系统进行控制的一种方法。系统中的控制器是由
若干个不同的子控制器组成，它们的参数或结构不同，系统在工作过程中，根据某种规则在这些控制器之间进行切换，以改善系统动态性能。滑模控制对系统的参数变化和不确定扰动有较强的鲁棒性，并具有降阶解耦，响应速度快，动态性能好和实现容易等优点[18]。
由于缺乏鲁棒性，传统的自适应控制系统在实际应用中遇到了很大困难；而单纯的鲁棒控制在提高系统鲁棒性的同时牺牲了系统的动态性能。为解决参数不确定性和非线性模型的不确定性问题，Yao提出了新的运动控制方法，即自适应鲁棒控制(Adaptive Robust Control, ARC) [19]。该方法综合了自适应控制和确定性鲁棒控制的设计方法，扬长避短，保留了二者的优点而又克服了确定性鲁棒控制不能保证暂态性能自适应控制鲁棒性差的缺点。通过适当的控制器结构设置，可以保证鲁棒控制既有良好的暂态性能又有较好的跟踪精度。在自适应控制中通过参数学习可以达到渐进跟踪，而不需要利用非连续控制律或高增益反馈的办法。
自适应鲁棒控制的内容十分丰富，主要有四种类型：直接自适应鲁棒控制(DARC)，期望补偿自适应鲁棒控制(DCARC)，间接自适应鲁棒控制(IDARC)，直接/间接混合自适应鲁棒控制(DI-ARC)[20]。基于自适应鲁棒控制的神经网络控制，扰动观测控制也得到了应用。
运动控制系统的执行机构往往通过减速装置和耦合装置与机械系统相连接，在工作过程中会存在静摩擦力、动摩擦力、粘性摩擦力及执行机构饱和等非线性特性。通常有三种非线性摩擦补偿方法：指数型非线性函数补偿法[21]，神经网络补偿法[22]和模糊逻辑补偿法[23]。对于系统的扰动和不确定性，还可以通过扰动观测器来提高控制系统的鲁棒性。扰动观测器不局限于连续扰动，而且抑制扰动的带宽也易于调整。但是由于它是基于线性系统理论设计的，因而不能有效地抑制不连续扰动。
此外，模糊逻辑控制(Fuzzy Logic Control)也是一种有效的控制方法，该方法不依赖于被控对象的数学模型，仅根据专家和操作人员的经验知识和推理，来获得模糊控制规则，经模糊化、模糊推理和去模糊三个处理过程，设计出模糊控制系统。用模糊控制来解决电机中非线性问题有其独特的优越性。
1.4.3人机界面研究现状
人机界面是指用户和机器互相传递信息的媒介，包括信息的输入和输出。人机界面可以分为狭义界面和广义界面。狭义的人机界面是指计算机系统中的人机界面，同时又称为软界面，是人和计算机之间交流信息的界面。人机界面的设计直接关系到人机关系的和谐和人在工作中的主题地位，它是计算机科学中最年轻的分之科学。它是计算机科学和认知心理学两大学科结合的产物，吸收了社会学、语言学、工业设计、
人机工程学等科研成果，是一门交叉性和综合性学科[24]。
人机界面的风格，是指计算机系统的用户界面上控制输入的方法，大致经过了如下四代的演变。
命令语言：在图形显示、鼠标、高速工作站等技术出现之前，现实可行的界面方式只能是命令和询问方式，通信完全以正文形式并通过用户命令和用户对系统询问的响应来完成。这种方式使用灵活，便于用户发挥其创造性，对熟练的用户有很高的工作效率，但对一般用户说要求高，易出错，不友善并难于学习，它的错误处理能力也较弱。
菜单选项：这种方式与命令行方式相比不易出错，可以大大缩短用户的培训时间，减少用户的击键次数，可以使用对话管理工具，错误处理能力有了显著提高。但使用起来仍然乏味，可能出现菜单层次过多及菜单选项复杂的情形，必须逐级进行选择，不能一步到位，导致交互速度显得太慢。
面向窗口的点选界面：此类界面亦称WIMP界面，即窗口(Windows)、图标(Icons)、菜单(Menus)、指示器(Pointing Device)四位一体，形成桌面(Desktop)。这种方式能同时显示不同种类的信息，使用户可在几个工作环境中切换而不丢失几个工作之间的联系，用户可通过下拉式菜单方便执行控制型和对话型任务，引入图标、按钮和滚动杆技术，大大减少键盘输入，对不精于打字的用户无疑提高了交互效率。
自然语言：使用自然语言与应用软件进行通信。具体的说，是把第三代界面技术与超文本、多任务概念结合起来，使用户可同时执行多个任务(以用户的观点)。随着文字、图形、语音的识别与输术技术的进一步发展，多媒体技术在人机界面开发领域内的进一步发展，自然语言风格的人机界面将得以迅速的发展，最终走向实用化[25]。
本课题所研究的人机界面，主要是指用于机电产品工业控制的界面，属于狭义的人机界面。具体来说，是一种工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人机交互的数字设备。1.5本文主要研究内容
本文所进行的主要工作是设计一套基于RFID标签封装装备的控制系统。作为整套装备的一个重要组成部分，控制系统不但要求能够对所有机械执行机构进行驱动和控制，还需要为软件系统提供良好的开发接口。本文的主要内容如下：
第一章介绍了RFID标签封装设备研发的背景和意义，阐述了目前RFID装备控制系统的主要形式、运动控制理论的发展状况以及人机界面的发展概况。
第二章介绍了装备的机械结构和工艺流程，详细分析装备控制系统需求；结合运动控制系统常用结构，提出了设备的控制方案；并在此基础上，对控制系统进行了硬
件设计和选型。
第三章依据各个模块的具体要求，对各种执行机构的控制方式进行了设计；结合所选控制卡和伺服电机，对控制电路进行了详细设计；针对装备的结构形式，进行了抗电磁干扰设计，最后对系统的人机交互界面进行了分析和设计。
第四章介绍了伺服控制系统的组成，对常用位置控制算法进行了分析，并阐述了PMAC控制器的控制算法和一般的整定步骤；针对贴装平台，提出了一种双反馈的控制算法，通过仿真和试验证明，这种算法在保证装备控制精度的同时，有效提高了系统的稳定性。
第五章对装备中关键运动平台进行了数学建模，通过仿真和试验整定，得出了系统控制性能，并详细分析了系统种机械装置参数对控制性能的影响。
第六章介绍了系统的软件结构和PMAC运动控制卡的程序开发环境，并具体结合了系统中的回零和急停程序对运动控制程序和基于控制卡的软PLC程序进行了详细讲解，最后提出了采用中断的方式进行系统中多运动控制卡协调。
第七章对全文进行了总结，对当前RFID装备控制系统的不足进行了分析，并对运动控制技术的发展做出了展望。
华中科技大学硕士学位论文
2控制系统方案设计
2.1引言
从RFID标签制作工艺流程来看， RFID标签封装装备属于复杂机电系统，运动机构多，逻辑关系复杂，同时对运动速度和精度有很高的要求。它要完成的各种任务都是根据特定的工艺要求在系统软件的统一指挥下由控制系统协调完成的。因此，控制系统是整个装备的核心。
本章首先介绍了RFID标签制备工艺和装备结构和运动控制系统的组成，在此基础上对装备控制需求进行了分析，提出了控制系统的总体方案；详细介绍了目前运动控制领域广泛应用的PMAC运动控制卡，并依据PMAC控制卡的控制能力和装备的特点，进行了硬件选型。
2.2装备控制需求分析
典型的RFID 标签的制备工艺过程，包括天线线圈的制作、芯片的制备、芯片与天线线圈的互连、对成型卡片的覆膜保护等多道工序，其中芯片与天线线圈的互连是最重要，也是成本最高、要求最严格的一个环节。整个RFID 电子标签采用倒封装工艺制作流程如图2.1所示[26]。
图2.1 RFID标签封装过程
根据RFID标签的生产流程，设计的RFID标签封装装备共分为5个模块，按照天线基板的传送方向分别为放料模块、点胶模块、翻转贴装模块、热压模块和收料模块，装备示意图如图2.2所示。放料模块将成卷的天线基板展开，并负责控制基板输送过程中的张紧力和横向位置偏差；点胶模块负责将导电胶准确滴到天线上粘接芯片处；翻转贴装模块负责将芯片从晶圆上拾起，翻转，并准确贴放到天线上粘接芯片处；为了提高生产效率，设计为两套贴装头，对应两套翻转机构；热压模块负责对导
电胶加压加热，使芯片天线导通，并使导电胶迅速固化；设计为多对上下加热头，并可方便装拆，以适应不同类型的天线基板。收料模块负责天线基板的传送，并将粘接好芯片的天线基板收卷[27]。
放料模块
点胶模块
翻装贴片模块
热压固化模块收料模块
基板运动方向
图2.2装备示意图
根据工艺要求和国外同类设备水平，其主要性能指标要求如下：
贴片效率：3600～7200UPH贴片精度：±20μm
贴片速度：1m/s贴片加速度：1g
点胶效率：3600～7200UPH点胶精度：±25μm
点胶速度：0.5m/s点胶加速度：0.5g
基板进给精度：±0.5mm基板纠偏精度：±0.3mm
从机械结构上看，装备执行机构多，运动复杂；从工艺上看，执行机构的运动主要是点到点的运动，运动速度和精度要求都很高。以上两点决定了装备控制系统应属于运动控制系统，其主要功能是控制各执行构在高速运动的同时实现精确的位置控制，满足工艺要求。
从装备各个模块的具体结构看，点胶模块主要为一个三自由度运动平台，实现点胶头三自由度运动；翻转模块结构最复杂，由晶圆平台运动机构、顶针机构、翻转机构和贴装机构四套机构组成，包括11个执行机构；热压模块分为热压头运动机构和卷纸运动机构，包括3个执行机构；送料机构包括两个电机，分别对天线极板实现输送和卷绕。装备执行机构如表2.1所示。
除运动控制功能外，控制系统还必须具备I/O控制功能，用于对音圈电机直线运动、电磁阀和其它气动阀进行控制，并作为整机运行时指示灯显示、安全报警以及门禁等信号的输入输出。I/O的具体应用要求如表2.2所示。
表2.1装备执行机构统计表
模块组成驱动装置数量驱动装置种类
点胶模块点胶运动机构3交流伺服电机
翻转贴装模块
晶圆运动平台机构2交流伺服电机
顶针机构1交流伺服电机
翻转机构2交流伺服电机
贴装运动机构6交流伺服电机
热压头运动机构1交流伺服电机热压模块
热压头卷纸机构2步进电机收料模块收料机构2交流伺服电机
表2.2 系统I/O统计表
输入（传感器）输出（电磁阀）
放料门禁输入1顶针上限位开关热压放料侧气缸第3路暂停输出放料门禁输入2顶针下限位开关热压收料侧气缸第4路暂停输出点胶门禁输入1左翻转上限位开关热压大气缸顶针真空电磁阀点胶门禁输入2左翻转下限位开工作台真空顶针快排电磁阀贴片门禁输入1右翻转上限位开关工作台快排左翻转真空电磁阀贴片门禁输入2右翻转下限位开关顶针气缸左翻转快排电磁阀热压门禁输入1左贴片真空传感器左翻转气缸右翻转真空电磁阀热压门禁输入2左翻转真空传感器右翻转气缸右翻转快排电磁阀卷料门禁输入1右翻转真空传感器左贴片真空电磁阀晶圆定位气缸
卷料门禁输入2热压大气缸下限位左贴片快排电磁阀第2路暂停输出
纠偏报警输入热压小气缸上限位第1路暂停输出
热压小气缸下限位
从设备的功能要求分析，得到在设计电气控制系统时应满足如下要求：
1. 具有对23台伺服/步进电机的控制能力；
2. 具有对半闭环和全闭环控制伺服电机的高精度控制能力；
3. 具有至少40路I/O输入输出能力；
4. 具有实时协调各模块运动及保证模块内各单元正确运行的能力；
5. 能提供所有电气元件正常工作所要求的电源和电气保护措施。
2.3 控制系统方案设计
基于IPC ＋DSP 运动控制卡的控制形式，结合RFID 标签封装装备具体结构和工艺特点，提出以下三种可行控制方案：
方案一： 由于点胶、贴片、热压和收卷料相对独立，因此，基于分布式控制方式， 控制结构选择为三层，由一台主控计算机、三台从控工业控制计算机以及以DSP 为核心的多轴控制卡协调完成各项工
作。其中，主控计算机完成监控、管
理、协调，打印、统计、分析以及与
系统外部的通讯等工作；三台工控机
分别完成点胶、收料、热压和贴片功
能，控制卡负责伺服电机的运动控
制，如图 2.3所示。这种方案的优点
是每个模块相对独立，控制结构明
晰，模块的控制相对简单，可以分别开发，最后由主控计算机完成系统的集成。缺点是成本高，需多个工控机和多视觉采集卡及相应的I/O 扩展卡；同时作为一个系统而言，系统过于复杂，特别是多模块的集成，需要多机通讯，对控制设计和软件编写人员要求较高，最后能否满足总体性能要求，以及工程进度均难以把握；各计算机工作量不平衡，贴片部分工作负荷重，而点胶、热压及收卷料工序相对较轻，造成资源的浪费。
方案二：由两台工控机和DSP 为核心的伺服控
制卡构成。由于点胶、热压和收卷料工作相对较轻，
由一台计算机完成三者的控制及所有模块之间的协调
工作，并替代主控计算机完成系统集成功能。贴片部
分单独由一台工控机实现控制功能。如图 2.4所示。
该方案的优点是与方案一相比，各工控机的负担相对
均衡，点胶、热压及收卷料集中在一台计算机完成，
内部的协调容易，只有两台计算机之间的通讯，系统的复杂性亦降低。缺点一是仍然存在两计算机的协调、通讯工作；I/O 口扩展卡及视觉采集卡仍需两套，需编写两套软件，分别为包含点胶、热压、收卷料的主控计算机和贴片控制计算机，工作量大。最后能否满足总体性能要求，以及工程进度亦难以把握。
方案三：由一台工控机和DSP 为核心的多伺服控制卡构成。由工控机完成系统管
图2.3 方案一示意图 图2.4 方案二示意图
理、调度和总体控制协调工作，配合运动程序完成视觉处理等功能，而多伺服控制卡完成点胶、热压、贴片和收卷料运动程序，如图 2.5所示。与上述分布式控制方案相比，该方案系统集成化程度很高，便于管理和协调控制各模块的运动及I/O 口；视觉采集卡只需一块，只有上位机与伺服控制卡之间的通讯，避免了多机多级通讯；通讯功能一般通过PCI 总线或ISA 总线来完成，通讯简单，
完全能满足实时性要求；系统软件只有一台计算机和
（或）伺服控制卡软件的编写，对控制设计人员和系
统软件编写人员要求较低，相对工作量较小。
三种方案的详细比较如表2.3所示。考虑到项目
进度、成本以及开发人员的经验，装备的控制系统最
终选用了第三种控制方案。作为控制系统的核心，运
动控制卡选用了PMAC 运动控制卡。
表2.3 三种方案比较
方案
集成度成本软件工作量可靠性方案一
低高高高方案二
中中高中方案三高低低中2.4 控制系统硬件选型
PMAC(Programmable Multi-Axis Controller)是美国Delta Tau 公司90年代推出的高性能多轴运动控制器，它功能强，可靠性高。控制器的功能包括：多轴插补计算、用户辅助PLC 编程以及数据采集处理等。控制卡的硬件核心为Motorola 的DSP ，DSP 的时钟频率为20/40/60/80/120MHz 可选，伺服周期为每轴55μs ，可控制各种电机及接收各种反馈。每个控制卡最多可控制32轴。PMAC 自身有30余种功能扩展模块组成。主板可插入PC 总线、STD232总线或VME 总线以便开发，各扩展模块可方便地与PMAC 相连。用户如需要扩展轴、扩展I/O 、增加A/D 、D/A 或进行输出电压/频率转换等等，均可选用相应的扩展模块[28]。
PMAC 的最大的特点是它提供给用户的优越、特殊的开放性能。 PMAC 与不同伺服系统的连接，伺服接口有模拟式和数字式2种，能连接模拟的或数字的交、直流无刷伺服电机伺服驱动器及步进电机驱动器；PMAC 可以和测速发电机、光电编码器、光栅、旋转变压器等各种机床检测元件进行匹配； PMAC 提供了串口、总线和双端口RAM 共3种方式，使之能与PC 机进行高速通讯；PMAC 匹配与多种硬件平台，它可
图2.5 方案三示意图
以以计算机标准插卡的形式与计算机系统共同构成CNC系统。PMAC有对外开放的人机界面，可以通过在VC++、VB、DELPHI等高级编程环境下调用动态链接库PCOMM32，实现Windows环境下的人机界面。它还提供了一套基本功能指令集合，可在这些基本指令基础上定制出G代码、M代码等数控功能，并且内含了可编程逻辑控制器(PLC)。I/O点可以扩展至1024位，所有的I/O点都由软件来控制。PMAC优秀的处理功能和优越的开放性能，使其在机器人控制、数控加工、半导体封装等领域都得到广泛应用。
作为运动控制领域应用最为广泛的控制器，PMAC提供了多种型号的控制卡，常用的型号包括MINI PMAC、PMAC－PC、PMAC2－LITE、TURBO－PMAC等。从控制能力上看，单块PMAC控制卡可以控制2轴到32轴，并支持多卡级联使用，最多可以同时控制128轴，满足了各种行业的不同需求。
根据功能要求，在系统中共有23台电机需要控制，其中，点胶需要3台，热压需要3台，收卷料2台，贴片需要15台。考虑贴片模块珩架系统采用了双反馈闭环控制，两个音圈的直线运动由I/O控制，因此需要控制卡具备23轴控制能力（贴片部分15轴）。基于设备要求和PMAC运动控制卡的控制能力，有以下三种方案：方案1：1张32轴卡，对所有模块进行集中控制。
方案2：1张16轴卡＋1张8轴卡，16轴卡控制翻转贴装模块，8轴卡控制其余模块。
方案3：3张八轴卡，其中两张用于翻转贴装模块。
方案1使用1张控制卡，模块的协调可以由下位机完成，无需考虑多卡通讯和协调，控制简单，不足之处是控制能力上富余量大，成本偏高；方案2成本适中，但是需要考虑两卡之间的通讯问题，上位机软件工作量较大；方案3成本低，但是多卡之间通讯复杂，特别是在翻转贴装模块中运动机构之间具有严格的时序关系，如果用两张卡控制同一模块，上位机软件工作量很大。
在设计中，采取了方案2，共选取两块PMAC运动控制卡，型号分别为PMAC-PCI和TURBO-PMAC。TURBO-PMAC具备16轴控制能力，专用于翻转贴片模块；PMAC-PC具备8轴控制能力，用于其他三个模块；I/O控制除用其自带I/O外，还选用一块I/O扩展接口板ACC34AA和和一块自带8路输入8路输出I/O隔离转接卡ACC34AE。其中ACC34AA具有双隔离32路输入输出I/O接口，除满足贴片模块对I/O的需求外，还作为整机运行时指示灯显示和安全报警以及门警等信号的输入输出。ACC34AE实现点胶、热压和卷料三个模块对I/O的要求。同时，为满足对音圈电机直线运动I/O控制要求，应用了TURBO-PMAC的普通8路输入8路输出I/O口，通过自
制的转接板实现对音圈电机的控制。实际可以用的I/O总计有48路输入口和48路输出口。其中ACC34-AA和ACC34AE输入输出接24V电源，而普通I/O的输入输出采用计算机自身5V电源，以满足音圈电机的要求。另外，为了实现对步进电机的控制，选用了专用板ACC-8D及其附件2，实现幅频变换功能。控制系统示意图以及硬件平台分别如图2.6和图2.7所示。
图2.6 控制系统总体示意图
图2.7 控制系统硬件平台
2.5本章小结
本章介绍了RFID标签制备工艺和装备机械结构，对装备控制系统功能进行了分析，提出了控制系统的总体方案；详细介绍了目前运动控制领域广泛应用的PMAC运动控制卡，并依据PMAC控制卡的控制能力和装备的特点，进行了硬件选型。
3电气系统设计
3.1引言
在控制方案确定后，需要根据实际需求，对各个执行机构构建伺服系统，进行运动控制；同时，要使执行机构能够正常动作，必须能提供所有电机和传感器正常工作所要求的电源，并提供安全、可靠的电气保护措施，保证装备的正常运行；此外，作为一个复杂的机电装备，为了便于设备的操作、维护和推广，作为人机交互的主要方式——人机界面的设计显得异常重要。
本章对装备电气系统进行了设计。第3.2节依据装备工艺需求和执行机构种类，设计了电机的控制方式；第3.3节依据所选控制卡和伺服电机的型号，对系统的强电和弱电电路进行了综合设计和布局，并介绍了系统中的一些抗电磁干扰措施；第3.4节对系统人机界面进行了介绍，实现了多触摸屏在工控机系统上的应用。第3.5节对本章进行了小结。
3.2电机控制方式设计
驱动系统是运动系统控制中的执行部分。目前市场上广泛应用的有步进电机、直流伺服系统和交流伺服系统。步进电机作为一种开环伺服运动系统的执行元件，以脉冲方式进行控制，输出角位移。具有价格低廉、无积累误差等特点，但其精度较低。交流伺服电机具有力矩惯性比大、机电时间常数小的优点，能实现高效、精确的驱动，适合于高精度的控制场合[29]。在装备各个模块执行机构对电机的选型中，根据控制精度和功能要求，分别选用了交流伺服电机和步进电机。此外，在贴片模块中，系统选用了具备两个自由度的音圈电机，对芯片进行拾取和贴装。下面分别对这三种形式的电机控制方式进行设计。
3.2.1交流伺服电机控制方式设计
在装备执行机构中，大量使用了交流伺服电机，型号为日本安川株式会社（YASKAWA）生产的∑Ⅱ系列交流伺服电机及伺服驱动单元，其主要性能指标如下：
1. 高速度高精度驱动，最高转速5000r/min，采用了高精度17位增量式编码器；
2. 整定时间缩短，实现了模式跟踪控制，强化了对振动的控制；
3. 多合一控制，利用参数切换可分别使用转矩、速度、位置控制；
4. 参数设定器内置，在线自动调整，低速运转平稳；
5. 具有电子齿轮功能，可以任意设定一个输入指令脉冲所相当的电机移动量发送
指令脉冲的上位装置无需关注机械减速比和编码器脉冲数就可以进行控制
6. 具有丰富的状态自诊断、故障保护和信息显示功能。维护简单，利用主回路控制回路电源分离以及报警跟踪记忆功能等，可简便的进行维护[30]。
系统在伺服控制方式上大部分仍采用了传统的三环反馈（电流环、速度环、位置环）的串级闭环控制结构。其中，电流环和速度环由伺服放大器来实现，位置环由PMAC控制卡完成。根据不同的控制精度要求和机械结构，电机位置控制环采用了半闭环控制和全闭环控制两种形式。
以点胶系统为例，运动精度要求为±25μm，电机编码器分辨率为5000脉冲/转，采用了滚珠丝杆作为传动装置，导程5mm，由手册可知，三级精度的丝杠在行程500mm范围内累计误差在20μm之内，采用半闭环控制，最终执行装置的精度也完全能够满足工艺要求；热压、卷收料、WAFER平台、翻转和顶针等电机均采用半闭环控制。而在贴片模块中，运动精度要求为±20μm，由于对速度要求很高，传动装置采用了同步带，作为一种柔性传动装置，在运动过程中必然存在较大的间隙和变形。为此，在贴片模块中通过在负载上安装了光栅尺，构建了全闭环控制系统，以消除由于负载传动装置对系统精度造成的影响。半闭环、全闭环控制控制方式如图 3.1(a)(b)所示。
(a) 半闭环
(b) 全闭环
图3.1 交流伺服电机控制示意图