嵌入式系统超细金属线恒张力高速缠绕机研制

Development of high speed winding machine for superfine metal wire with constant tension in embedded system

李长有，崔玉卓，刘福乾

LI Chang-you, CUI Yu-zhuo, LIU Fu-qian

（河南理工大学 机械与动力工程学院，焦作 454000）

摘 要：为了提高微细线缠绕工艺及生产效率要求，研制了一种基于STM32f4的嵌入式系统超细金属线

（键合线）恒张力高速缠绕设备。该设备以stm32f4为上位机，空心杯直流力矩电机为系统提供恒张力，收线电机通过PI调节，稳定启动到设定速度，上位机实时采集角度传感器的角度信号，经过中值平均滤波处理后进行PID调节控制放线速度，通过滑台带动收线电机往复摆动调节线间距，人机交互界面可对系统参数实时调节，经多次测试该系统具有很好的鲁棒性，同时可以达到良好的缠绕效果。该缠绕机的研制一方面提高了缠绕机的效率，另一方面对于其他微细线缠绕机的研究具有一定的参考意义。

关键词：键合线；PID调节；滤波；恒张力

中图分类号：TP242.2 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2020)01-0088-05

0 引言

随着微电子产业的迅速发展，芯片封装技术的要求越来越高，芯片封装技术朝着高密度、小型化方向发展，对键合引线的要求也越来越高，高热导率、低弧度、超细直径的键合引线成为研发重点[1,2]。在键合线生产过程中必须对键合线进行进料检验，主要是键合线外观和拉力的检测，外观要求，外观要求键合线干净整洁且无尘，拉力测试要满足：1mil金线拉力必须大于7g，小于或等于7g为不合格；1.2mil金线拉力必须大于15g，小于或等于15g为不合格，因此在键合线生产过程中保持缠绕张力恒定是提高生产质量的关键性因素[3,4]。

郑刚等[5]采用模糊自适应PID算法建立了恒张力收卷系统模型，有效减少了张力波动。康超等[6]基于各项异性缠绕层弹性变形及各项同性内衬壁筒理论，给出外压作用下缠绕层的径向应力及环向应力；在弹性范围内采用应力叠加原理建立剩余张力与缠绕张力之间的解析算法，使缠绕张力上下层变化平缓，易于张力控制的实

现。杜宇等[7]设计了基于PLC的双伺服整经机恒张力控制系统，采用双伺服电动机对收卷轴的转速进行调节，PLC实时进行目标张力与实际反馈张力的比较，通过目标张力和实际反馈张力的差值，控制伺服电动机的速度，形成恒定的整经张力。王东伟等[8]提出来一种基于卡尔曼滤波的收卷系统控制算法，借助MATLAB软件分析了该收卷控制系统，仿真结果表明该系统具有很好的鲁棒性、调节能力强、能够自动适应生产线速度变化的特点。

本设计主要是针对键合线（10～20μm）等超细金属线进行缠绕，该系统采用STM32F4为上位机，提高了运算速度，结构简单，同时也降低了硬件成本，一套控制系统可以同时检测多路张力，调节多路键合线的收放，人机交互界面可对缠绕参数进行修改，操作简单，稳定性较好，可以大大提高缠绕效率与缠绕质量。

1 系统构成

该设计采用以ARM4为主控系统，该系统主要由5

收稿日期：2018-10-15

基金项目：河南省教育厅科学技术研究重点项目（14A460002）；河南省高等学校精密制造技术与工程重点学科开放实验 室开放基金资助项目（PMTE201309A）

作者简介：李长有（19 -），男，河南焦作人，教授，博士，主要从事测控技术与装备研究。【88】 第42卷 第1期 2020-01

大部分组成：人机交互模块、角度检测模块、张力控制模块、收放线模块及摆线控制模块。人机交互模块主要是设置缠绕机的参数，如收线速度、启动/停止时间、摆线间距、张力大小、摆线位置设定等；角度检测模块是检测角度传感器的角度变化，反馈给控制器，用于调节放线速度；张力控制模块主要负责接收控制器传递过来的数据，为系统提供恒张力；收放线模块是根据系统反馈的值进行调节缠绕的模块；摆线控制模块接收到控制器的数据，根据设定的参数及限位开关的位置来调节摆线的速度，达到调节每一层线间距的作用。系统控制流程如图1所示。

图1 缠绕机系统控制流程图

2 控制原理及实现

2.1 硬件结构设计及工作原理

在设计中采用了两个伺服电机、一个步进电机、一个力矩电机、一个角度传感器及若干辅助零件。缠绕机硬件结构图如图2所示，角度传感器张力控制模块如图3所示。

图2 缠绕机硬件结构图

角度传感器导线轮力矩电机连接杆平衡块齿轮图3 角度传感器张力控制模块图当系统设置好参数，放线电机处于就绪状态，力矩电机通过与导线轮2的连接杆带动导线轮逆时针转动，为系统提供恒张力；就绪状态下导线轮2处于圆弧槽的最低点，此时放线电机速度为零，当点击“开始”按钮后收线电机在设定的时间内加速到设定的速度，同时收线电机在滑台的带动下左右摆动，调节收线的宽度及线的间距；当收线电机转动时，线经过导线轮4、导线轮3带动导线轮2向上运动，此时角度传感器产生角度差，反馈给控制器，控制器经过计算及处理后，调节放线电机的速度，使系统保持平衡；角度传感器张力控制模块与控制器和放线电机形成闭环控制，放线电机的转动速度只和角度传感器的角度变化有关，因此可以适应不同直径的线盘的缠绕；收线电机可以按照控制器设定的速度及缠绕圈数进行转动，同时滑台根据系统参数调节步进速度及摆线宽度，可以使每层的圈数和线间距随时可调，以达到更好的缠绕效果。2.2 收线电机加减速PI调节

电机的加减速方式多种多样，常用的有直线形（T形）、三角函数形、指数形、S形加减速控制算法。每一种控制算法都大致分为三个阶段，分别为加速阶段、匀速阶段和减速阶段。T形加减速算法的优点是算法简单，占用时间短，响应速度快，效率高，加速度稳定，适用于快速响应及稳定调速；三角函数形加减速启动可以实现平滑的运动，但是由于三角函数的计算复杂，不能满足控制系统的适时性要求，必须事先对其进行处理，将其作为样板以数表的形式存放，通过查表的方式实现；指数型加速度和直线加速度相比，平滑性好，运动精度高，但是算法复杂，占用机时长，而且加减速的起点和终点还是存在加速度突变，具有柔性冲击；S形加减速算法适用于电机快速启动，平滑性能较好，但是中间过程加速度变化较大。针对键合线缠绕需要实时对系统进行调节，因此算法必须满简洁且能够快速响应，因此需要对标准的T形加减速算法进行了改进，改进后的轨迹图如图4所示。

图4 标准T形加减轨迹与改进后T形加速度轨迹图

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标准T形加减速算法在速度达到最高速时会产生冲击，然而对于微细线的缠绕是不允许有大的波动的，因此必须对其进行处理，使其平滑的达到最高速。在收线电机启动时采用PI调节，在连续域中，PI调节的传递函数为：

(1)

PI的输出为：

(2)

对上式进行离散化处理为：

(3)

其中T_s为采样周期。令n=n-1：

(4)

式(3)与式(4)相减，有每次PI输出增量为：

(5)

由式(5)可知，在每次PI调节过程中，只需将上一次PI的输出加上一个增量。如果只有kp，由式(3)，假设此时稳态误差e(n)为0，则稳态时PI输出E(n)为0，显然这是不可能的，稳态时E(n)的输出值应该为一个非0常量，因此必须有积分项来消除稳态时产生误差。假设参考信号有一个阶跃，在PI调节作用下，反馈信号应能及时跟上并且达到稳定状态，为了提高响应速度，积分常数可能会比较大，当反馈信号达到参考信号时，由于误差的累积，反馈信号会出现超调，此时应该对积分进行限幅，使其不用累计之前所有的误差，而比例的输出不加限幅。加入了一拍额外的延时环节会造成了系统的不稳定。分析是延时造成了相角裕度的减小，而本身环路中相角裕度又比较小，使得了系统的相角裕度为负，造成了系统的不稳定。因此降低kp，降低系统的带宽，增加相角裕度，最后达到了稳定。因此调节时先调kp，使系统稳定，之后逐渐增加ki，消除稳态误差。2.3 放线电机PID控制

放线电机是根据角度传感器返回的模拟信号进行调节的，首先ADC采集角度传感器的值，对其进行滤波处理，滤除与波动偏差较大的值，然后再进行求平均，使最终返回的值处于稳定状态。

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在启动过程中，收线电机带动角度传感器上的导线轮，与放线电机在张力的作用下形成一定的角度差，角度差越大，放线电机的转速越高，当两者处于平衡时，角度会在小范围内进行波动，因此，放线电机必须能够快速的对角度变化进行响应，并且不能够产生大的波动。一方面我们可以通过调节收线电机的加减速时间使角度传感器角度缓慢变化，另一方面，就是要控制放线电机的放线速度柔和的变化，对系统的波动以及误差能够及时的响应并作出调节。因此通过实时采集角度传感器的角度信号，滤波后根据角度的变化进行PID调节，使其快速响应并不能产生冲击[9]。

对模拟信号进行的模拟PID控制，也可以称作连续PID控制，微分表示为：

(6)

式(6)中，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。对上式进行拉氏变换：

(7)

PID控制器的传递函数为：

(8)

离散PID控制：

对连续PID控制以一定离散化方法离散后就可以得到数字PID控制，离散的本质是采样，假设采样为周期采样，采样周期为T，离散自变量为n，则离散PID控制可以表示为：

(9)

n-1时刻的控制量为：

(10)

设：

(11)

得到：

(12)

令为积分常数；为微分系数，

可将上式化简为：

(13)

䋗㑠㬞3,'ⷛ䓺㼍䇇㤛㼀㏎㼌㸜䐤㾦⼦㸜䐤ⷛ䓺㬒ヅ󱷉V󱷊䋗㑠㬞3,'ⷛ䓺㹔⥏⥏㹔㬒ヅ󱷉V󱷊图5 PID仿真位置追踪与误差图

经过多次测试，最终取Kp=10，Ki=0.08，Kd=10，得到如图5所示位置跟踪与误差图，利用串口输出程序在运行中产生幅值为250的波动时串口值，如图6所示。

图6 串口输出调节

从图6中可以看出，阶跃信号被过度为比较光滑的连续信号，我们再通过该数值调节电机转速，就可以有效避免冲击的产生，使系统稳定。通过连续的处理就可以实现在系统整个运行中的连续调节，达到预期的 效果。

2.4 恒张力实现

张力控制对于键合线的缠绕非常重要，张力过大或者过小都会影响线的使用。目前，市场上的张力控制器多种多样，常见的几种恒张力控制方案有：

1）力矩电机及驱动控制器；

2）磁粉制动器/磁粉离合器张力控制；3）舞蹈棍控制器；4）直接张力闭环控制；5）全新的间接张力控制系统等。

王立云[10]通过对永磁式直流力矩电机在PWM脉宽

调制下的分析，阐述了永磁式直流力矩电机的基本结构及工作特性，并经过试验验证了其负载性能。直流永磁伺服控制电动机具有突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性，其电枢电流如下：

(14)

式(14)中，ka为电机常数，φ为磁通量，T为电机转矩。从式(14)中可以看出，电枢电流当Ia与转矩T成正比[11]，本文采用TB6612芯片利用PWM脉宽调制调节电枢电流，从而获得不同的转矩，在图3中利用力矩电机与角度传感器组合，即可以实现360度范围内都是恒定的张力。

2.5 滑台运动控制

滑台是带动收线电机进行往复摆动的运动单元，其结构如图7所示。

图7 滑台结构图

通过步进电机带动滑动台往复运动实现摆线宽度

的调节，在滑台相应位置安装槽型光耦及限位开关，当

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每次启动之前系统对于滑台进行一次校准，避免产生累积误差。伺服电机安装在滑动台上同步轮通过同步带连接，带动绕线轮转动，实现收线缠绕。2.6 人机交互系统设计

Stm32f4采用UCOSⅢ创建emwin管理任务，利用GUIBulider创建用户界面，在用户界面可以对缠绕机的参数进行设定，如键合线的直径，线间距，左右停点，加减速时间，卷绕速度，张力等参数，人机交互界面如图8所示。

图8 人机交互界面

圈数：滑台从左停点运动到右停点，收线电机转动的圈数。

线径：键合线直径。

线间距：键合线之间的间距，与左右停点及圈数有关。

左停点：键合线缠绕单层起始点（相邻层的结束点），相对于线盘默认零点的距离。

右停点：键合线缠绕单层结束点（相邻层的起始点），相对于线盘默认零点的距离。

卷绕速度：放线电机缠绕速度。

加速/减速：缠绕机加速到设定速度的时间及由设定速度减速到零的时间。

放线张力：键合线缠绕时系统张力。

自动转段：当缠绕状态标志，“0”表示跳过，“1”表示结束，“2”表示下一层。

启动：按下“启动”，滑台自动复位一次后，放线电机加速启动到设定速度。

停止：按下“停止”，放线电机由设定速度减速到零。

复位：滑台自动回到初始原点。

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放线监控：对每个放线电机放线速度进行监控。张力监控：对每个张力模块的张力进行监控。手动操作：手动对滑台进行位置调节及张力校准。键盘：用于输入保存数据。

用户通过触摸屏将设定的值保存到EEPROM中，当下次启动时无需重新输入，如需变更参数，只需对个别参数进行调节即可，通过触摸屏还可以对放线速度进行监测，实时查看放线状态。

3 结论

本文采用stm32f4作为上位机进行控制，运行速度得到了显著提高，运动控制更加精确，同时降低了制造成本；直流力矩电机为系统提供恒张力，结构简单且张力稳定；采用PI调节对收线电机启动方式进行控制，使启动停止更加平滑；放线电机采用PID调节实时根据ADC转换的数据进行调速，有效降低了系统冲击，同时保证了在高速状态下能够稳定运行；在用户界面可对参数进行实时调节，并可以保存，一键式操作，方便快捷。本文的研究成果对于微细线的缠绕具有一定的参考价值和指导意义。

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