韦 杰，张文琪，温 岩，田 芳

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原030024)

伺服电缸是伺服电机与机械传动装置集成于一体的模块化产品设计，具有结构紧凑、响应速度快、抗过载能力强、占用空间小等特点，在工程机械、压力实验设备、航空航天等领域中被广泛应用。随着工业应用需求的不断提高，伺服电缸正在向大推力、智能化、数字化的方向发展。液压伺服系统在100 kN以上的加压场景下被广泛使用，但是液压伺服系统的组成复杂、体积大，在空间有限的净化间内很难安置。相比之下，电动加压系统结构简单，操作方便，控制精确，适用于空间有限、洁净度和噪声要求高的场所[1]。另外，电动伺服加压系统中执行器同步性好，电缸控制精度高，更容易实现同步协调。随着伺服电缸控制技术的不断完善，伺服电缸加压系统在高精度、大压力场景中的推广应用成为一种必然趋势[2]。

针对大尺寸芯片倒装工艺过程的加压需求，伺服电缸提供了一种大压力、高精度的加压方法，其结构示意图如图1所示。

图1 伺服电缸结构示意图

1 工作原理

在伺服加压系统中，电缸装有旋转编码器和直线编码器，利用双编码器反馈实现了电缸的高精度位移，其步进精度可达到0.5 μm；然后，在推力的输出部分设置了碟簧，在同样的输出力矩下，增加了电缸的行程，提高了系统整体的加压分辨率。通过PLC对电缸进行控制，利用增量式PID控制方法对电缸的输出力进行调节，达到高精度、宽范围的输出效果。

加压系统的压力控制原理为：上位机进行压力参数编辑、压力曲线监测和设备状态监测；通过OPCUA协议下位机与上位机进行实时通讯，并执行上位机的指令和回传相关数据，根据接收的加压指令，按给定参数命令伺服电机运动，同时获取压力反馈、运动机构位移和I/O等数据，利用压力控制算法实时处理数据，并纠正压力偏差，实现伺服加压系统的压力实时闭环控制，其控制原理如图2所示。

图2 压力闭环控制原理图

2 压力实现方式

压力实现方式为伺服电缸推动加压机构进行产品压合，其控制方式是力矩模式或位置模式。力矩模式的本质是控制电流，在大推力情况下需要有持续的大电流，长时间保持大推力对电机和控制器的要求较高，且有安全风险。而位置模式在位移结束后电流会明显减小，且能持续保持加压状态。要保持2 h以上的大压力，控制方式采用位置模式，将压力转换成位移。

该加压系统使用表面平整的不锈钢片作为试验样片，加压时记录位移与压力的变化量，位移与压力的关系如图3所示。因此，位移与压力变化的传递函数可近似为比例环节[3]，其计算式为：

图3 位移-压力曲线图

式(1)中，GL(s)为压力与位移的传递函数，KA为比例系数，s为加压机构位移量。

在上位机操作界面预先设置加压工艺曲线，如图4所示。在加压过程中实时参照压力传感器的反馈进行调节，使过程中读取的压力曲线与预设加压工艺曲线一致。

图4 预设加压曲线示意图

采用增量式PID控制进行压力控制，PLC进行运算处理，并按照设置值与反馈值的偏差进行调节[4]。

式(2)中，u(k)为PID计算的输出值，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数，e为偏差。取得计算结果后，PLC将位移指令下达给驱动器，执行机构移动相应的距离实现压力的控制。采用碟簧设计提高了系统加压的分辨率，在最大压力100 kN的情况下，该加压系统的最高分辨率可以达到20 N，即0.2‰。

3 仿真与试验研究

3.1 测试平台搭建

为验证该伺服电缸加压系统的各项参数指标及性能，在大理石平台上搭建了三梁四柱结构的加压系统进行试验，测试平台示意图如图5所示。该加压系统能实现100 kN的最大压力，测试仪器为2个外置压力传感器，量程分别为5 kN和100 kN，保证宽范围、高精度的压力输出效果。

图5 三梁四柱结构测试平台示意图

3.2 仿真与测试

该系统压力控制时的给定值按照预设压力曲线更新，且加压过程长，如果采样时间过短，离散后的给定值相差较小，产生过多无意义的给定值，增大计算负担。因此，采样时间设为200 ms，给定值间隔时间为1 000 ms，理想控制曲线为阶梯状上升（或下降），采样时间小于给定值间隔的PID测试结果如图6所示。结果表明，该算法能够满足实际的压力控制要求。

图6 PID算法测试

实测的压力曲线如图7所示，从图7可以看出，实际测量值与设置值吻合，加压过程中的压力偏差不超过0.3%，且在加压过程中上下台面的平行度保持良好，最大偏差不超过1.8 μm，结果符合设计要求。

最大偏差：1.8 μm长度计最大值：8.8 μm长度平均值：7.8 μm

图7 实测的压力曲线

4 结束语

本文介绍了一种伺服电缸加压系统的实现方式及控制策略，通过位移控制实现了压力的精确控制，在PLC中应用PID算法对偏差值进行计算并驱动执行机构进行压力修正。通过搭建测试平台进行验证，验证结果表明，伺服电缸加压系统设计及其控制方法可以实现精确的加压控制，而且压力控制范围大，在芯片的大压力互连工艺应用中具有一定的推广意义。