控制技术
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计算 机测 量与控制 2021 29(5)
Computer Measurement & Control
文章编号：1671 - 4598(2021)05 - 0116 -06
DOI ： 10.16526/jki.11 — 4762/tp.2021. 05.023
中图分类号:TP510. 8060
文献标识码:A
基于ACS 运动控制的LED 晶片分选系统设计
张永昊，宋华军，武田凯，韩旭
（中国石油大学（华东）海洋与空间信息学院，山东青岛266580）
摘要：为了提高LED 晶片分选机的分选速度和精度，设计了基于IPC+ACS 运动控制的LED 晶片分选系统；分析了晶片分
选过程直线电机定位、直驱电机旋转以及音圈电机拾取三部分的时序，并结合电机性能分别规划了3类电机的定位时间；以直驱
电机为例分析了在SPiiPlus MMI 软件环境中调试电机电流环、速度环和位置环以及频域稳定性的过程，并最终给出3类电机的
定位时间和定位误差；设计了吸嘴和顶针接触式剥离拾取晶片的方案，利用ACSPL +语言编写拾取动作的程序，并在速度环和 位置环曲线中加以验证；在ZKMY —P10型号的分选机分选平台进行了连续分选测试，实验结果表明，分选机的X/Y 轴定位精 度为士0.5mil ，晶片分选的平均速度为125 ms/片。
关键词：晶片分选；ACS 运动控制；SPiiPlus MMI ； LED 分选机
LED Chip Sorting System Design Based on ACS Motion Control
Zhang Yonghao , Song Huajun , Wu Tiankai , Han Xu
(School of Ocean and Spatial Information , China University of Petroleum, Qingdao 266580 , China)
Abstract : In order to improve the sorting speed and accuracy of the LED chip sorting machine , an LED chip sorting system based onIPC+ACS motioncontrolisdesigned Thepositioningofthelinearmotor ，therotationofthedirectdrivemotorandthevoicecoil
motorpicksupthetimingofthethreeparts ， andcombinesthemotorperformancetoplanthepositioningtimeofthethreetypesof motors. Taking the direct drive motor as an example , the debugging of the motor current loop , speed loop, position loop and frequen
cy in the SPiiPlus MMI software environment is given. The process of domain stability verification , and finally the debugging results ofthethreetypesofmotorsaregiven Aplanforpickingupthechipbycontactpeelingofthesuctionnozzleandthimbleisdesigned ，
andthepickingactionprogramiswri t eninACSPL+languageandverifiedonthespeedandpositioncurve Thecontinuoussorting test was carried out on the sorting platform of the ZKMY 一P10 type sorter. The experimental results show that the X/Y axis positio-
ningaccuracyofthesorteris 士0 5 mil ， andtheaveragespeedofchipsortingis125ms /piece
Keywords ： chip sorting ； ACS motion control ； SPiiPlus MMI ； LED sorting machine
o 引言
随着半导体技术的飞速发展，全球的LED 行业已经进 入一个新时代，LED 以其省电、寿命长、响应速度快等优
点，已经广泛应用于信号灯、显示屏、舞台灯等领域。随 着LED 市场的迅速发展，LED 检测和分选设备的需求量越
来越大，对设备分选速度和精度的要求也越来越高「⑴。国
际方面，台湾威控自动化、荷兰ASM 等公司在LED 分选 机技术研发上比较先进，但是公司已经将设备模块化，在
软硬件方面有严格的保密制度，使得技术很难被复制⑵。 国内方面，广东志成华科光电有限公司、常州谱微光电有
限公司等也正在研发分选机设备⑶，但是在速度和精度方 面和国外先进设备还是有一定差距。因此目前国内使用的
LED 分选机全部依赖进口 。
LED 分选设备的核心技术主要包括机器视觉技术和运
动控制技术。目前国际上运动控制系统种类繁多，应用于
高精度控制的主要有美国的PMAC ，英国的Trio 、以列
的ACS 等，价格都比较昂贵［］。国内研发的LED 分选设备
大多采用IPC+ PMAC 运动控制卡的运动控制方案，其中
工控机作为上位机，PMAC 运动控制卡作为下位机，二者 通过PCI 总线通讯，在PEWIN32软件中设置电机的相关参 数m 。近年来ACS 运动控制系统发展迅速，基于ACS 控制
器的双驱龙门平台定位精度可达1微米，强大的ServoBoost 算法极大地提高了定位精度并缩短了定位时间。此外，运
动控制卡SPiiPlus SC 可以嵌入在Windows 操作系统的一个 内核中闪，无需复杂的硬件连线。因此ACS 运动控制方案
已经被广泛应用于如晶圆切割、晶片检测等半导体行业［］。
在现有硬件条件下，分选动作时序的配合对分选的速
度有重要作用。分选动作主要包括工作台定位，机械臂旋 转和晶片拾取三步，前两步的速度和精度主要由电机性能 决定，晶片拾取方案对分选的周期和准确度有重要作用。
晶片拾取（又叫晶片剥离）过程主要依靠顶针上顶和吸嘴
收稿日期：2020 - 10 - 29；修回日期：2020 - 11 - 19.
基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金（18CX02109A ）；电子测试技术重点实验室开放基金项目（6142001180514）。作者简介：张永昊（1996 -），男，山东潍坊人，硕士研究生，主要从事高性能硬件系统设计以及运动控制等方向的研究。
通讯作者：宋华军（1978 -），男，山东威海人，博士，副教授，主要从事高性能硬件系统设计以及无线通信，实时目标跟踪等方向的研究。 引用格式：张永昊，宋华军，武田凯，等.基于ACS 运动控制的LED 晶片分选系统设计［］.计算机测量与控制，2021,29（5）116 - 121.
第 5 期张永昊，等：基于ACS 运动控制的LED 晶片分选系统设计・ 117 ・
真空吸附协同完成，根据顶针和吸嘴的动作逻辑不同，又
分为接触式和非接触式剥离血。非接触式剥离对真空转换 装置以及对拾取时电机的位置参数要求较高，用户校准参 数时难度较大，并且容易造成分选晶片歪斜。本文设计了
顶起和真空剥离相结合的接触式剥离方案。
1系统总体结构
LED 分选机主要包括视觉系统和运动控制系统两部分,
整体结构如图1所示。系统采用IPC + ACS 的运动控制方 案，IPC 工控机一路连接视觉系统（CCD 相机和图像采集
卡），另一路连接运动控制系统（运动控制卡和电机驱动
器）。运动控制卡SPiiPlus SC 嵌入在多核CPU 的一个内核 中，通过共享TCP/IP 以及虚拟内存的方式和主机通讯。主
机通过Ethernet 网口级联包含多个电机驱动器的EtherCAT
串行运动网络。整个系统有6个驱动器以及15个电机，其 中直线电机、音圈电机和直驱电机精度较高，用于分选过
程；步进电机、直流电机和伺服电机精度较低，用于装卸 载盘片。
2实验平台介绍
ZKMY —P10型号的LED 分选机分选平台的模型图如
图2所示。实验平台包含两路CCD 相机和8个电机，其中
两个CCD 相机分别位于Wafer 台和Bin 台正上方，负责待
分选晶片的扫描和定位以及摆放晶片位置的检测：9］； Wafer 台和Bin 台（4个直线电机）、摆臂（直驱电机）以及吸嘴
和推顶器（3个音圈电机）负责晶片分选。其中CCD 相机 帧频为120帧/s , SPiiPlus 运动控制卡的伺服周期为500 “,
直线电机和音圈电机的光栅数字编码器精度为2 M m ，直驱 电机的Sin —Cos 模拟量编码器精度为万分之一度，硬件实
验平台的保证了晶片分选的速度和精度。
3 LED 晶片分选方案设计
3.1晶片分选流程
生产不同特性参数和不同功率的晶片，切割晶片的尺 寸也会有所不同［0］, LED 晶片的尺寸范围大约为6 mil*
Wafer 盘
（分拣盘）
运动控制系统
ACS Motion Controller EtherCAT NET OUT
EtherCAT NET IN
EtherCAT NET OUT EtherCAT NET IN
EtherCAT NET OUT EtherCAT NET IN
UDMLc40024N010
音圈电机驱动器PDMnt
UDMPml007N0NlN UDMPm2007N0NlN
伺服电机驱动器摆臂直驱电机驱动器直线电机驱动器
ACS Motion Controller PDMnt
步进电机驱动器
步进电机
伺服电机 直线电机 直驱电机 音圈电机 直流电机
EtherCAT 从站EC1 —
EtherCAT NET OUT
EtherCAT NET IN ACS Motion Driver ACS Motion Driver EtherCAT
NET OUT EtherCAT NET IN ACS Motion Driver
图1系统结构及原理
图2 ZKMY — P10分选机分选平台
7 mi 倒160 mil * 160 mil 。通常一片硅圆片上包含多个等级
的LED 晶片，数量多达几千至数万个LED 晶片。分选机分
选晶片的实质是将晶片供给区（称为Wafer 区域）中相同
等级的晶片按照一定顺序分选至晶片摆放区* ［1］（称为Bin 区域），如图3所示。
3.2晶片拾取方案设计
分选过程吸嘴和顶针的位置以及拾 |取动作如图5所示。顶针的初始高度位
J 于晶片正下方约1.5 mm ；紧贴晶片下表 ］面顶起晶片的位置是预备高度；使晶片 |脱离蓝膜的位置是刺破高度。摆臂移动
丨过程中吸嘴所在的位置是吸嘴的初始位
|置，距离晶片约2〜3 mm ；吸嘴压紧晶 ：片的位置是分拣位置，初始位置下方约
mm 是吸嘴 的 预备位置。
晶片拾取过程主要分为4个步骤：
1） 吸嘴和顶针到达初始位；2） 吸嘴下降至分拣位置，顶针上升
180°往复运动
图3晶片分选示意图
LED 晶片分选过程主要包括工作台定位、摆臂电机旋
转、晶片拾取和摆放三部分，分选流程主要包括四步，如 图 4 所示 。
1） 摆臂旋转到分拣位置并且吸嘴下落，吸嘴1分拣,
吸嘴2 摆放；
2） 吸嘴抬起，吸嘴1吸附晶片，吸嘴2空，工作台移动；3） 摆臂旋 转 到 摆 放 位 置 并 且 吸 嘴 下 落， 吸 嘴 2 分 拣，
吸嘴1摆放；
4）吸嘴抬起，吸嘴2吸附晶片，吸|嘴1空，工作台移动。
EtherCAT
NET OUT EtherCAT NET IN
ACS Motion Driver UDMPm2007N0NlN
直线电机驱动器
・118・
计算机测量与控制第 29 卷
料片工作台
吸嘴2二者謀上黑吸附芯片
吸嘴2分拣
摆臂 吸嘴1摆放
e 硅片工作台料片工作台
推顶器
③
二者趟上聲吸附芯片
吸嘴1分拣 摆臂 吸嘴2摆放
了硅片工祜台料片工作台
推顶器 ①
吸嘴2 摆臂 吸嘴1 硅片工作台
料片工作台④ 为定位工作台（WorkTable ）、摆臂电机（Arm ）、吸嘴2
（BH2）、吸嘴 1 （BH1）、顶针（Ejector ）。
设单片分选的周期为T sa ，电机高频运动时间为T m ^， 分许辅助时间包括气路转换以及其他动作时间为犜。皿，三
者满足公式（1）：
T T otal = T Move + T O t her
（1）
在式（1）中，电机高频运动时间T mw 包括摆臂、两个 工作台和吸嘴 顶 针 的 运 动 三 部 分。 摆 臂 和 工 作 台 电 机 可 以
同时运动，摆臂在旋转过程中为不允许吸嘴电机运动。设
硅片工作台的定位时间为T s 料片工作台为t B s ，摆臂电机为T 狊，它们各自的运动时间和整定时间分别为硅片工作
台T 犵和T ：，料片工作台犜狆和犜狆，摆臂电机匚和犜犪。由
图4晶片分选流程
图5晶片拾取动作
3.吸嘴顶针
3.吸嘴上升
同时上升 顶针下落
；1.顶针、吸嘴2.吸嘴和顶针
I 到达初始位置 夹紧晶片
|顶（刺破高度. 團预备高度・s
1
沏•蓝膜
顶针帽
；定位时间等于运动时间和整定时间之和,
：
可得公式（2）〜（4）。
T b s = T p + 犜狆 （2）
T W s = T g + T ：
（3）
T 犃=犜犪+犜犪
（4）
由于两个工作台可以同时运动，所以
'T w s 和T b s 之中的最大值即为高频运动系统
工作台部分的运行时间，设为犜丁犫」犲,
则满足公式（5）。设3个音圈电机的动作时
到预备高度 ， 吸嘴和顶针夹紧晶片 ；
间为T c ，顶针上升和下降的定位时间分别
3） 吸嘴顶针同时上升（顶针刺破蓝膜）；4） 吸嘴上升， 顶针下降。
根据3.1小节分选流程可知，晶片分选是在顶针和吸 嘴的协同作用下完成的，吸嘴、顶针夹紧晶片同时上升使
晶片脱离蓝膜是拾取成功关键。系统设定顶针的加速度大
于吸嘴，这样能保证二者同时上升拾取晶片时吸嘴和晶片 不发生滑落和位移［2］，进而能准确拾取。
将拾取过程利用ACSPL +语言编写电机动作逻辑，并 调试好电机的 性 能， 观 察 吸 嘴 和 顶 针 的 反 馈 速 度 和 位 置 曲 线，如图6所示。图（a ）中实线和虚线曲线分别代表吸嘴
（BondHead ）和顶针（Ejector ）的反馈位置，图（b ）中实
线和虚线曲线分 别 代 表 吸 嘴 和 顶 针 的 反 馈 速 度 ， 两 图 中 A
—E 阶段分别对应不同的运动过程：A —B 段吸嘴运动到分
拣位置，顶针运动到预备高度，吸嘴和顶针夹紧晶片；B —
C 段二者到位，误差整定；C —
D 段二者同时上升，顶针到
刺破高度；D —E 段顶针下落吸嘴上升；E —F 段吸嘴吸附 晶片，吸嘴和顶针分别运动到初始位置。
3.3晶片分选周期分析
LED 晶片分选机的分选周期主要是由直线电机、摆臂
电机、音圈电机的定位时间以及真空气压转换时间四部分
决定。其中真空气压转换时间是由真空气压转换装置的性
能决定的，电机高频运动的定位精度和定位时间［3］是由运 动控制系统的 性 能 和 分 选 方 案 决 定 的 。 电 机 的 定 位 时 间 包 括运动时间和整定时间［4］两部分。本系统设计的分选过程8 个电机联动的运动逻辑时序图如图7所示，从上到下分别
为八问和犜犈犇狑狀，吸嘴上升和下降的定位时间为T b HU p 和 T bhd 狑狀。由于顶针上升和吸嘴下降同时进行，顶针下落和
吸嘴上升同时进行，音圈电机动作时间T V c 满足公式（6）
(4u n o s U O I 4}:s o d
上。
e q p
①①
工
200
250
300
350 400 450 500 550 600
Sample Time (0. 1ms)
(a)吸嘴顶针位置曲线
—BqndHead 卜-Ejector (S A U n o s I ① A
40e q p
①①
工
X105 The Feedback Velocity of BondHead and Ejector
5- 1 •
100
150
200
250 300 350 400 450 500
Sample Time (0. 1ms)
(b)吸嘴顶针速度曲线
图6吸嘴顶针的速度和位置环
第 5 期张永昊，等：基于ACS 运动控制的LED 晶片分选系统设计・ 119 ・
图7电机运动时序图
重要体现。设定好电机运动模型参数，在Scope 图中追踪
PE （Position Error ，位置误差）、Feedback Velocity （反馈
速度）、Feedback Position （反馈位置）和MST （电机到
位）4个变量。不断调节SLPKP （位置增益）、SLVKP （速 度增益）、SLVKI （积分增益）、SLSOF （低通滤波器）、
SLAFF （加速度前馈）使反馈速度不出现很大震荡，稳态
位置误差不超过设置的允许误差。
最终调试的电机的反馈位置一误差曲线如图9所示。 从图9 （a ）中得出，反馈位置H — F 段电机运动时间为71
ms ，而MST 曲线显示D —E 段的实际定位时间为84 ms ,
二者的差值13 ms 为整定时间。反馈位置曲线G —H 段电
机停留时间为125 ms ，而实际检测到的到位停留时间C — D 为段85 ms ，这说明电机在加速运动以及减速停止时有较大
所以整个运动系统的运动时间满足公式（7）。
T Ta 犾 _ Move =max(T Ws ,T b )T Vc = ma.x （T EjUp ，犜犅H Dozvn ）+ max （T ED°狑",T bhu ） （6）
犜犕狏犲= max （T b s , T w s ，犜狊）
（7）
综上分分析，LED 晶片分选机分选晶片的周期主要由
电机的定位时间决定。
(5)
4电机性能调试
L O
2-O.
Feedback Velocity Position-Error Curve
（a ）反馈位置-位置误差曲线
100200300400500
Time (ms)
分选过程涉及到3种类型8个电机，本节以摆臂电机为 例 ， 给出电机 性 能 的 调 试 过 程， 主 要 包 括 电 机 的 3 环 （ 电
流环、位置环、速度环）控制以及开环FRF 频域稳定性验
证， 结果如下。
1）电流环：
根据控制系 统 的 3 环 控 制 原 理， 电 流 环 的 响 应 速 度 是
最快的，因此首先调整电流环。电流环能保证电机以较快 的速度响应参考 速 度 ， 又 不 至 于 产 生 过 流 现 象 对 设 备 造 成 损坏［5］。调节电流环积分增益（SLIKI ）和电流环比例增益
（SLIKP ）使得实际电流响应曲线无限逼近于参考曲线，调
试结果如图8所示。从图中可以看出，实际响应曲线未超 调且逼近于参考曲线。
2
O.
Feedback Position-Error Curve
Time （ms ）
（b ）反馈速度-位置误差曲线
o.-O.-O.
8
①
p l o r H
U O E S O d
Feedbackvelocity PositionError
/MST
A
B
(
圏團专1
D 止
|X:328 I -
4
sorting outArm Motor Current Loop Tuning
Position Error Curve
-
16OOO
00
40050 100
150 200 250 300 350
400 450
Time (ms)
图8摆臂电机的电流环
0.010
0.015tuo ①
p l o r q
u o m s o d
-6000
Time （ms ）
（c ）反馈速度-位置误差局部放大图
①
①
a
a o e H p e
①工
o 0000
o o
o
o 2 42 0
」 一
2）速度环和位置环：
速度环和位置环是电机速度控制和定位误差准确性的
图 9 摆臂 电机的 速度 环和位 置环
・120・计算机测量与控制第29卷
电机的反馈速度一位置误差曲线如图9(b)所示，从图中可以看出电机的运动模型为三角形模型，反馈速度曲线较为平滑且没有很明显的震荡，速度最大值F点5450 deg/s。MST曲线上B—C段和D—E段定位时间均为85 ms左右。C—D段电机定位完成，有稳态误差，C—D段电机定位完成后的误差曲线局部放大如图9(c)所示，K点稳态误差最大为27角秒(1°=3600角秒)，并在10ms后误差趋于稳定并维持在10角秒以内。
3)FRF频域稳定性验证：
系统开环传递函数的Bode图如图10所示，上图是幅频特性曲线，下图是相频特性曲线。从图中可得，在0dB 穿越点(A点)的相位裕度为32.1°，在一180°穿越点(B 点)的幅值裕度15.6dB。在截止频率为98.7Hz时，相位裕度大于30°从相位图中可以看出在0〜30Hz的低频段内摆臂电机有较高的增益，因此摆臂电机的参数满足系统
以上以摆臂电机为例给出了电机3环调试以及频域稳定性验证的过程，其它7个电机的调试过程和上述过程类似，在此不再赘述，最终调试结果如表3所示。
表1电机的运动时间和定位误差调试结果
电机定位时间/ms定位误差
吸嘴123030Count
推顶器2530Count 硅片&料片台X4025Count
硅片&料片台Y3520Count
摆臂8530角秒
说明：1Count=0.5y m1°=3600角秒
经测试ZKMY—P10型号LED分拣机设备的真空气压转换时间大约为10ms，根据3.3小节运动时序分析的公式(1)和公式(7)以及表1中电机运动时间的调试结果计算出单片分拣的周期在125〜130ms左右。
5连续分选测试结果
系统设计了两组实验，分别对17兴34mil和10兴20mil 两种不同大小的晶片进行7组连续分选测试。实验选取了大约13000片晶片进行连续分选测试，在实验过程中利用软件系统统计平均分选时间，并通过摆放盘的晶片摆放情况统计晶片漏检数量，最终的测试结果如表2所示。
从表格中数据可得，测试不同数量分选的平均时间维持在130ms以内，分选的漏检率维持在为1%o左右。在同一片硅圆片上相同等级的晶片物理位置基本是连续的，当测试数量较少时，硅片工作台单次移动的距离基本都是相邻晶片的间隔，此时工作台移动时间小于摆臂运动时间，因此平均分选时间小；当测试数量较多时，硅片工作台单次移动的距离变大，当工作台移动时间大于摆臂时间时，单次分选时间边长，因此平均分选时间会比测试数量少的时候略长，维持在130ms之内。
表2连续分选测试结果
晶片规格17*34mil10*20mil 测试
数量
试验
次数
平均
时间
漏检率
(%0)
平均
时间
漏检率
(%0) 501012301210
1001012501220.63 2008123 1.251240.63 3006129 2.12125 2.12 50051240.80124 2.50 100031250.701270.50 20002130 1.00129 1.25
国内使用较多的LED分选机的速度和定位精度如表3所示［6］。ASM的MS100plus型号分选机在速度方面还是有显著的优势，跟国内的现有的设备相比，ZKMY—P10分选机的平均分选速度略低但是有更高的定位精度，这对未来分选尺寸更小的Mini LED晶片更有优势。
表3不同型号LED分选机的指标
设备厂商设备型号分选速度/ms定位精度/mil 中电45所DB—8002S350士2.8
威控自动化LS—368D120士1.0
宇强光电HS—200100士1.5 ASM MS100plus85士1.5
ZKMY ZKMY—P10125士0.5
6结束语
本文介绍了ZKMY—P10型号分选机的结构和分选实验平台，分析了晶片分选流程，结合现有硬件条件设计了分选过程各部分的运动时间和运动时序并在SPiiPlus MMI 软件中调试电机的性能参数。设计了吸嘴和顶针接触式剥离拾取晶片的方案并利用ACSPL+语言编写8个电机联动的运动逻辑代码。在基于ZKMY—P10型号的分选机实验平台下进行两种不同规格大小晶片的连续分选实验测试。
实验结果表明，ZKMY—P10型号分选机的分选速度和定位精度和国内现有的设备基本持平，虽然比国际上现有主流的ASM分选机的分选速度低，但是在定位精度上更有
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