CN110531611A - 基于pso算法及pid控制的超声键合频率跟踪方法 - Google Patents

基于pso算法及pid控制的超声键合频率跟踪方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于PSO算法及PID控制的超声键合频率跟踪方法，采用基于惯性权重递减的PSO算法的PID参数自整定，从而利用MCU中的PID控制部分跟踪超声换能器的谐振频率，并利用可编辑的电压轨迹加载方式给超声发生器供能，整个过程实现自动化，克服了传统PID控制器参数整定需要大量的时间以及经验的不足。而且，相比传统PID参数整定方法对被控参数稳定性的要求，本发明可以实现对被控参数变化时的自动整定，并且采用可编辑的电压轨迹加载方式给超声发生器供能，更好的跟踪换能器的谐振频率变化，不断的调整驱动频率，能够稳定能量输出，使换能器工作在谐振频率状态，有效延长超声换能器的寿命。

Description

基于PSO算法及PID控制的超声键合频率跟踪方法
技术领域
本发明涉及超声键合频率跟踪技术领域，特别涉及一种基于PSO算法及 PID控制的超声键合频率跟踪方法。
背景技术
随着电子产业的不断发展，微电子制造行业在全球经济增长中起到了非常 重要的作用，是影响国家利益和安全的战略性和基础性产业。其中，对于一系 列以集成电路IC为代表的智能制造技术在人民日常生活中的作用也不断提高。 随着芯片的体积不断减小，相应的集成度变得越来越高，不断朝着低成本的趋 势发展，芯片的封装技术也就显得极其重要，向着高度集成和高性能方向发展 已成为必然的趋势，芯片封装技术的好坏，将直接影响到芯片的性能和市场售 价。
芯片互连是电子封装技术的重要一环，其主要目的就是将芯片与焊盘用金 属细丝连接并封装在基板上的一种微连接技术。引线键合由于它的焊点精度比 较高，可靠性强，操作上比较容易实现自动化等特点使其成为微连接领域最常 用的技术，此外，还有倒装焊，载带自动焊等技术也是较为常见的芯片互联技 术。
引线键合是芯片封装中关键的一个环节，随着电子封装产业的发展，对于 芯片体积和性能的要求越来越高，超高密度和超细间距成为未来键合发展的必 然趋势，对键合过程的稳定性以及超声能量的控制提出更高的挑战。目前用于 引线键合的超声发生器存在超声能量输出模式单一、频率跟踪速度慢、精度差 等问题。
随着科技水平的提高，实际工业领域中对于键合的要求也越来越高。未来 的键合向更高密度与更细间距发展，对键合过程的稳定性以及超声能量的控制 提出更高的挑战。当前行业内使用的超声发生器，其驱动频率为60～138kHz 范围，施加的超声能量不稳定对实现微小焊点的金属间原子扩散能力不足，即 导致其键合强度不够，引线截面宽度与厚度之比不高，即可靠性差。超声键合 能量的稳定性与超声发生器频率跟踪的性能和能量的加载模式密切相关。超声 发生器驱动换能器键合时，若施加在换能器两端的电压电流信号的相位差较 大，会导致换能器阻抗变化剧烈，不仅会使超声能量输出不稳定还会缩短换能器寿命，必须设计有效的频率跟踪方法，并且频率跟踪的速度和精度对于键合 性能的稳定影响很大。其次，引线键合的过程分为多个阶段，每个阶段换能器 的负载都会发生变化，相应地，超声键合系统也应该根据键合阶段的不同，也 就是负载的不同，施加不同的超声能量。因此，对于超声键合系统中频率跟踪 方法的设计以及超声能量的加载模式很有必要。
发明内容
针对上述不足，本发明的目的在于，提供一种基于PSO算法及PID控制的 超声键合频率跟踪方法。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：
一种基于PSO算法及PID控制的超声键合频率跟踪方法，其包括以下步骤：
(1)由上位机设置好一个初始的启动频率并发送给MCU，MCU控制超声发生 器给予超声换能器这个启动频率；
(2)超声换能器的电压和电流信号经过有效值采集电路被转换为有效值， 并反馈到MCU上计算出键合实时阻抗并传递至上位机；
(3)超声换能器的电压和电流经过反馈电路被转换为方波后反馈到MCU上， 由MCU计算出电压与电流信号的相位差并传递至上位机；
(4)根据反馈的电压电流的相位差，MCU内的PID控制部分利用反馈回的 电压、电流相位差作为反馈输入，计算出超声发生器的输出频率以及输出电压 的幅值并发送给超声发生器，从而更好的跟踪换能器的谐振频率变化。
作为本发明的一种改进，所述反馈电路包括电压反馈和电流反馈，该电压 反馈和电流反馈分别包含了五级运放，两路信号经过方波转换芯片之后，由正 弦信号转换为两路方波信号，电流信号转换成方波信号后作为D触发器的时钟 输入端，电压信号转换成方波信号后作为D触发器的数据输入端，MCU通过判 断D触发器输出端的高低电平的状态来判断电压超前还是电流超前，从而不断 的调整驱动频率，使超声换能器工作在谐振频率状态。
作为本发明的一种改进，所述(1)中的超声发生器的输出信号是由DDS直 接合成，其根据MCU传达的驱动频率指令，为整个电路产生指定频率的正弦信 号。
作为本发明的一种改进，所述步骤(2)中的超声换能器的电压和电流信 号经过AD637有效值采集芯片转换为有效值。
作为本发明的一种改进，所述步骤(3)中的超声换能器的电压信号经过采 样电阻转换为电流信号，电流信号与电压信号再由方波转换器由正弦波转换为 方波，通过计算两路方波对于D触发器的触发时间差来计算两路信号的相位差。
作为本发明的一种改进，所述MCU为基于ARM内核的STM32F103芯片，并 在其内部实现了PID控制算法。
作为本发明的一种改进，所述MCU中的PID控制参数整定由惯性权重递减 的PSO寻优算法来整定，其适应度函数选用误差绝对值和时间积分型作为PID 寻优的适应度函数。
作为本发明的一种改进，所述超声发生器能量加载采用了可编辑的电压轨 迹加载方式。
本发明的有益效果为：本发明采用基于惯性权重递减的PSO算法的PID参 数自整定，从而利用MCU中的PID控制部分跟踪超声换能器的谐振频率，并利 用可编辑的电压轨迹加载方式给超声发生器供能，整个过程实现自动化，克服 了传统PID控制器参数整定需要大量的时间以及经验的不足。而且，相比传统 PID参数整定方法对被控参数稳定性的要求，本发明可以实现对被控参数变化 时的自动整定，并且采用可编辑的电压轨迹加载方式给超声发生器供能，更好 的跟踪换能器的谐振频率变化，不断的调整驱动频率，能够稳定能量输出，使 换能器工作在谐振频率状态，有效延长超声换能器的寿命。
下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。
附图说明
图1为本发明中超声发生器的模块示意图。
图2为本发明中反馈电路的结构示意图。
图3为利用LDWPSO算法来对PID控制器进行参数寻优图。
图4为惯性权重递减的PSO(LDWPSO)算法运算框图。
图5为可编辑的电压轨迹加载的单片机实现流程图。
具体实施方式
参见图1-图5，本实施例提供的一种基于PSO算法及PID控制的超声键合 频率跟踪方法，其包括以下步骤：
(1)由上位机设置好一个初始的启动频率并发送给MCU，MCU控制超声发生 器给予超声换能器这个启动频率信号；所述(1)中的超声发生器的输出信号是 由DDS直接合成，其根据MCU传达的驱动频率指令，为整个电路产生指定频率 的正弦信号；
(2)超声换能器的电压和电流信号经过AD637有效值采集芯片被转换为有 效值信号，并反馈到MCU上计算出键合实时阻抗并传递至上位机，电压信号有 效值除以电流信号有效值可以获得超声换能器的实时阻抗；
(3)超声换能器的电压和电流正弦信号经过五级放大器放大，再由方波转 换芯片将正弦信号转换为方波。将两路方波送入D触发器再由MCU计算出两路 信号的相位差并将相位差上传至上位机，上位机的界面程序可以实时显示超声 换能器的阻抗和相位差，便于观测控制效果；具体的，超声换能器的电压信号 经过采样电阻转换为电流信号，电流信号与电压信号再由方波转换器由正弦波 转换为方波，通过计算两路方波对于D触发器的触发时间差来计算两路信号的 相位差。所述反馈电路包括电压反馈和电流反馈，该电压反馈和电流反馈分别 包含了五级运放，两路信号经过方波转换芯片之后，由正弦信号转换为两路方 波信号，电流信号转换成方波信号后作为D触发器的时钟输入端，电压信号转 换成方波信号后作为D触发器的数据输入端，MCU通过判断D触发器输出端的 高低电平的状态来判断电压超前还是电流超前，从而不断的调整驱动频率，使 超声换能器工作在谐振频率状态；
(4)根据反馈的电压电流的相位差，MCU内的PID控制部分利用反馈回的 电压、电流相位差作为反馈输入，计算出超声发生器的输出频率以及输出电压 的幅值并发送给超声发生器，从而更好的跟踪换能器的谐振频率变化，即由MCU 充当PID控制器跟踪换能器的谐振频率，并控制超声发生器的输出频率以及输 出电压的幅值；所述MCU为基于ARM内核的STM32F103芯片，并在其内部实现 了PID控制算法。所述MCU中的PID控制参数整定由惯性权重递减的PSO寻优 算法来整定，其适应度函数选用误差绝对值和时间积分型作为PID寻优的适应 度函数。
同时，利用PSO(LDWPSO)算法来对PID控制器进行参数寻优。如图3所示。 图4为惯性权重递减的PSO(LDWPSO)算法运算框图。基于惯性权重递减的 PSO(LDWPSO)算法对PID控制器进行参数寻优，设置种群规模大小为N，由于 PID控制器只有三个优化参数，故粒子速度和位置矢量的空间维度大小都是3， 即粒子在三维空间中不断进行搜索，直到满足终止条件。其中，其适应度函数 选用误差绝对值和时间积分型(ITAE)作为PID寻优的适应度函数，函数形式 为：
超声发生器的输出电压由可编辑的电压轨迹加载方式进行输出。图5为可 编辑的电压轨迹加载的MCU实现流程图。当MCU检测爬升下降的设置时长T时， 在前T时间段每0.05ms触发定时器中断，进入一次定时器中断定义为一个步 长，则可根据步长与输出电压的关系设计不同的爬升下降模式。
重复步骤(2)-步骤(4)，实现PID参数的自整定及超声换能器谐振频率 的自动跟踪。
本发明采用基于惯性权重递减的PSO算法的PID参数自整定，从而利用MCU 中的PID控制部分跟踪超声换能器的谐振频率，并利用可编辑的电压轨迹加载 方式给超声发生器供能，整个过程实现自动化，克服了传统PID控制器参数整 定需要大量的时间以及经验的不足。而且，相比传统PID参数整定方法对被控 参数稳定性的要求，本发明可以实现对被控参数变化时的自动整定，并且采用 可编辑的电压轨迹加载方式给超声发生器供能，更好的跟踪换能器的谐振频率 变化，不断的调整驱动频率，能够稳定能量输出，使换能器工作在谐振频率状 态，有效延长超声换能器的寿命。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述 实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实 施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围 内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便 说明，并不对本发明构成任何限制。如本发明上述实施例所述，采用与其相同 或相似的步骤而得到的其它方法，均在本发明保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于PSO算法及PID控制的超声键合频率跟踪方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)由上位机设置好一个初始的启动频率并发送给MCU，MCU控制超声发生器给予超声换能器这个启动频率；
(2)超声换能器的电压和电流信号经过有效值采集电路被转换为有效值，并反馈到MCU上计算出键合实时阻抗并传递至上位机；
(3)超声换能器的电压和电流经过反馈电路被转换为方波后反馈到MCU上，由MCU计算出电压与电流信号的相位差并传递至上位机；
(4)根据反馈的电压电流的相位差，MCU内的PID控制部分利用反馈回的电压、电流相位差作为反馈输入，计算出超声发生器的输出频率以及输出电压的幅值并发送给超声发生器，从而更好的跟踪换能器的谐振频率变化。
2.根据权利要求1所述的基于PSO算法及PID控制的超声键合频率跟踪方法，其特征在于：所述反馈电路包括电压反馈和电流反馈，该电压反馈和电流反馈分别包含了五级运放，两路信号经过方波转换芯片之后，由正弦信号转换为两路方波信号，电流信号转换成方波信号后作为D触发器的时钟输入端，电压信号转换成方波信号后作为D触发器的数据输入端，MCU通过判断D触发器输出端的高低电平的状态来判断电压超前还是电流超前，从而不断的调整驱动频率，使超声换能器工作在谐振频率状态。
3.根据权利要求1所述的基于PSO算法及PID控制的超声键合频率跟踪方法，其特征在于：所述(1)中的超声发生器的输出信号是由DDS直接合成，其根据MCU传达的驱动频率指令，为整个电路产生指定频率的正弦信号。
4.根据权利要求1所述的基于PSO算法及PID控制的超声键合频率跟踪方法，其特征在于：所述步骤(2)中的超声换能器的电压和电流信号经过AD637有效值采集芯片转换为有效值。
5.根据权利要求1所述的基于PSO算法及PID控制的超声键合频率跟踪方法，其特征在于：所述步骤(3)中的超声换能器的电压信号经过采样电阻转换为电流信号，电流信号与电压信号再由方波转换器由正弦波转换为方波，通过计算两路方波对于D触发器的触发时间差来计算两路信号的相位差。
6.根据权利要求1所述的基于PSO算法及PID控制的超声键合频率跟踪方法，其特征在于：所述MCU为基于ARM内核的STM32F103芯片，并在其内部实现了PID控制算法。
7.根据权利要求1所述的基于PSO算法及PID控制的超声键合频率跟踪方法，其特征在于：所述MCU中的PID控制参数整定由惯性权重递减的PSO寻优算法来整定，其适应度函数选用误差绝对值和时间积分型作为PID寻优的适应度函数。
8.根据权利要求1所述的基于PSO算法及PID控制的超声键合频率跟踪方法，其特征在于：所述超声发生器能量加载采用了可编辑的电压轨迹加载方式。
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