森嵐科技SEMSO tech(化名，以下簡稱森嵐)成立于本世紀初，是一家專注于自動化測試解決方案的設備制造商。他們主要致力于提供自動化測試設備，包括取放、重力和SLT處理設備，以及相關的機器自動化和數(shù)據(jù)采集服務。森嵐科技在亞洲市場享有盛譽，為中國大陸、臺灣和東南亞地區(qū)的50多家測試機構提供自動化測試解決方案。2014年，森嵐開始研發(fā)MEMS傳感芯片測試設備。

01、MEMS傳感芯片知多少?

MEMS傳感芯片是一種采用微機電系統(tǒng)(MEMS)技術實現(xiàn)的微機械角速度傳感器，主要包含陀螺儀、加速度硅等用于方向感應和重力變化的芯片。它們可以測量和感知一軸或多軸的旋轉角速度，精準感測自由空間中的復雜移動動作。因其無須借助任何如重力或磁場等的外在力量，就能夠自主性的發(fā)揮其功能，所以成為追蹤物體移動方位與旋轉動作的必要運動傳感器。同時，它是一種快速、精確和緊湊的微型傳感器，因此在消費電子、汽車電子、醫(yī)療電子、工業(yè)機器人...等領域有著廣泛的應用。

對于MEMS傳感芯片生產商來說，需要使用高性能的芯片檢測設備，來獲得可靠的質量數(shù)據(jù)反饋，以生產出品質過硬的高精度傳感芯片產品。

02、設備應用原理

平穩(wěn)精準 至關重要

MEMS傳感芯片檢測設備的結構類似一臺機械式的陀螺儀，其核心是一個可以在俯仰和滾動兩個方向同時旋轉的工作臺。將需檢測的MEM傳感芯片置于工作臺上，使其在這兩個方向上按照預設的速度勻速旋轉，再把芯片傳感器檢測出來的速度值和工作臺的實際旋轉速度進行比對分析，就可以判斷評估MEMS傳感芯片的測量精度和性能，這就是MEMS傳感芯片檢測設備的工作原理。

不難看出，工作臺在俯仰和滾動兩個方向上旋轉速度的平穩(wěn)性至關重要，它是設備檢測性能實現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定和可靠性的基礎，同時也影響著MEMS制造商能否生產出高品質、高精度的傳感芯片。

03、機器設計需求與挑戰(zhàn)

設備革新 挑戰(zhàn)重重

森嵐科技早期的目標是開發(fā)中高端MEMS傳感芯片測試設備，因此他們對這款檢測設備的工作臺旋轉速度的平穩(wěn)性提出了嚴格的要求，以確保設備進行傳感芯片測試的精度和穩(wěn)定性。經過市場調研與評估，他們明確提出了工作臺旋轉速度的波動需小于±0.1%的要求。

森嵐發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的旋轉伺服電機因其速度穩(wěn)定性遠低于需求指標，完全無法用來驅動測試工作臺旋轉，于是他們在項目初期就引入了直驅電機方案。最初，他們使用的是空心軸有框直驅電機(類似科爾摩根DDR產品)，經過近兩年的開發(fā)測試，在使用了多個品牌系列的直驅電機后，設計目標依然無法穩(wěn)定可靠的達成。此時，森嵐團隊注意到，這種方案有一個短板，就是直驅電機是在單側驅動測試臺旋轉的，需要為工作臺在該電機對稱側加裝平衡配重。而對于這個配重的設計與安裝，在精度上是很難確保工作臺在正交方向旋轉速度的穩(wěn)定性。

在這種情況下，森嵐開始考慮使用雙側內嵌無框直驅電機的方案，以徹底解決轉臺平衡配重的問題。

持續(xù)探索 深入分析

由于此前已經對科爾摩根在電機設計制造及運動控制領域的專業(yè)技術能力有了一定了解。2016年，森嵐找到科爾摩根，希望能夠為這臺MEMS傳感芯片測試設備的開發(fā)提供方案和建議。在經過一番深入研究后，雙方團隊意識到，采用雙側內嵌無框直驅電機驅動的方案盡管能夠有效的解決轉臺平衡配重的問題，但在開發(fā)過程中還是會面臨眾多挑戰(zhàn)：

對于森嵐來說，這種創(chuàng)新的驅動方式，要求其設備工作臺在結構設計和加工上必須做到嚴格的中心對稱、平衡

對于驅動工作臺旋轉的電機來說，兩側既互為動力，同時也互為對方的負載，必須在質量、慣量、速度與加速特性上做到高度的一致，才能夠確保整個測試臺旋轉速度的平穩(wěn)性

由于兩臺電機安裝位置是鏡像對稱的，因此它們的旋轉方向其實是相反的，這讓驅動器的 PID 整定變得極具挑戰(zhàn);為了節(jié)約硬件成本，森嵐希望采用一臺驅動器驅動兩臺電機，這進一步增添的驅動器調試的難度

工作臺的驅動是需要通過專用 IPC 控制，為了降低用戶設備開發(fā)和使用的難度，還需要盡量簡化控制和驅動系統(tǒng)的組態(tài)、配置和編程難度，避免和減少過多的中間環(huán)節(jié)組件

04、方案與服務

量身打造 專屬定制

基于上述需求和挑戰(zhàn)，科爾摩根為森嵐提供了如下解決方案：

● 2臺2kW/12A KBM無框力矩電機，用于俯仰軸的同步旋轉驅動

● 1臺4kW/24A KBM無框力矩電機，用于滾動軸的旋轉驅動

● 2臺AKD伺服驅動器為3臺KBM電機提供動力，其中一臺同時驅動兩臺同步旋轉的俯仰軸, 另一臺驅動滾動軸

● AKD伺服驅動器通過 Modbus 與上位IPC控制器通訊，接收速度控制指令，為此科爾摩根還為用戶編寫了Modbus DLL直接控制指令的協(xié)議代碼。

這樣一套直驅解決方案，讓此前森嵐在設備研發(fā)過程中遇到的問題，都一一迎刃而解。

品質服務 全面助力

另外, 科爾摩根團隊還基于自身在運動控制以及電機制造行業(yè)的經驗，為設備研制和電機傳動系統(tǒng)參數(shù)的整定提供了多項建議和改進方案，這不僅有效的提升了設備整體性能和產品制造質量，還幫助用戶提升了設備綜合研發(fā)與測試的能力。

專業(yè)技術服務包括：

● 基于應用需求的設計選型

● 協(xié)助設定和配置驅動系統(tǒng)參數(shù)

● 指導應用軟件(Workbench)的操作使用

● 設備系統(tǒng)與產品的測試驗證

● 為機械系統(tǒng)加工組裝的一致性提供建議

05、客戶收益

快速交付 品質保障

基于出色的運動控制方案與服務，此款MEMS傳感芯片檢測設備在各方面都表現(xiàn)頗佳：

● 工作臺旋轉的速度波動極低，速度波動<±0.02%(遠低于預設的±0.1%)，有效的確保了MEMS傳感芯片測試的精度和穩(wěn)定性

● 設備運行十分安靜，幾乎沒有噪音

● 整個機臺結構更緊湊，非常美觀

這款高性能的檢測設備為制造商生產高品質MEMS傳感芯片提供了有力保障。

2017年，森嵐完成這款設備的研發(fā)測試，開始逐步投放市場銷售，進入量產階段。目前森嵐每年都會向行業(yè)用戶交付8-10臺該款MEMS傳感芯片測試設備，這款設備在市場上贏得了超出其他品牌一倍(約100kUSD)的溢價，為森嵐創(chuàng)造了可觀的經濟收益。

（科爾摩根）