高精密工作臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與研究

1、高精密工作臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與研究                摘要：研究并設(shè)計(jì)了應(yīng)用于母盤(pán)刻錄機(jī)的高精密工作臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)。在基于DSP數(shù)字閉環(huán)控制器的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論建模、程序仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)中采用了模擬速度環(huán)、PI校正環(huán)節(jié)和線(xiàn)性功放，使工作臺(tái)在低速下有較快的響應(yīng)和較小的穩(wěn)態(tài)誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)后的伺服控制系統(tǒng)有利于提高母盤(pán)的刻錄精度。    

2、;    關(guān)鍵詞：母盤(pán)刻錄 精密工作臺(tái) 驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié) 速度環(huán) PI校正    隨著社會(huì)的發(fā)展，信息的存儲(chǔ)量越來(lái)越大，光盤(pán)信息存儲(chǔ)技術(shù)也在不斷飛速發(fā)展，因而對(duì)母盤(pán)制造精度提出了更高的要求。    目前，光盤(pán)國(guó)家工程研究中心利用高速數(shù)字信號(hào)處理器（），采用數(shù)字閉環(huán)控制原理和傳統(tǒng)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)了高精度工作臺(tái)的連續(xù)大行程運(yùn)動(dòng)。其微位移定位精度為±，宏位移定位精度優(yōu)于±，可以滿(mǎn)足母盤(pán)刻錄直線(xiàn)進(jìn)給工作臺(tái)的連續(xù)變速和±控制精度的要求。   

3、60;在此基礎(chǔ)上，本文研究并設(shè)計(jì)了工作臺(tái)的模擬驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)，以提高控制系統(tǒng)低速響應(yīng)的穩(wěn)定性和快速性。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)    母盤(pán)刻錄系統(tǒng)直線(xiàn)進(jìn)給工作臺(tái)的底座固定在隔振大理石臺(tái)上，底座上安裝了帶高精度滾珠的型槽作為運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌。工作臺(tái)經(jīng)蝸輪蝸桿和小螺距精密絲杠兩級(jí)減速，通過(guò)直流伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。    母盤(pán)刻錄系統(tǒng)采用恒線(xiàn)速刻錄方式，聚焦光斑相對(duì)于母盤(pán)的理想運(yùn)動(dòng)是沿著以母盤(pán)圓心為中心的等線(xiàn)距阿基米德螺旋線(xiàn)以恒定線(xiàn)速度由內(nèi)向外運(yùn)動(dòng)的，該運(yùn)動(dòng)由母盤(pán)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)和刻錄光學(xué)頭的徑向直線(xiàn)進(jìn)給合成得到。   

4、該精密工作臺(tái)用于母盤(pán)刻錄的正常工作速度約為，采用上述大減速比的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)不可避免地存在傳動(dòng)誤差。因此要實(shí)現(xiàn)精密定位，必須采用全閉環(huán)控制系統(tǒng)，直接檢測(cè)工作臺(tái)位置并針對(duì)位置誤差進(jìn)行伺服控制。工作臺(tái)的控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖所示。 模擬驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)的建模     直流電機(jī)模型    工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用上海電機(jī)廠(chǎng)生產(chǎn)的直流力矩測(cè)速電機(jī)組。    若忽略電樞電感和粘性阻尼系數(shù)，則以電樞電壓（s)為輸入、轉(zhuǎn)速()為輸出的直流電機(jī)的傳遞函數(shù)為：    （)

5、()/Ua(s)(1/Ke)/(Tms+1)(Tes+1)(1/Ke)/Tms+1    其中，為電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，其單位為·；為電機(jī)的機(jī)械時(shí)間常數(shù)；為電機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)，其值很小可忽略，因此直流電機(jī)可以被簡(jiǎn)化為一階系統(tǒng)。圖5 實(shí)際PI校正環(huán)節(jié)    電機(jī)機(jī)械時(shí)間常數(shù)的測(cè)定可以通過(guò)給電機(jī)加一個(gè)階躍電壓，然后用示波器測(cè)定響應(yīng)到達(dá)穩(wěn)定值時(shí)所用的時(shí)間而近似得到，如圖所示。得機(jī)械時(shí)間常數(shù)。    開(kāi)環(huán)情況下，輸入電壓經(jīng)過(guò)線(xiàn)性功放后直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，用轉(zhuǎn)速表測(cè)量對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速，可以得到放大倍數(shù)

6、。測(cè)得的數(shù)據(jù)列于表中。表1 測(cè)得的數(shù)據(jù)表                電壓/V    0.5    1.0    1.5    2.0    2.5       

7、60;轉(zhuǎn)速/rpm    0    70    302    520    750        電壓/V    3.0    3.5    4.0    4.

8、5    5.0        轉(zhuǎn)速/rpm    993    1195    1448    1686    1930    數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)直線(xiàn)擬合后，得到放大倍數(shù)為。    電氣時(shí)間常數(shù)很小，近似取，可以得到經(jīng)

9、過(guò)功放后的直流電機(jī)模型的傳遞函數(shù)為：    （）()/Ua(s)463.25/(0.06s+)(0.0012s+1)     驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)    為了提高系統(tǒng)在低速時(shí)響應(yīng)的快速性、穩(wěn)定性和帶負(fù)載能力，要對(duì)模擬驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，由測(cè)速機(jī)引入速度負(fù)反饋，電壓差值經(jīng)過(guò)校正環(huán)節(jié)和線(xiàn)性功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)方案如圖所示。    校正環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)對(duì)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)的性能有重要的影響，原理圖如圖所示。其傳遞函數(shù)為：  

10、0; V0/Vin(1/T0is+1)(Tjs+1/Tis)    其中，為校正器的比例放大系數(shù)，為校正器時(shí)間常數(shù)，為濾波時(shí)間常數(shù)，一般取值較小，用于過(guò)濾高頻噪聲干擾。為了能夠?qū)⑺俣拳h(huán)設(shè)計(jì)成典型二階環(huán)節(jié)，必須保證校正器零點(diǎn)的選擇能夠消掉調(diào)節(jié)時(shí)間大的時(shí)間常數(shù)，即。若取濾波時(shí)間常數(shù)，則濾波電容。取比例放大倍數(shù)為，得，于是得。    為了保證校正環(huán)節(jié)在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)放大器不致因開(kāi)環(huán)而飽和，故在反饋線(xiàn)路上并聯(lián)一個(gè)反饋大電阻。此外，為了便于調(diào)節(jié)，將校正器增加比例系數(shù)功能，但又為防止調(diào)整時(shí)對(duì)時(shí)間常數(shù)產(chǎn)生太大影響，于是要保證，取，。

11、實(shí)際采用的電路圖如圖所示。    下面測(cè)定測(cè)速反饋系數(shù)，數(shù)據(jù)列于表中。表2 測(cè)速反饋系數(shù)表                轉(zhuǎn)速/rpm    0    70    302    520    750&

12、#160;       電壓/V    0    0.96    5.75    11.0    16.0        轉(zhuǎn)速/rpm    993    1195

13、60;   1448    1686    1930        電壓/V    21.1    26.5    31.5    36.8    41.8    將數(shù)據(jù)

14、進(jìn)行直線(xiàn)擬合后得到反饋系數(shù)為:    （）    忽略校正環(huán)節(jié)濾波時(shí)間常數(shù)，最終可得到速度。環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：    （）（）（0.06s+/0.06s）(463.25×0.022)/（0.06s+1）(0.0012s+1)    509.6/(s0.0012s+1) 驅(qū)動(dòng)電路仿真    選用的仿真環(huán)境是及其下的工具箱。     速度環(huán)開(kāi)環(huán)伯德圖&

15、#160;   速度環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：    （）（）509.6/(s0.0012s+1)    用繪制伯德圖，得到圖。    剪切頻率： 相角裕量：度    系統(tǒng)有充分的相角裕量，可知系統(tǒng)穩(wěn)定。     速度環(huán)閉環(huán)階躍響應(yīng)仿真    用下的工具箱搭建速度環(huán)閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖所示。加以的階躍信號(hào)，取反饋系數(shù)為，仿真結(jié)果如圖所示

16、。    從響應(yīng)曲線(xiàn)圖上可以看出，系統(tǒng)階躍響應(yīng)的上升時(shí)間為，超調(diào)量為，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定值為，系統(tǒng)性能良好。     實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析    經(jīng)過(guò)理論建模和程序仿真后，設(shè)計(jì)及調(diào)試用于精密伺服工作臺(tái)的模擬驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)，并進(jìn)行時(shí)域分析，比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果。     不加模擬驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)    首先不加模擬驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)，用數(shù)字控制器的輸出信號(hào)（經(jīng)過(guò)線(xiàn)性功放）直接驅(qū)動(dòng)直流力矩電機(jī)運(yùn)動(dòng)。    

17、; 開(kāi)環(huán)實(shí)驗(yàn)    在數(shù)字控制器開(kāi)環(huán)情況下加一個(gè)輸入電壓，測(cè)試所加電壓和工作臺(tái)速度的關(guān)系，工作臺(tái)速度由采集的直線(xiàn)位置光柵信號(hào)經(jīng)過(guò)程序處理得到。所得數(shù)據(jù)列于表中。表3 輸入電壓與工作臺(tái)速度關(guān)系表                電壓/V    1.0    1.1    1.2

18、60;   1.3    1.4        速度/ms-1    0    05    510    1015    1520    由表中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，開(kāi)環(huán)的速度穩(wěn)定性差，死區(qū)電壓為，系統(tǒng)靈敏度有待提高。&#

19、160;    閉環(huán)實(shí)驗(yàn)    數(shù)字控制器閉環(huán)時(shí)，指定工作臺(tái)以的低速運(yùn)動(dòng)。圖中，（）為速度響應(yīng)曲線(xiàn)，（）為位移響應(yīng)曲線(xiàn)，（）為位移響應(yīng)曲線(xiàn)局部放大圖。    由圖（）和圖（）可以看出系統(tǒng)有近的延遲時(shí)間，其中為死區(qū)時(shí)間（系統(tǒng)無(wú)響應(yīng)）。系統(tǒng)產(chǎn)生延遲主要有下面兩個(gè)原因：機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)存在齒隙、回程等誤差；電機(jī)機(jī)械響應(yīng)存在延遲。    由圖可以得到不加模擬驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)時(shí)系統(tǒng)階躍輸入的時(shí)域響應(yīng)指標(biāo)如下：    延遲時(shí)間： 上升時(shí)間：

20、    峰值時(shí)間： 超調(diào)量：    穩(wěn)態(tài)誤差：    可見(jiàn)，在不加模擬驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)、直接用閉環(huán)控制時(shí)，精密工作臺(tái)的低速響應(yīng)已經(jīng)達(dá)到了一定的快速性和穩(wěn)定性。但是用于母盤(pán)刻錄時(shí)，工作臺(tái)的穩(wěn)定性則需進(jìn)一步提高。     加模擬驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)    在工作臺(tái)控制系統(tǒng)中采用帶有速度環(huán)、校正和線(xiàn)性功放的模擬驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行數(shù)字控制器開(kāi)環(huán)及閉環(huán)實(shí)驗(yàn)。     開(kāi)環(huán)實(shí)驗(yàn)    使用模擬驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)后，實(shí)驗(yàn)測(cè)得在數(shù)字控制器開(kāi)環(huán)時(shí)，系統(tǒng)在電壓下已經(jīng)能夠產(chǎn)生較連續(xù)的響應(yīng)了，如圖所示?？梢?jiàn)系統(tǒng)靈敏性有所提高。     閉環(huán)實(shí)驗(yàn)    加上該模擬驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字控制器