高速高精度叠层直线运动控制系统

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题。
粗精动协同控制方法
试验台的粗精动协同控制主要考虑如下两个问
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粗精动系统模型
(1) 粗动台和精动台的耦合问题。上下平台耦 合的强弱和系统的机械结构关系较大，比如式(1)、 (2)中，若 m1 ? m2 ，则 me→m2 ，此时 me − m2 =0 m2 (me s 2 + ξ s + k ) 由此可知，满足这种条件，则精动台对粗动台 的影响可以忽略。实际系统中，根据不同的结构设 计，有些系统可以只考虑单方向的耦合 [3]，还有的 系统可以忽略耦合看成两个单输入单输出系统[4]。 当粗动台和精动台的耦合不可忽略时，考虑粗 动台和精动台的特点，这样的问题可以当作多个频 率段和多个控制输入间的解耦控制来处理，称为频 率分离控制。这种方法在磁盘驱动器的控制器设计 中研究和应用较多，实际上是通过多变量频域理论 对系统的闭环灵敏度函数进行频域整形，整形的方 法比较多，如 H8 、µ综合等方法都有应用[5-7]。根据 控制对象的特点，闭环的方式可能有所不同，但是 其闭环灵敏度函数的整形结果基本相同，即在低频 段系统的闭环灵敏度函数约等于粗动台闭环灵敏度 函数，高频段系统的闭环灵敏度函数约等于精动台 闭环灵敏度函数。频率分离方法对模型要求较为严 格，同时算法也比较复杂，尤其对于结构比较复杂 的大负载平台。 应该指出的是，耦合的考虑还与系统的输出变 量有关，对气浮工作台，当 ?、k 足够小时，式(1) 变为
20040916 收到初稿，20050307 收到修改稿
月 2006 年 4 月
宋亦旭等：高速高精度叠层直线运动控制系统
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(2) 完成 50 µ s 为伺服周期的精动台控制。 (3) 传感器信号的采集，包括相对位置传感器 和激光干涉仪数据。 (4) 对粗精动运动控制进行协调，包括进行粗 动台的位置监控，以及把一些运动状态信号发送到 PMAC 运动控制卡等。 (5) 人机交互界面。 PMAC 运动控制卡能够同时进行 8 轴的控制， 用户不仅可以通过设置带宽等参数利用 PMAC 的 自整定获得性能良好的控制器，同时， Turbo PMAC 控制卡还具有一定的开放性，用户可以通过简单的 方式编写自己的控制算法。试验台的 Turbo PMAC 运动控制卡主要进行直线电动机控制，伺服周期 110 µ s， 通过双端口 RAM 从主控计算机获得每个伺 服周期的位置命令。同时，卡上还集成了光栅接口， 接收直线光栅尺位置反馈，并由 16 位 D/A 芯片向 直线电动机驱动器输出给定电流信号。
轨迹跟踪精度。②为宏机械臂提供阻尼，加快宏机 械臂的振动收敛。尽管从理论上讲，粗精控制可以 看成是宏/微控制的特例，尤其是考虑到冗余运动， 在惯量特性和动态一致性[1]等方面的分析可以很好 借鉴，但由于机械结构的不同，粗精协同控制考虑 的侧重有所不同，方法上也有自己的特点。 为了研究高速高精度直线运动的实现方法，首 先介绍了一个叠层试验台的硬件系统，然后分析了 叠层台的耦合问题和轨迹分配问题，并采用绝对空 间闭环方式实现试验台粗精动系统的轨迹跟踪控 制，最后给出了试验结果。
me (m2 s 2 + ξ s + k ) 2 2 m1 m2 s (me s + ξ s + k ) me (ξ s + k ) 2 2 m1 m2 s (me s + ξ s + k ) 式中 mm me = 1 2 m1 + m2
(3)
s——拉氏变换算子
式(2)变为
1
系统描述
试验台采用永磁直线电动机驱动粗动台，光栅 尺安装在台基表面， 光栅尺读数头安装在粗动台上， 用于测量粗动台的位移，粗动台总行程 300 mm。 音 圈电动机驱动精动台， 行程约 1 mm，粗动台与精动 台的相对位置由电涡流传感器测得。采用激光干涉 仪作为控制系统的全局位置检测元件，激光干涉仪 的反光镜安装在精动台上。传统的机械式导轨往往 受到摩擦和丝杠间隙等非线性因素的影响，这些不 确定性将影响到系统的控制精度，试验台的粗、精 两级平台均采用闭式气浮导轨。试验台的其他信息 可参见参考文献[2]。 系统的主控计算机使用 RTLinux 操作系统，其 主要功能如下。 (1) 实现粗精系统的运动轨迹规划，并通过双 端口 RAM 将规划数据传送给控制直线电动机的 PMAC 运动控制卡。
1 2 yc m1s = yf 0 −1 m1s 2 Fc 1 Ff m2 s 2
忽略系统的电磁时间常数，粗精动系统简化的 等效模型示意图见图 1。
ห้องสมุดไป่ตู้
图1 粗精动系统的等效模型示意图
图中
k ——耦合弹性系数 ?——阻尼比 F c，F f ——粗动台和精动台的驱动力 yc，yf ——粗动台和精动台的输出位置 m1 ，m2 ——粗动台和精动台的等效负载质量 易得系统的频域传递矩阵 yc (s ) y (s ) = f me − m2 2 m2 (me s + ξ s + k ) Fc (s ) me Ff ( s ) m2 (me s 2 + ξ s + k ) (1)
中图分类号：TP24 *
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前言
随着制造业对加工精度和加工效率的要求不断 提高，高速高精度运动的实现成为精密制造领域关 键技术之一，比如磁盘伺服系统、大规模集成电路 的生产、微机电系统的制造与检测和细胞操作等。 高速高精度的运动系统的实现涉及到超精密机械设 计与制造、超精密运动控制和超精密检测等一系列 尖端技术。 由于加工水平和工艺等原因，大行程且精度高 的执行器的制造一直是一个比较困难的问题，许多 执行精度很高的器件其行程往往很小，比如音圈电 机 (Voice coil motor) 、 压 电 促 动 器 (Piezoelectric actuator)等。 利用双层台的叠层方式是实现大行程高 精度运动的一种有效方案，这种方法有效降低了执 行器的加工难度，实现成本也比较低。一般来讲， 下层台为粗动台，具有大行程的高速运动能力，上 层台为精动台，虽然行程较小，但具有高精度和高 频响的特点。 粗精叠层工作台在运动方向构成冗余。 叠层台可以用于精确定位，也用于轨迹跟踪， 根据控制对象及其应用场合不同，其机械结构形式 及粗精动协同控制(Coarse-fine control) 方案也有很 大的区别。在机器人系统中，对应多自由度的情况， 有宏/微操作臂，微机械臂一般安装在宏机械臂的末 端，构成冗余结构。宏机械臂由于杆件较长，往往 具有一定的柔性，微机械臂的作用主要有两方面： ①为系统提供更高带宽的精密运动，从而提高系统
第 42 卷第 4 期 2006 年 4 月
机
械
工
程
学
报
Vol. 42 A p r.
N o .4 2006
CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
高速高精度叠层直线运动控制系统*
宋亦旭
1
王健发
2
杨开明
2
尹文生
2
朱
煜
2
贾培发
1
(1. 清华大学智能技术与系统国家重点实验室 北京 100084； 2. 清华大学精密仪器与机械学系 北京 100084)
Fj = J T Ft + [ I − J T J T# ]Fj0
置输出反馈设计的控制器解出， 可由式(5)解得， Fj = T T (F t – F cf, F t ) 或 Fj = ( F t+F cf, F t) ，这样，可以直接使 用相对传感器对 ycf 进行闭环调节，从防止精动台饱 和的角度看，直接控制精动台和粗动台的相对位置 可能更加有效，不过当机构本身比较复杂时，相对 位置传感器和直线电动机之间往往存在异置 (Noncollocated)问题， 结构柔性会影响粗动台的控制带宽。 另一种方法考虑在绝对空间闭环的条件下，精 动台位置输出即为系统的运动轨迹，此时粗动台的 运动轨迹为 yd – ef 可保证精动台处于最佳相对位 置，其中 yd 表示期望轨迹，e f 为精动台跟踪偏差。 试验台用这种方法进行试验。相对于粗动台的运动 能力，ef 通常可以忽略，同时 e f 的引入会给直线电 动机控制系统带来额外的高频噪声，此时粗动台以 光栅尺为反馈器件进行局部闭环， 跟踪轨迹 yd 即可。 另外从试验台使用的电涡流传感器和光栅尺的输出 信号看，后者输出的信噪比也相对较好。 试验台利用激光干涉仪输出作为全局位置反 馈，绝对空间闭环控制器采用极点配置方法，依靠 精动台实现高带宽高精度的跟踪和定位；粗动台跟 踪精动台，保证精动台不饱和，精动台对粗动台的 力扰动可以通过增强粗动台控制器的鲁棒性来解 决，驱动粗动台的直线电动机采用 PID 控制器。在 精动台的驱动系统非线性影响较弱时，这种方法可 以适当放宽粗动台的稳态跟踪精度，同时不要求高 精度的相对位置传感器。 由于音圈电动机响应较快，在加减速段，应尽 量加快直线电动机的响应速度，此时在直线电动机 控制器中加入加速度前馈项调整粗精动台的相互位 置，防止精动台饱和的发生。
摘要：在分析粗精动控制系统的耦合及轨迹分配等问题的基础上，介绍叠层试验台高速高精度直线运动的实现： 采用永磁直线交流电动机驱动粗动台，粗动台行程大但带宽较低；音圈电动机驱动精动台，精动台带宽高但行程 较小。用绝对空间闭环方式实现试验台的粗精运动控制，这种方法可以忽略粗动台对精动台的惯性力扰动，精动 台直接跟踪给定轨迹，粗动台跟踪精动台的运动轨迹防止精动台发生运动饱和。试验结果表明，精动台显著提高 了系统的定位和跟踪精度，该控制方法使叠层试验台的高速高精度运动得以方便实现。 关键词：叠层台 粗精控制 轨迹跟踪
根据式(1)，可得 yc (s ) y (s ) = cf me (m2 s 2 + ξ s + k ) 2 2 m1 m2 s (me s + ξ s + k ) −me 2 m1 (m e s + ξ s + k ) 式中 me − m2 2 m2 (me s + ξ s + k ) Fc (s ) 1 Ff ( s ) me s 2 + ξ s + k (2) ycf ——精动台相对粗动台的位移