（机械电子工程专业论文）纳米工作台运动控制技术的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 随着m e m s 、生物工程、精密光学、超精密加工、微型机械和纳米技术的 发展，需要能够达到纳米级定位精度的系统及设备，因此各种大行程纳米定 位技术的研究成为了一个热门的课题。国内外很多学者和研究部门采用了许 多不同的方法进行纳米定位技术方面的研究，在众多研究工作者的努力之下 纳米定位问题在许多方面已经比较成熟，在八十年代，针对纳米定位的大行 程问题，相继有研究人员提出了宏微二级驱动的观点。经过多年来的理论和 实践的研究表明该方法是实现大行程、高精度、高速度、低成本的一种高精 密定位技术，拥有广阔的应用领域。 本课题主要研究的是宏微二级纳米定位技术中的有关控制技术的问题。 宏动控制系统由交流伺服系统与滚珠丝杠直连实现粗定位，微动控制系统由 压电陶瓷微动器实现精密定位，达到纳米级定位。本文的研究内容主要包括 以下几个方面： 1 对宏动系统进行研究，主要研究基于p m a c 控制器的控制算法在精密定位 系统中的运用，以及研究宏定位系统所能达到的精度，着重研究了p i d + 速度 n 速度前馈算法在纳米定位系统中的运用与实现。 2 对微动系统进行研究，包括压电陶瓷在纳米定位中的特性，所能达到的效 果，以及微动工作台在宏微两级纳米定位工作台中的作用与实现。 3 根据纳米工作台控制系统的实际要求，采用v b 软件编制人机界面，达到 良好方便的操作效果和视觉效果。 4 通过实验对整个宏、微二级纳米定位系统的大光栅闭环控制方法进行运动 稳定性、运动精度的分析和研究，以实现系统在大行程运动中的纳米级精确定 位的要求。 关键词：控制系统交流伺服p m a c p z tp i d人机界面 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t i t sr e q u i r e ds y s t e ma n de q u i p m e n to fa c h i e v i n gn a n o - p o s i t i o n i n gb e c a u s eo f d e v e l o p i n g m e m s ， b i o e n g i n e e r i n gp r e c i s e - o p t i c s ， u l t r a p r e c i s ep r o c e s s m i c r o - m a c h i n ea n dn a n o m e t r et e c h n o l o g y , s op o s i t i o nt e c h n o l o g yi sai m p o r t a n t t e c h n o l o g y i nt h ew o d dl o t so fs c h o l a r sh a v er e s e a m h e dn a n o p o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y a n du s e dm a c r o m i c r od d v e rs y s t e mt os o l v el o n gd i s t a n c em o t i o ns i n c e1 9 8 0 s t h ep a p e rm a i n l ys t u d i e sc o n t r o lt e c h n o l o g yo fm a c r o - m i c r oc o n t r o l l i n gs y s t e mo f p r e c i s ep o s i t i o n m a c r op o s i t i o nu s ep m a ca n dm i c r op o s i t i o nu s ep z td d v er t h e m a i ns t u d y i n gc o n t e n ti sa sf o l l o w s 1 ) r e s e a r c hm a c r op o s i t i o ns y s t e m p n m a r yp r o b l e mi sh o wt ou s ep m a cc o n t r o l a r i t h m e t i ci np r e c i s ep o s i t i o n i n gs y s t e m m a j o rr e a l i z a t i o na n da p p l i c a t i o no fp i d c o n t r o la l g o r i t h mi np r e c i s ep o s i t i o ns y s t e m 2 ) a n a l y z em i c r op o s i t i o ns y s t e m i t sp n m a r yr e s e a r c h e dp z tc h a r a c t e d s t i ca n d e f f e c to fn a n o p o s i t i o ns y s t e m s t u d yt h ea c t i o na n df u n c t i o no fm i c r ow o r kt a b l ei n m a c r o - m i c r on a n o p o s i t i o n i n gs y s t e m 3 )e x e c u t em a n m a c h i n ei n t e r f a c e i t su s ev bs o f t w a r ed e s i g ni n t e r f a c et oc o n t r o l w h o l en a n o p o s i t i o n i n gt a b l e 4 1s t u d ya n da n a l y z en a n o p o s i t i o n i n gm o t i o np r e c i s i o no fm a c r o - m i c r od d v e r s y s t e mo f c l o s e dl o o p t h ea i mo fu s i n gc l o s e dl o o pr a i s ep o s i t i o n i n gp r e c i s i o na n dm a j o r i sr e p e t i t i o np o s i t i o n i n g k e yw o r d s ： c o n t r o ls y s t e ma c s e r v op m a cp z tp i dm a n - m a c h i n e i n t e r f a c e v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工 作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：衫孔 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及 送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：毛乃 导师签名：丝雒日期：坦五= 2 # i l 上海大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题是“国家8 6 3 高科技发展计划m e m s 装配关键技术及设备”中的 子课题，课题名称为“大行程纳米工作台标定技术的研究”，主要研究一维 纳米定位技术中的有关关键问题，项目编号为：2 0 0 2 a a 4 0 4 4 5 0 。 1 2 本课题研究的意义和目的 自从扫描隧道显微镜发明后，世界上便诞生了一门以0 1 至i 0 0 纳米这 样的尺度为研究对象的前沿学科，这就是纳米科技，纳米技术是2 l 世纪人 类最伟大的发现之一，该技术其实就是一种用单个原子、分子制造物质的科 学技术。纳米是一种几何尺寸的度量单位，1 纳米为百万分之一毫米，即1 毫微米，也就是十亿分之一米。略等于四十五个原子排列起来的长度。纳米 结构通常是指尺寸在1 0 0 纳米以下的微小结构。纳米科技以空前的分辨率为 人类揭示了一个可见的原予、分子世界，它的最终目标是直接以原子和分子 来构造具有特定功能的产品。所谓纳米科技，就是以纳米尺度为研究对象的 新技术。纳米技术通过操纵原子、分子、原子团、分子团使其重新排列组合， 形成新的物质，制造出具有新功能的机器。从9 0 年代初起，纳米科技得到 迅速发展，新名词、新概念不断涌现，像纳米电子学、纳米材料学、纳米机 械学、纳米生物学等等。纳米科技是信息和生命科学技术能够进一步发展的 共同基础，将对人类未来产生深远影响阎一【2 8 1 。 从2 0 世纪6 0 年代起，人们首先对分立的纳米粒子进行研究，开始了纳 米技术的探索历程。随着精密加工技术的发展，加工精度达l n m 数量级的要 求已提上日程。由于固体可确定的长度或可分辨的极限是原子之间或原子晶 格之间的距离，即约为0 3 r i m ，因此， 尺寸单位就是一个原子的尺寸。目前， l n m 精度的加工所相对应的最小去除 超精加工和超微加工在国际上己进入 了纳米技术的新时代，对微小位移量及微小物体几何形状测量已经达到了纳 米、亚纳米量级；另一方面，现代精密加工要求位移测量技术能在比较宽的 量程上有极高的分辨率和很高的精度，迅速研发全新的纳米级位移、定位及 控制测量技术己成为众多尖端科技的迫切要求。随着纳米工程技术的快速发 展，对其关键技术之一：精密定位技术的需求也日益增长，它要求系统具有纳 米级( 甚至是亚纳米级) 的重复定位精度及分辨率。纳米级精密定位技术在诸 上海大学硕士学位论文 多的精微操作领域如微小机械零件装配、微机电系统( m e m s ) 组装、光学调整、 生物细胞操作、大容量数据存储、s t m 等具有广泛的应用前景。当前市面上 已经有许多纳米级的微定位器，但是由于在纳米科技的发展过程中主要的应 用范围都需要达到数毫米甚至几十毫米的运动范围，因此需要具有大行程的 纳米定位设备。而此类设备的研制，应用并且能够达到很好的定位精度，这 对现代科技的发展无疑有着积极和重要的作用【1 h 司。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 纳米科技的产生和发展，填补了人类对宏观与微观之间的联接区域认识 的不足，目前纳米科技的研究和应用主要包括纳米电子学、纳米材料、纳米 加工技术纳米机械、纳米化学、纳米生物学等几个方面：在新旧世纪交替的 时候，纳米技术的研究和开发正日益成为国际科学界和工程技术界关注的热 点。它的迅猛发展将在本世纪促使几乎所有的工业领域产生一场革命性的变 化。目前几乎所有发达国家的政府和企业都在对纳米科技的研发进行大量的 投入。 美国己制定了国家纳米技术计划( 简称n n i ) ，并把其作为美国政府当前 科技研究与开发的第一优先计划。涉及领域包括：材料与制造、纳米电子、 药物与保健、环境与能源、化学与制药工业、生物技术与农业、计算机与信 息技术，以及国家安全。 图1 - 1 美国n p o i n t 公司的微动平台 如美国的n p o i n t ( 图1 - 1 ) 高精度纳米定位和位移控制平台帆可在微、纳 米范围内实现纳米级精度的位移控制及精确定位。其运动范围达5 0 0u m ，分 2 上海大学硕士学位论文 辨率高达0 1 n m 可在三维空间的六个自由度上精确定位；同时借助闭环回路 控制系统和计算机软件操作，使定位装置真正实现了全方位精确的纳米位移 控制和定位。 日本是在纳米研发方面处于领先地位的国家之一，日本的研究重点以民 间的产品应用为主要对象，他们在声、光、图像、办公设备中的小型、超小 型电子和光学零件的超精密加工技术方面，具有这些领域的领导地位。 图1 2 是日本东京工业大学精密及智能实验室研制的纳米定位系统，它 采用有刷直流电机、空气静压轴承和丝杠、p i d 控制器，是单层工作台的纳 米定位系统，定位精度达到了4 - 2 n m l 8 1 。由于采用了丝杠螺母的驱动形式， 因此可以达到很大的定位行程。并采用有刷直流电机来增加系统的阻尼，避 免高频振荡。 图卜2 纳米定位系统 德国把纳米技术列为2 1 世纪科研创新的战略领域，1 9 家研究机构专 门建立纳米技术研究网，研究课题范围很广，涉及从分子结构到超精密生产 等各个方面。德国k l e i n d i e kn a n o t e c h n i k 公司( 图1 - 3 ，4 ) 生产的纳米精 度定位平台 6 1 在承受2 0 0 0 9 负载的情况下还具有2 n m 的移动精度，重复定位 精度小于1 0 h m ，行程为5 7 0 咖，从而实现了在微装配、互连技术、分析和 可靠性测试等领域中的多自由度要求。 法国国家科研中心( c n r s ) 在约4 0 个物理实验室和2 0 个化学实验室 中开展了纳米粒子和纳米结构材料研究计划，研究重点为分子电子学、大间 隙半导体和纳米磁学、催化剂、纳米滤光器、治疗难题、农业化学，甚至包 上海大学硕士学位论文 括可塑性混凝土用水泥们。 图卜3 二维纳米定位平台图1 - 4 一维纳米定位平台 英国工贸部已将纳米技术列为2 1 世纪科技发展的重点，以加速该领域 的发展。英国牛津大学材料系目前研究的纳米技术项目有4 0 多个，其中主 要的有超细薄膜、碳纳米管、纳米陶瓷、金属纳米晶体和量子点线等。 1 3 2 国内研究现状 我国在纳米科技研究方面近年来取得了长足发展，如成功地在室温条件 下实现了固体表现原子操纵和移植工作。1 9 9 2 年，中科院化学所的科技人 员用自己研制的扫描隧道显微镜，在电子计算机控制下对石墨表面进行刻 蚀，曾得到线宽1 0 纳米的字符和图案。1 9 9 7 年9 月，北京大学利用综合 学科优势，抓住科学发展机遇，成立“北京大学纳米科学与技术中心”。该 中心设立纳米电子学、纳米化学、纳米生物学等五个研究室，该中心目前承 担以信息科学部为主立项的国家自然科学基金委跨学部重大项目“纳米电子 学基础研究”等多项基金项目的研究任务。国内主要的研究在于各大高校， 如哈尔滨工业大学，浙江大学，清华大学，西安交通大学等都是国内在纳米 技术研究方面的佼佼者，包括纳米定位技术在内很多纳米技术的研究的综合 指标达到国际先进水平。 纳米测量技术也是纳米科学的一个重要分支。现在亚微米到纳米精度 的测量已经成为目前工业发展和科学发展中迫切需要解决的问题，例如，半 导体工业中的高精度模板的制造和定位，高精度传感器的标定；在科学研究 中的量子物理学、化学、分子生物学等都需要很高的测量精度。因此无论在 国民经济各部门还是在军事等其他领域，纳米测量都有着巨大的意义。 4 上海大学硕士学位论文 一般来说，一套完整的纳米位移定位系统应该由如图1 - 5 所示的四部分 组成，即驱动系统、执行机构、测量( 标定) 系统和信号处理及控制系统 1 1 】。 因而纳米测量技术可以说是多种技术的综合，如何将测量技术与控制技术相 融合、将探测、定位、测量、控制、信号处理等系统结合在一起构成一个大 系统，开发、设计、制造出实用新型的纳米定位系统，尤其是在各种不同的 外部环境下实现纳米级的定位仍然是亟待解决的问题，也是今后发展的方向 图1 - 5 纳米位移定位系统组成 西安交通大学是国内研究大行程纳米定位技术较为深入的单位之- - 5 1 。 其下属的精密工程研究所对微构件力学性能测试的微力微位移装置的重要 组成部分大位移高分辨率加载机构进行了研究。根据微力微位移装置的要 求，提出了一种通过结构变形进行加载的载体式两级加载机构，该机构的第 一和第二级分别通过压电陶瓷驱动器和直线电机进行加载，输出位移通过电 容测微仪检测。加载机构的第一级是一个位移放大机构，采用柔性铰链连接 的杠杆放大，第二级通过柔性杆进行输出位移的缩小。采用遗传算法优化设 计了两级整体式结构，用有限元进行分析，并对加载机构的第一级进行了实 验。有限元分析和实验结果表明，所设计的结构能够实现最小l m m 的输出 位移，并在压电驱动器和直线电机的驱动下，获得小于1 0 r i m 的位移增量和 纳米级位移分辨率。该机构满足了最大加载为2 0 n 的要求。该加载机构的研 制成功解决了微力微位移位置的一个关键问题。 台湾工业技术研究院机械工业研究所研制了纳米定位平台，采用表面声 波激励和电磁激励技术们，突破现有压电式纳米定位机构行程的限制，开发 上海大学硕士学位论文 出行程范围5 0 m ，定位精度5 n m 的纳米级长行程定位平台技术，可应用于半 导体、光电、精密机械等产品领域。 n t sn a n o d i r e c t 系列是最先进的软件控制的纳米级定位系统，它解决 目前存在的高分辨率和长行程不能兼顾以及随时间漂移的问题，达到1 0 0 毫 米的行程、0 4 纳米的定位分辨率，并且每小时只有2 纳米的漂移。n t s 目 前提供1 0 毫米、2 0 毫米、1 0 0 毫米三种型号，可广泛用于测试设备、微加 工、生物医学等。 1 4 宏微二级纳米定位系统简介 对于大行程、高精度的定位系统，国内外很多研究机构的做法都是采用 宏微二级双驱动系统，而经过这些年的理论实践也表明这一方法对于大行程 的纳米定位系统是行之有效的。宏微二级系统既有电机大行程高速度运动的 优点，同时兼顾了压电陶瓷响应快、位移分辨率高的特点，整个系统定位精 度高且成本也较一体式的大行程定位系统便宜。其宏微纳米定位工作台定位 系统的总体方案是采用宏、微两级驱动方式，由交流伺服电机与滚珠丝杠直 连实现宏工作台完成大行程的微米级粗定位；然后由安装在宏动台上的压电 陶瓷微驱动器以高频响应完成微位移补偿，以实现纳米级的分辨率和定位精 度【蛔。 1 4 1 宏微二级纳米定位工作台系统组成 图1 _ 6 纳米定位工作台系统框图 6 上海大学硕士学位论文 系统框图如图1 - 6 所示，它主要包括下面的系统：宏动控制系统( 包括 p m a c 控制器、伺服驱动器、伺服电机、宏动工作台等) ；光栅反馈系统( 包 括小光栅和大光栅) ；微动定位系统( p z t 驱动器、微动工作台) ：激光干涉 仪标定系统：计算机系统；以及隔振消除噪声装置( 气浮隔振平台) 等【9 l 【1 2 1 【1 引。 1 4 2 宏动台大闭环+ 微动台开环的控制系统介绍 宏微二级纳米定位工作台定位系统的总体方案就是采用宏、微两级驱动 方式，其工作原理是：系统定位时，首先使宏定位系统工作，带动两级工作 台一起运动，当检测到的定位误差小于切换阀值时( 实现精动，宏、微二级 的切换阀值定为l o l j m ) ，切换到微定位系统，由微定位系统控制微动工作台 达到系统要求的位置，完成精密定位【3 3 】- 1 3 8 】。 如图1 - 7 所示整个宏微二级纳米定位系统采用大闭环的方案进行控制。 即整个宏动台的闭环控制为小光栅闭环控制，以达到切换闽值内，并由大光 栅闭环进行精密的定位，然后通过计算机系统计算出补偿值，通过微动台完 成补偿运动，实现整个系统的高精度纳米定位。由于直接对整个系统进行反 馈，补偿，采取了联动的方式，因此能极大的减少中间环节所带来的误差。提高 了系统的整体精度。 图1 7 纳米定位工作台大闭环系统图 由宏工作台实现粗定位，由p z t 驱动器完成微位移补偿。目前课题达到 7 上海大学硕士学位论文 的纳米定位工作台的主要技术指标： 3 0 m m s 分辨率：1 0 r i m ，定位精度： 1 5 本课题研究的内容 工作范围：1 0 0 r a m ，宏动台运动速度： 4 0 n m ，重复定位精度：3 0 r i m 。 l 对宏动系统进行研究，主要研究基于p m a c 控制器的控制算法在精密定位 系统中的运用，以及研究宏定位系统所能达到的精度，着重研究了p i d + 速度 加速度前馈算法在纳米定位系统中的运用与实现。 2 对微动系统进行研究，包括压电陶瓷在纳米定位中的特性，所能达到的效 果，以及微动工作台在宏微两级纳米定位工作台中的作用与实现。 3 根据纳米工作台控制系统的实际要求，采用v b 软件编制人机界面，达到 良好方便的操作效果和视觉效果。 4 针对整个宏、微二级纳米定位系统的大闭环控制方法进行运动稳定性、运 动精度的分析分析和研究，以实现系统在大行程运动中的纳米级精确定位的 要求。 上海大学硕士学位论文 第二章宏动台运动控制系统的研究 2 1 引言 通过比较国内外对纳米定位的研究，可以看出一般来说对于大行程、高 精度定位系统采用宏、微二级定位方式来实现高精密定位。其中宏动台一般 通过电机控制可以实现运动的高速和大行程的目的。而微动台用以实现运动 的高精度。故该大行程纳米定位系统的设计也是采用宏、微二级工作台的方 式，将宏定位与微定位结合，实现系统的纳米级高精度定位。 宏、微二级工作台的工作原理是，由主控计算机发出预定位置目标指令， 先使宏定位系统工作，带动两级工作台一起运动，当位置检测元件检测到的位 置误差小于切换阀值时，完成宏定位，并切换到微定位系统，由微定位系统控制 微动台进行残余误差补偿，达到系统要求的目标位置【1 3 】【1 钔。 2 2 宏动台的系统组成及分析 宏运动控制系统是集机械、电子、计算机技术于一体的软硬件系统，虽 然有微动工作台可以对它进行运动的补偿和实现高精度。但宏动台运动的精 确性，稳定性也影响到整个系统的定位精度和系统的稳定性。故宏动台运动 系统的选择和设计影响到整个系统，在整个系统中起到举足轻重的作用。它 根据预定的方案，将上位控制系统作出的命令变成某种期望的机械运动，使 控制目标得到精确的位置、速度、加速度。 运动控制系统通常由上位机( 控制系统) 、驱动系统、传动执行机构和 检测系统等组成。 根据整个系统的技术指标要求，宏动台的技术指标如下： 工作范围：1 0 0 m m 分辨率：0 5 哪 定位精度：5 p m 重复定位精度：2 u l i l 9 上海大学硕士学位论文 运动速度：a 0 s 2 2 1 宏动台传动执行机构 宏动台的传动定位执行机构是工作台的主体，本系统采用滚珠丝杠与交 流伺服电机连接的传动执行机构，滚珠丝杠将伺服电机的旋转运动转化为一 维的直线运动。滚珠丝杠系统具有以下优点( 1 ) 传动问隙小，轴向刚性大 且有很高的进给精度和定位精度( 2 ) 能以很小的扭力产生很大的输出力；( 3 ) 能将大位移转换为小位移( 减速功能) ； 本滚珠丝杠机构了采用由瑞士s c h n e e b g r g e r 公司的精密直线滚动导轨和 精密滚珠丝杠组成。如图2 1 ( 1 丝杠2 可动平台3 联轴节4 电机及编码器5 光栅尺6 读数头7 导轨8 底座) 其滚珠丝杠的直径为由1 6 ，导程4 m m ，台 面的位移量最大可达1 5 0 r a m ，两组直线滚动导轨的直线性2 p m 1 5 0 m m 。并 采用双螺母结构、导轨预紧等措施消除传动中的空程对伺服系统带来的负面 影响。 2 2 2 伺服驱动系统分析 图2 _ l 宏动载物工作台实物图 本系统的控制系统由于需要较高的精密性、稳定性和实用性，而开放式 的运动控制卡具有通用性好，运动精度高，调试方便并有多种外部i o 之间 的标准化通用接口功能，可以与多种编程软件兼容，便于实现系统的二次开 发等优点。因此经过比较分析对于宏动系统采用美国d e l t a t a u 数字系统公司 的基于d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r e e e s s o r ，数字信号处理器) 技术的p m a c 运动 控制器，其特点在于功能强大，运动精度高，适用于各种要求进行复杂运动 控制的场合。故宏动台的控制采用了p m a c 运动控制卡，该控制卡主要在 l o 上海大学硕士学位论文 下节介绍，通过该卡可以对伺服电机进行全闭环控制。 交流伺服电机由永磁同步电机、转子位置传感器、速度传感器组成，交 流伺服电机和它的驱动器组成一个伺服系统，其控制框图见图2 - 2 。 图2 - 2 交流伺服系统控制框图 根据宏动工作台定位控制系统中的定位精度要求较高，定位速度较快， 稳定性要好的情况。本系统选用安川s g m a h 系列的交流伺服电机作为驱动 元件。伺服电机型号为s g m a h 0 1 a a a 4 1 ，容量1 0 0 w ，额定电压2 0 0 v 。 额定转速3 0 0 0 r m i n ，允许径向负载7 8 n ，轴向负载5 4 n ，自带1 3 b i t 增量编 码器、脉冲数2 0 4 8 。其原理图见图2 一 图2 - 3 交流伺服系统原理框图 该交流伺服系统包含了位置环、速度环和电流环。电机编码器的位置反 厣j 一 一 一 一盈圆圆 刭 一 i 竺l i _ l 一书一 磊吨 兰 上海大学硕士学位论文 馈信号直接送入驱动器的位置偏差计数器进行比较处理，不需上位控制系统 处理就可以进行位置的半闭环控制。而需要全闭环控制只需由驱动器即可解 决，其位置环的采样可以直接采自装在最后一级机械上的位置反馈元件，电 机上的编码器此时仅作为速度环的反馈，这样就可以消除机械上存在的一切 间隙，并且与上位机结合伺服系统还可以进行误差补偿，达到真正全闭环的 功能，实现高精度的位置控制。作为纳米定位系统的宏动驱动系统，交流伺 服系统具有以下优点： 1 ) 控制精度高 对其自带的增量码盘2 0 4 8 线编码器而言，由于驱动器内部采用了四倍 频技术，其脉冲当量为3 6 0 。8 1 9 2 = 0 0 4 4 。，由于滚珠丝杠的导程为4 m m ， 换算成位移值为o 0 4 4 3 6 0 x 4 0 0 0 = o 4 9 a n 其控制精度明显很高。 2 ) 低频特性好 交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内 部具有频率解析机能( f f t ) ，可检测出机械的共振点，便于系统调整。由于 系统用来纳米定位考虑到整个系统的连贯性，如果宏动台的稳定性差，甚至 振动甚至抖动的情况，不仅会使整个系统的定位精度下降，还容易对高精度 的微动台产生危害，故宏动台必须有极高的稳定性。 3 ) 响应速度快 交流伺服系统的加速度性能较好，系统所用的交流伺服电机在空载情况 下，从静止加速到其额定转速3 0 0 0 r p m 仅需几毫秒。可用于要求纳米工作台 两级联动的要求快速反映的场合。 2 2 3 检测系统的分析 作为全闭环的定位系统，需要有位置检测系统对运动的位置进行反馈。 针对高精度的位移检测系统，宏动台采用了光栅测量系统，由于其是非接触 光学系统，能够消除摩擦和磨损，可保证高速、高分辨率的可靠运动，且对 环境要求不严、抗干扰性好等【2 0 】【2 l 】。 1 2 上海大学硕士学位论文 光栅测量系统的原理：光栅由标尺光栅和指示光栅组成。当标尺光栅相 对于指示光栅移动时，会形成明暗交替变化的莫尔条纹，利用光电元件接收 莫尔条纹明暗变化的光信号，并转换成电脉冲信号，从而测量出标尺光栅的 移动距离，即可完成位移的检测。 由于存在宏动系统和微动系统根据不同的要求和精度采用了2 套光栅， 其中宏动台系统采用英国r c n i s h a w 的高精度金属光栅尺r g h 2 2 ( 英国雷尼 绍公司) ，长为2 0 0 n u n ，安装于宏动工作台的移动侧面上，带有1 0 细分的光 栅读数头安装于固定部件上( 图2 4 ) 。其主要特点和具体参数如下： 紧凑而坚固的外壳 工业标准数字和模拟信号输出 内置细分卡和安装l e d 指示灯 分辨率从0 5 肛m 参考零位和双限位开关传感器 高柔性双屏蔽1 2 芯电缆或带状电缆可选 三态低电平报警信号或全报警输出 1 6 0 n u n 4 4 0 n u n x 2 7 0 m m 饵l x w ) 图2 4r g h 2 2 光栅读数 头 另外针对整个系统宏微结合后的定位检测，由于要求达到纳米级的定位 精度，故所使用的大闭环光栅的定位要求相对就要高很多，对此采用了 r e n is h a w 反射式金属光栅尺r g h 2 5 f ，分辨率为2 0 岫。其输出正、余弦模拟 量信号( 1 v p p ，1 2 p a ) 。大闭环光栅采用的细分方式是通过细分卡对读数头输 出的正、余弦模拟信号进行微处理器直接细分。细分卡为r e n i s h a wr g f 2 0 0 0 h ， 它的最大细分倍数为2 0 0 0 ，因此细分后大闭环光栅位置检测系统的分辨率为 1 0 n m 。具体的系统框图可见上章节的图1 - 6 2 2 4 宏动台的系统组成小结 综合上述的分析及其比较，可以看出作为宏微两级驱动的纳米定位工作 台，宏动台是大行程纳米定位系统中的重要部件，主要的行程都是由其完成， 该工作台定位精度的准确性，稳定性对整个系统起着决定性的作用。其主要 上海大学硕士学位论文 有四部分组成：一是电机驱动系统，包括电机及其驱动部分，由于交流伺服 系统具有控制精度高、低频特性好、响应速度快等特点符合系统的要求，故 采用交流伺服系统；二是传动执行机构，考虑到需要将旋转运动转为直线运 动并且电机的速度过快需要减速，因此采用高精度的滚珠丝杠机构带动工作 台运动，由滚珠直线导轨导向，既可实现宏动工作台的直线移动，也可以到 达减速的目的；三是伺服控制系统，宏动工作台采用了p m a c 控制器作为控 制系统的核心，主要由p m a c 控制器以及p c 机组成，该系统把编码器及光 栅反馈回来的信号进行实时过滤、运算，比较，判断，然后给伺服系统指令， 以控制交流伺服电机的转速、方向、起停等，驱动执行机构运动，采用全闭 环的控制方式保证系统的定位精度，完成宏动工作台的粗定位过程；四是位 置检测装置，除了采用伺服电机自带的编码器进行速度反馈外，还采用分辨 率为o 5 岬lr e n i s h a w 金属光栅尺及读数头，实现对工作台的位置实时反馈。 宏动工作台的控制图见图2 5 。 速度反馈 图2 5 宏动台伺服系统控制框图 2 3 基于p m a c 卡的宏动台系统电路设计 2 3 1 p m a c 控制器系统简介 p m a c ( p r o g r a m a b l em u l t i _ a x e sc o n t r o l l e r ) 就是美国d e l t at a u 公司 遵循开放式体系结构标准开发的开放式可编程多轴运动控制器，它采用 m o t o r o l ad s p5 6 0 0 1 数字信号处理器作为c p u 。p m a c 适应多种硬件操作平 台，具有p c 、s t d 、v m e 、p c i 、1 0 4 总线及串口脱机运行的功能，方便用户 选用适合自己的主机。p m a c 适用于所有电动机，包括普通的交( 直) 流电动 机、交( 直) 流伺服电动机、步进电动机、直线电动机等，对不同电动机，p m a c 可提供相应的控制信号。因此，系统的设计和选型灵活自如，不受局限，可 1 4 上海大学硕士学位论文 将各种先进的设计理念融入系统，而且同一系统可选用不同的电动机，接收 不同的反馈信息口9 h 3 ”。 在研究中本系统选用的是m i n i p m a c 卡，它是一块两轴卡，可以同时 控制两个伺服电机联动。结构如图2 - 6 所示，其中儿一显示器插槽，接显示器； j 2 - 控制卡插槽，外接一个控制扳；j 3 手轮接入插槽，接入脉冲发生器； j 4 r s 2 3 2 r s 4 2 2 与计算机串行通讯；j 5 i o 接入插槽，接输入输出变量；j 6 为扩展卡插槽，j 7 同j 8 其功能为另外4 根轴接线插槽；j s 1 6 位a d 输入 接口插槽。 图2 - 6p i c 结构原理图 p m a c 卡包含有一种控制参数i 参数、三种用户变量m 、p 、q 。其开放 的伺服算法可以使用p m a c 的所有变量，包括i 、p 、o 和m 变量，无论变 量的存储方式为定点或浮点，均统一按浮点方式处理这些变量。通过对i 参 数的设置来配置系统的功能，是系统中非常重要的部分；m 变量是用户自己 定义的，指向p m a c 卡中的某一内存或寄存器地址，用户通过它来间接访问 p m a c 卡上的几乎所有资源；p 变量、q 变量由用户随意使用，为4 8 位浮点 变量，两种变量的区别在于p 变量是全局变量，q 变量是坐标系内部变量( 该 卡支持多达1 6 个坐标系) 。以上参数和变量每一种都有1 0 2 4 个可供使用 2 】。 2 3 2 p m a c 与伺服驱动器的接口电路 上海大学硕士学位论文 p m a c 与伺服系统的接口电路主要是通过其最基本的接口j m a c h i ( p m a c - - p c 的j 8 ，p m a c l i t e 的j l l ，p m a c v m e 的p 2 ，p m a c s t d 上的 j 4 ) 来实现的。其中包括四个通道的i o ；模拟输出，增量编码器输入，相应 的输入和输出捕捉信号，电源的连接掣蛔。 图2 7 基于p m a c 的纳米工作台控制系统接口电路 图2 7 为纳米工作台伺服控制系统的电路图，p m a c 通过s g m d 型伺服 驱动器的c n l 口接收旋转编码器反馈的信号，得到伺服电机的速度值，控制 d a c 输出电压的大小调节电机的速度，构成速度闭环控制。p m a c 的编码器 脉冲计数接口的第一通道接收宏运动光栅读数头输出的位移信号，并对其进 行计数，实时地检测宏动台的实际位置( 其分辨率为5 0 0 n m ) ，判断工作台 是否到达目标定位位置，构成大行程宏运动位置的闭环控制。 p m a c 的正、负行程方向限位开关输入端分别接收负、正行程方向的两 个限位开关的信号，以起到保护工作台越程的目的。p m a c 的编码器脉冲计 数接口的第三通道接收细分卡输出的大闭环光栅的位移脉冲信号，对其进行 计数( 其分辨率为1 0 r i m ) ，实现纳米级分辨率的位置检测。p m a c 各接口作 用如表2 1 。 1 6 上海大学硕士学位论文 表2 - 1j m a c h 各接口连接表 p m a c 针脚线号信号 功能备注 为编码器及限位开关电源提供 1 。2 ( + 5 v )65 v + 5 v 电源端 5 v 电源 3 ，4 ( g n d ) 50 v 数字逻辑接地与1 ，2 配对 5 ( c h c 3 ) 1 2z + 参考零位与大闭环光栅连接 7 ( c h c 3 ) 4 z 一参考零位与大闭环光栅连接 9 ( c h b 3 ) 1 3b + 增量信号与大闭环光栅连接 1i ( c h b 3 )5b 一增量信号 与大闭环光栅连接 1 3 ( c h a 3 ) 1 4a +增量信号 与大闭环光栅连接 1 5 ( c h a 3 , 9 6a 一 增量信号与大闭环光栅连接 1 7 ( c h c l ) 2z + 参考零位与宏运动光栅连接 1 9 ( c h c t ) lz 一参考零位与宏运动光栅连接 2 1 ( c h b l ) 4b + 增量信号与宏运动光栅连接 2 3 f c h b y ) 3b 一 增量信号与宏运动光栅连接 2 5 ( c h a d 8a +增量信号 与宏运动光栅连接 2 7 ( c h a l ) 7 a 一增量信号与宏运动光栅连接 1 8 ( c h c 2 ) 1 9p c o 伺服电机c 相与伺服驱动器相连 2 0 ( c h c 2 ) 2 0伊c o伺服电机c 相与伺服驱动器相连 2 2 ( c h b 2 ) 3 5 p b o 伺服电机b 相与伺服驱动器相连 2 4 ( c h 0 2 , 9 3 6用b o 伺服电机b 相与伺服驱动器相连 2 6 ( c h a 2 ) 3 3p a o伺服电机a 相与伺服驱动器相连 2 8 ( c h a 2 ) 3 4嘻氏0 伺服电机a 相与伺服驱动器相连 4 3 ( d a c l ) 5v - r e f速度指令输入与伺服驱动器相连 5 8 ( a g n d )6 s g 模拟接地与伺服驱动器相连 5 1 ( m l i m l ) h 负行程限位开关 限制负行程 5 3 ( p l i m l ) h 正行程限位开关限制正行程 1 7 上海大学硕士学位论文 第三章宏动台p m a c 控制器控制算法的研究 3 1 引言 结合第二章的介绍，可以看出宏动台定位系统采用交流伺服电机与滚珠 丝杠连接的传动方式，由p m a c 卡对其进行定位控制，控制过程为p c 机发 出位置指令给p m a c 卡控制电机运动；由宏运动光栅不断地检测工作台位置 并反馈回p m a c 卡，构成一个伺服闭环控制系统( 图3 - 1 ) 。 图3 - 1闭环控制系统结构框图 在宏动台的硬件系统已经搭建完成后，如何采用合适的系统调整的方式 使得宏动台的运动精度能够达到系统所要求的范围，以下部分研究的就是如 何通过p m a c 控制器自带的伺服调节系统p i d + 速度n 速度前馈的工具对 纳米定位系统的宏动台部分进行调节和控制的方法。 3 2 控制系统控制算法的介绍 3 2 1 控制系统的基本要求 随着计算机技术的发展，使得计算机已经取代常规的控制器，实现对控 制系统的调节和控制，并构成了计算机控制系统。而在计算机控制系统中， 改变控制规律则只要改变相应的程序就可以了，这样就可以实现过去连续控 制难以实现的更为复杂的控制规律，比如非线性控制、逻辑控制、自适应和 上海大学硕士学位论文 自学习控制等1 3 9 一f 4 3 】。 即使对于相同的控制系统也会有着不同的控制方法、系统参数；因此作 为控制系统必须具备一定地性能，这些性能主要包括：稳定性、快速性、平 稳性和准确性；事实上经常以这些性能作为评价一个控制系统好坏的指标。 而对纳米定位系统来说，这几点无疑是至关重要的四个性能指标。 稳定性：稳定是保证控制系统能够正常工作的先决条件。控制系统如果 不稳定，被控制量不仅不能按照预定的规律变化，还会出现无休止的振荡， 甚至是发散的振荡。系统的稳定性包括两方面的含义：一是系统稳定，叫做 绝对稳定性，通常所说的稳定性就是这个含义；另一方面的含义是输出量振 荡的强烈程度，称为相对稳定性。在纳米定位的过程中如果系统稳定性能差 一点的话，其误差将会不断的放大，就会失去了其高精度的目的。 快速性：在实际的控制系统中，不仅要求系统稳定，而且要求被控量在 由初始值变为希望值时，控制系统能够快速的按照输入信号所规定的形式变 化，即要求系统有一定地响应速度。对于宏动台来说由于要不断的运动并采 集相关的反馈数据，因此系统的快速性对于整个纳米定位工作台也是相当的 重要。 平稳性：当被控制量由初始值变为另一期望值时，系统经常会出现被控 量在变化过程中超过期望值，并经过摆动后才达到期望值；作为纳米定位系 统来说，不希望在运动变化中出现大幅度的摆动，影响整个纳米的定位，因 此系统必须要具有很好的平稳性。对于高速系统的运动控制，从初态到稳态 受系统参数的影响，使系统由三种情况产生：过阻尼、临界阻尼、欠阻尼( 参 考线性系统时域分析中的稳定性分析) 。在本系统中主要针对宏动台过渡到 微动台运动切换时的平稳性研究。 准确性：系统在输入信号地作用下，其响应经过暂态过程后进入稳态， 这时系统地输出值与希望值之间存在一定地误差，叫做稳态误差，稳定误差 越小则系统的准确性也越好。而宏动台稳态误差越小的话，对于微动台的补 偿将具有决定性的作用。 1 9 上海大学硕士学位论文 以上四项对控制系统的要求可以归纳为“稳、快、平、准”。其中快速 性和平稳性反映系统动态过程的品质；准确性反映控制系统的稳态精度；稳 定性是控制系统能够工作的先决条件。 3 2 2 常用控制系统的控制算法的介绍 所谓“控制”是指使某个( 或某些) 量按照一定的规律变化，在实际运 用中所研究的问题大多是对各种物理量的控制。对于运动控制系统来说为了 保证系统的稳定性、快速性、平稳性、准确性，多年来经过控制界的研究和 实践产生了很多的控制理论和方法，如p i d 控制；相位超前、滞后控制；反 馈、前馈控* l h 随着工控行业的发展以及科技的进步，相继出现又了很多新 型的控制方法，主要包括：自适应控制、变结构控制、预测控制、鲁棒控制、 模糊控制、专家控制、神经网络控制以及遗传算法等。这些控制策略相互之 间以及与传统控制策略之间相互渗透、交叉和结合，又形成各式各样的复合控 制策略。 而目前在运动控制技术中用到的控制理论和算法主要有p i d 控制、自适 应控制、模糊控制、专家控制、神经网络控制等。其中p i d 控制作为其中经 典的控制方法而广为使用，很多的运动控制器都是采用p i d 控制的方式或者 与其他的控制方式相结合，如模糊p i d 复合控制、自适应p i d 控制、专家 p i d 控制等。使用p i d 控制的优点在于其结构简单，技术比较成熟，使用起 来方便，且不一定需要系统的确切数学模型。 3 2 3p i d + 速度1 0 速度前馈环控制算法的研究 宏动台使用的控制器p m a c 采用了p d + 速度d l l 速度前馈的控制方式， 下面就该控制算法进行介绍，公式( 3 1 ) 是p i d + 速度前馈的数学表达式。 f 吩一= 巧岛+ k 巳+ 局( q 一印1 ) + + ( 3 - 1 ) | 1 1 式中巧、k 、分别为比例系数、积分系数、微分系数、 速度前馈系数和加速度前馈系数；珥为调节器的输出信号；岛为调节器的输 上海大学硕士学位论文 入信号，即偏差信号；为调节器的速度输入信号；a a 为调节器的加速度 输入信号。 p i d 控制中i 参数是为了消除系统的静态误差，但积分作用过强会产生 较大的超调量，甚至出现积分饱和现象，这是控制系统不允许的，所以为了 保证系统的精度和相对稳定性，在p m a c 中i x 3 4 的积分模式“起到积分分 离的作用，当偏差较小是d 讧为1 ，系统采用p i e ) 控制方法，以保证系统的 静态误差为零；当偏差较大时i m 为0 ，此时系统采用p d 控制，以保证系统 的超调量大幅度降低。 p i d 控制中d 参数可以减小超调，