（机械电子工程专业论文）面向精密控制的伺服驱动器设计与试验研究.pdf

面向精密控制的伺服驱动器设计与试验研究 摘要 在现代半导体微细精密加工及精密测量等设备中，工作台通常采用主 从式结构，实现长短行程与粗微复合运动，其长行程运动由直线电机实现， 而短行程则由精密平面电机实现。精密平面电机是一种在平面上移动的直 接驱动电机，具有高频响、高精度特点，其优势在于实现精密而高速的往 复运动，主要应用于平面精密定位加工装置中的微动平台，因而对驱动器 性能提出严格要求。目前，开发研制高频响、高精度的平面电机驱动器已 经成为精密加工设备的研究方向之一。 课题针对微动平台精密平面电机电流驱动特点及其对功率驱动器高线 性度要求，对比功率放大数字与模拟两种实现方式的特点，采用线性模拟 功率放大方式，应用大电流功率运算放大器o p a 5 4 1 作为功率输出器件，设 计功率驱动电路，并通过电流负反馈及p i 校正电路实现电流稳定输出。论文 分析系统模型，建立系统传递函数，从理论上对电路设计的可行性与合理 性进行分析与仿真，并通过试验板制作及平台搭建，设计驱动器直流线性 度、频率响应、交流线性度等试验，对实验结果进行分析，验证设计预期。 最后，对研究工作提出总结与展望。 关键词：精密平面电机线性功率驱动器o p a 5 4 1线性度响应频率 d e s i g na n dt e s tr e s e a r c ho ns e r v od r i v e r f o rp r e c i s i o nc o n t r o l a b s t r a c t i nm o d e ms e m i c o n d u c t o rm i c r o p r e c i s i o n p r o c e s s i n ge q u i p m e n t a n d p r e c l s l o nm e a s u r e m e n te q u i p m e n t ， t h e s t a g eu s u a l l ya d o p t sm a s t e r - s l a v e s t m c t u r ew i t hl o n g - s h o r ts t r o k ea n dc 0 2 u r s e - f i n em o t i o n t h e1 0 n g s t r o k em o t i o n i sa c h i e v e db yt h el i n e a rm o t o r ，w h i l et h es h o r t s t 】k em o t i o ni sa c h i e v e d b vt h e p r e c i s i o np l a n a rm o t o r p r e c i s i o np l a n a rm o t o ri sad i r e c td r i v em o t o rm o v m gi l l t h ep l a n ea n di t sa d v a n t a g e sa r er e c i p r o c a t i n gm o t i o ni nh i 曲s p e e da 1 1 d h i 曲 p r e c i s i o n i ti sm a i n l y 印p l i e dt 0m i c r o - d i s p l a c e m e n ts t a g ei i lp r e c i s i o np l a l l e p o s i t i o n i n gp r o c e s s i n gu n i t s ，s oi tg i v e st l l ed r i v e rs y s t e mas t r i c tr e q u i r e m e n t s or e s e a r c ho n d e v e l o p i n gp l a n a rm o t o rd r i v e r sw i t ht h eh i g h f 沁q u e n e y r e s p o n s ea n dh i 曲p r e c i s i o ni sad i r e c t i o no fp r e c i s i o nm a c h i n i n ge q u i p m e n t t e c l u l o l o g y t os a t i s 匆佗a t u r e so fc u r r e n t “v i n ga 1 1 d o u t p u t i n p u th i 曲1 i 1 1 e 撕t ) r r e q u i r e m e n t so fp o 、v e rd r i v e rf o rp l a n a rm o t o r 印p l i e di np r e c i s i o ns t a g e ，a a n o l o gh i 曲- l i n e 撕够p o w e rd r i v e ri sd e s i g n e db yc o n t r a s t i n gd i g i t a la n da n o l o g m e a n s t h ec i r c u i t sr e a l i z et h a t s t e a d y c u j l r e n t o u t p u tb yc u r r e n tn e g a t i v e f e e d b a c kt e c h n o l o g ya n dp ic o n t r o l l e r ，p o w e ro u t p u tb yh i g hp o w e r m o n o l i t h i c p o w e ra n l p l i f i e ro p a 5 4 1 i nm i sp 印e r ，m eb l o c kd i a g r a mo ft h es y s t e mm o d e l a n dt r a n s f o mm n c t i o ne q u a t i o n sa r eg i v e n ，a n dt h er a t i o n a l i 够a n df e a s i b i l i t ) ro f t h ec i r c u i td e s i g l la r ea n a l y z e d 廿l e o r e t i c a l l ya n ds i m u l a t e l y t h e nt h ep c bo f d r i v e ri sd e s i g i l e da n dm a n u f a c t u r e d f o r e v a l u a t i n gm en e c e s s a 】哆p e r f i o m a n c e o ft h e 嘶v e r ，e x p e r i m e mp l a t f i o 眦i ss e tu pa n ds o m ee x p e r i m e n t a t i o nh a db e e n d o n e ，i n c l u d i n gt l l ee x p e r i m e n t a t i o no f 疗e q u e n c yr e s p o n s e ，t 1 1 ee x p e r i m e n t a t i o n o fd i r e c t - c u r r e n tl i n e a r i t yd e g r e ea 1 1 dt h ee x p e r i m e n t a t i o no f a l t e m a t i n g c u r r e n t l i i l e 撕t yd e g r e e ，e t c t h er e s u l to fe x p e r i m e n t sp r o v e st h a tt i l et a r g e to ft h e r e s e a r c hh a sb e e na r r i v e d t h ep r o s p e c to fm er e s e a u r c hi sa l s od e p i c t e di nt i l e p a p e r u k e yw o r d s ：p r e c i s i o np l a n a rm o t o r ；l m e a rp o w e rd r i v e r ；o p a 5 4 l ； l i n e a r i 够；r e s p o n s e 仔e q u e n c y i 广西大国盼页士掌位论文面向精密控制的伺服驱动器设官卜与试验研究 第一章绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 精密工件台发展及特点 在半导体光刻、精密测量、精密加工、微型装配以及纳米技术等领域，均需要精确 定位和精细运动，这些离不开高性能的精密定位工作台【l 一。 光刻技术极具代表，是目前集成电路( i c ) 微细加工领域中技术最密集、精度要求最 高、发展最快的系统性工程技术之一。光刻机在i c 芯片制造设备中，投资最大，最为关 键，而工作台又是光刻机极其重要的关键部件。它必须能实现快速移动、精密定位、精 确逐场调焦调平等功能，其定位精度决定着光刻机的套刻精度及所能实现的光刻特征线 宽尺寸。 随着电路芯片集成度不断提高、器件尺寸不断缩小，对光刻设备定位精度等性能要 求也不断提高。过去为实现精密定位，通常采用高性能伺服电机驱动和精密丝杠传动相 结合的方案，然而此种定位方式存在传动间隙和摩擦，一般只能达到微米级定位精度。 因此为实现亚微米乃至纳米级定位，常规驱动和丝杆传动的方式不再适用，必须寻求新 的驱动和传动方式，实现工作台纳米级位移分辨率。 为实现高速、大行程和纳米级运动定位，目前采用的技术主要有：直线电机直接控 制，6 自由度磁悬浮工作台结构，直线电机作粗行程控制、磁力轴承及压电陶瓷等作精 密补偿等【3 - 8 】。其中应用较为典型的是第三种方式，其平台结构采用粗、微复合结构。 粗运动平台主要采用长行程直线电机实现，完成高速、大行程和微米级的粗运动。微动 平台平面电机则有多种实现方式，主要有压电陶瓷驱动、洛仑兹电机驱动、音圈直线电 机驱动等方式，以完成小行程、纳米级的精密微位移。其中压电陶瓷驱动体积小，刚度 大，结构紧凑，位移分辨率高，但由于压电陶瓷材料本身所固有的迟滞非线性和蠕变特 性，降低了工作台的定位精度和动态响应速度，同时驱动电压较高【9 1 1 】。洛仑兹电机和 音圈直线电机均基于洛仑兹原理，实现电磁直接驱动，具有非接触、行程大、无滞后、 高频响、高定位精度、线性度好等优剧1 2 ，1 3 】。正因这些特点，在精密定位平台的设计中 得到越来越多的研究与应用。 1 1 2 微动台驱动器技术 目前，功率驱动器电路主要有两种实现方式：脉宽调制( p w m ) 方式和线性模拟 功率放大方式。p w m 驱动器开关工作在临界状态，会出现时间延迟、开关噪声和死区 非线性等问题【1 4 】。由于采用高频调制，对外部电路干扰较大，而且系统通频带宽受到调 制频率的限制，不如线性系统频带宽。其优点是输入阻抗高，输出阻抗低，驱动电流大， 承受电压高，没有二次击穿现象，成本相对较低。 广西大掌硕士学位论文面向精薯 控制的1 目服驱动器设计与试验研究 与p w m 方式相比，线性模拟功率放大方式具有线性度好，纹波小，对外干扰小， 频带较宽等优点，但发热量较大，效率较低，对于大功率管存在二级击穿问题，其主要 应用于高精度场合。为满足光刻机高性能驱动要求，国外系统采用高性能p a 0 4 大功率 集成运放进行精密大电流驱动，具有工作电压高( 2 0 0 v ) ，输出电流大( 最大2 0 a ) ，转 换速率高( 5 0 y s ) ，失真低等特点1 1 5 j 。该芯片为v m o s f e t 器件，v m o s f e t 的漏源 电阻温度系数为正，当期间温度上升时，电流受到限制，所以不会有热击穿，因而也不 会出现二次击穿，温度稳定性好，但其价格较高。 线性功率放大方式在实现上又分为基于分立器件或大功率集成运算放大器( 以后简 称功率运放) 两种方式。基于分立器件设计的功率驱动器，电路复杂，受环境温度、干 扰因素影响较大，对分立元件本身性能及元件之间性能匹配要求较高，同时维护较为不 便。相比之下，基于集成功率运放的功率驱动器，电路结构相对简单，便于维护，性能 受环境影响较小，例如放大器受温度的影响比三极管要小大约两个量级，温漂明显降低。 同时，在功放电路设计中，集成功率运放大有取代分立式元器件的趋势。 综上考虑，为突出其精密驱动，满足高线性度、高频率响应，本设计将采用基于集 成功率运放的线性功率驱动器设计方案。 1 1 3 研究目的及意义 随着高速加工、精密制造和数控技术等先进制造技术的发展，高速、高精、高效已 成为当前数控设备的重要发展方向，对设备各功能部件的性能也提出更高要求。在高响 应、微进给的高精度加工中，进给驱动部件必须具有更快进给速度、更高定位精度以及 更快动态响应性能。高性能平面电机及其精密控制技术代表当今直线驱动技术的发展方 向和趋势，高速、高精、高效平面电机驱动系统有着越来越广泛的需求。 例如光刻机系统中，作为最重要的关键部件是精密工件台、掩模台，是实现功能和 精度的基础，必须具有高速移动、精密定位、精确调平调焦和同步扫描的功能。工件台、 掩模台的动作由驱动电机完成，其必须具有高速高精性能。而电机的使用性能与驱动电 路性能密切相关，因此开发满足精密驱动电机运动性能要求的驱动电路具体重要工程价 值和应用前景。 随着我国微电子产业的蓬勃发展，北京、上海等地已引进一批较为先进的i c 生产 线，却一直没有由自主i c 装备产业形成i c 的完整产业链。光刻机是半导体芯片生产最 关键的设备，目前我国半导体生产设备业是半导体集成电路产业链中最薄弱的环节之 一。随着我国对相关研究的重点投入，2 0 0 8 年，国内首台拥有自主知识产权的无掩膜( 直 写式) 光刻机在合肥面世。该成果在国际同类产品中处于先进水平，分辨率已经达亚微 米，性能稳定可靠，填补国内光刻机在该领域的空白。 针对精密平面电机结构、运动控制的研究，国内已经取得一些重要成果，而针对精 密平面电机驱动器的研究见诸文献的相对较少，市场上相应驱动产品又主要依赖国外成 套进口。因此针对精密平面电机开展伺服驱动器的研究，不仅对光刻机自主核心技术研 2 面向精密控制的1 司服驱动器设孛卜与试验研究 究以及关键部件配套具有重要意义，而且也能推动精密定位平台其他应用领域的发展。 本课题研究目的旨在针对微动台精密平面电机，分析其结构与工作原理，研究线性 功率驱动器电路结构与原理，设计与实现满足基本性能要求的线性功率驱动器，以及相 关试验研究，为后续搭建平面电机运动控制系统，深入研究平面电机的驱动与控制打下 基础。 1 1 4 课题来源 1 - 广西制造系统与先进制造技术重点实验室资助项目( 桂科能0 7 1 0 9 0 0 8 - 0 2 0 j ( ) ； 2 南宁市科技攻关项目( 2 0 0 8 0 2 0 2 6 a ) ； 3 广西科技攻关项目( 桂科攻1 0 1 0 0 0 0 1 - 2 ) 。 1 2 主要研究内容 针对精密微动平面电机驱动器，本文主要进行了如下研究： ( 1 ) 精密微动工作台结构介绍，驱动对象平面电机结构、工作原理分析，驱动器性能 分析及参数指标确定。 ( 2 ) 根据平面电机对驱动器的要求，提出系统总体设计，主要设计驱动器主回路电路。 应用功率运算放大器进行放大电路设计，并设计部分外围电路，包括检测电路、 保护电路等。 ( 3 ) 分析模拟线性功率驱动器的系统模型，建立系统传递函数，对输出电流稳定性进 行分析。仿真分析驱动器电路，分析仿真结果，对比理论计算与预期性能指标， 进行评价，为试验制版提供理论指导。 ( 4 ) 试验评定。制板，搭建试验平台，进行线性度、频率响应、噪声等试验及评定， 分析电路优缺点，为后续电路完善及工程化设计奠定基础。 3 广西大掌硕士学位论文 面向精密控制的1 句服驱动器设孛卜与试验研究 第二章系统特性及方案设计 课题所设计的线性功率驱动器以精密平面电机为驱动对象，本章具体分析精密平面 电机结构及工作原理，然后提出整个驱动器系统的总体设计。 2 1 直流平面电机结构与工作原理 2 1 1 平面电机结构 精密微动平面电机( p l a n a rm o t o r ) 是一种在平面上移动的直接驱动电机，具有高频 响、高精度特点，其优势在于实现精密而高速的往复运动，主要应用于平面精密定位加 工装置中的微动平台，尤其是现代半导体微细加工装备和其它超精密加工设备【1 6 1 7 】。 分辨率、套刻精度和生产效率是衡量光刻机性能的基本指标，而光刻机精密工作台 是决定光刻机分辨率、套刻精度和生产效率的重要因素，其主要功能是实现快速步进、 精确定位和大行程运动。为实现大行程精确定位，通常采用粗、精平台的复合结构，粗 运动平台目前主要采用长行程直线电机，完成高速、大行程和微米级的粗运动。精运动 平台有多种实现方式，下面主要讨论由洛仑兹电机或音圈直线电机构成精密平面电机的 形式，这两种电机的工作原理相同，为电流驱动，都具有高线性度、高响应速度和高位 置分辨率等优点。 1 洛仑兹电机构成【1 8 之o 】 精动台平面电机由四个驱动单元并联组成，采用动铁式结构，如图2 1 所示。定子 部分包括四个线圈和铝制骨架，四个线圈布置在同一水平面中，并与线圈骨架粘接，线 圈骨架同底座固定；动子部分包括永磁体、铁轭和上下平面铝制骨架，三者粘接联为一 体。平面运动支撑方式采用气体静压轴承形式，承载微动台动子及其载荷。定子线圈平 面位于动子上下平面骨架间，与骨架的上下内平面在z 方向有一定间隙，保证其在x y 平 面的自由运动。通过控制永磁磁场中定子的四个线圈电流大小和方向，产生洛仑兹力和 力矩驱动工作台沿x 、y 方向的平移和绕z 轴的转动。微动台平移运动范围根据设计要求 确定。在动子底部安装永磁体，利用永磁吸力作为重力预载，以提高静压气浮支撑的气 膜刚度，降低动子俯仰对系统运动性能的影响。 这种电磁力直接驱动减少中间传动环节对运动精度和速度的影响，动铁式的结构避 免线缆扰动给微动台带来的干扰，驱动器并联的方式使得微动台体积结构更加紧凑。 4 广西大学硕士学位论文面向精密控制的伺服驱动器设计与试验研究 。 l = _ - 一 霎 矗_ ，警渗饕i 图2 1 精密微动平台的洛仑兹电机组成结构【1 2 j f i g 2 1t h ec o m p o s i t i o no ft h el o r e n t zm o t o ra p p l yt op r e c i s i o nm i c r o p o s i t i o n e r 【1 2 】 鞠隧飘i ! ：二，： i | 鬻鬣疑羹 ，：己。 图2 - 2 洛仑兹电机单个驱动单元【1 2 1 f i g 2 2s i n g l ed r i v e re l e m e n to ft h el o r e n t zm o t o r 【1 2 1 单个驱动单元都采用洛仑兹力驱动的形式，图2 2 为单个驱动单元的三维结构图， 包括一组线圈、四块永磁体和两片铁轭构成。永磁体和铁轭分成两组粘接后共同固定于 动子骨架，永磁体的布置方向如图2 2 所示，成中心对称。永磁体和铁轭构成相对闭合 的磁场，磁力线方向永磁体和铁轭内部是s 极到n 极，在间隙中是n 极到s 极。通电线圈 在磁场中就会受到洛仑兹力。驱动单元设计特点：除具有音圈电机无限分辨率、高响应、 控制方便等特点之外，也为正交方向的运动预留出空间，使得平面运动成为可能。 2 音圈直线电机构成 直流平面电动机由多个音圈直线电机组合而成，驱动平面电机最终归结到驱动单个 直线电机及其协调运动。音圈直线电机一般有动线圈型和动磁铁型两种形式，动磁铁型 需要一个固定的长电枢，结构复杂，移动部分重量大，惯性也大，动态响应特性差，但 行程可以做得很长【z 1 1 。动线圈型结构简单，移动系统重量轻，惯性小，动态响应特性较 好，但行程一般较短【2 2 2 3 1 。根据磁动势( 或磁通) 源的不同，动线圈型直线电机可分为 永磁式和电磁式两大类。永磁式是采用永磁铁作磁通源，而电磁式是用直流电流来激励 的。永磁式音圈直线电机容易达到无刷无接触运行，且随着高磁能积稀土永磁材料( 如 钕铁硼n d f e b ) 在电机设计中的应用，使电机结构更加紧凑，体积更小。永磁式直线电 广西大掌硕士学位论文面向精密控制的伺服驱动器设计与试验研究 机还具有良好的静、动态性能和控制特性【2 4 2 5 1 。 # ? “，曩冀j 磁镶 j 热跨 磁铁 外壳 图2 - 3 圆柱型音圈直线电机结构 f i g 2 - 3s t r u c t u r eo fc y l i n d r i c a lv o i c ec o i ll i n e a rm o t o r 圆柱型音圈直线电机，如图2 3 所示，具有高频响应特性，由于本身重量小，因而 可以达到较高的加速度，可做高速振荡往复运动，直线直流电动机实现快速定位控制， 是因音圈直流电动机本身具有较好的动态特性，即较快的动态响应能力和较小的电气时 间常数和机械时间常数，特别适用于短行程的闭环伺服控制系统【2 6 2 7 1 。 音圈直线电机的控制简单可靠，无需换向装置，免维护，长寿命，可以长期连续工 作。可以进行精密的位置、速度、加速度和推力控制，无背隙烦恼。位置精度级别可达 o 1 5 岬或更高，加速度达2 0 g 。由于采用“零传动”，较传统传动方式有明显的优势， 如结构简单、无接触、无磨损、噪声低、速度快、精度高，散热好等，因此得到广泛的 应用【2 8 ，2 9 1 。 微动平面电机的结构和工作原理如图2 4 所示，微动平面电机由x 、y 1 、y 2 三个音 圈直线电机组成。基于洛仑兹力原理，其动子采用特殊设计的永久磁铁布置以产生适当 的磁场，磁铁被镶入到工作台运动部件中，动子通过与之配套的定子线圈在平面x 、y 、 勉三个自由度上获得控制驱动力，在闭环控制下实现超精密运动。x 电机可以实现x 向 平动，y l 、y 2 电机可以实现y 向平动和i 也向旋转运动，从而实现x y 平面内的三自由度 运动。 yl x y 2 图2 4 精密微动平台的音圈电机组成结构 f i g 2 4p r e c i s i o nm i c r o p l a t f o n nv o i c ec o i lm o t o rc o m p o s i t i o n 6 广西大掌硕士学位论文面向精密控制的伺服驱动器设计与试验习”宅 电机定子线圈置于其上下两侧的动子磁铁之间，动子磁铁和定子线圈之间留有一定 间隙，解除机械接触。动子在洛仑兹反作用力的作用下相对定子产生运动。为使动子受 力均匀，在机械设计、装配时，应保证电机定子线圈恰好定位在动子磁铁间隙的中位。 2 1 2 平面电机工作原理 组成平面电机的洛仑兹电机和音圈直线电机工作原理相同，都是基于洛仑兹力直接 驱动1 2 9 j 。当电机线圈中通入直流时，载有电流的导体在磁场中就会受到电磁力的作用， 力的大小与施加在线圈上的电流成比例，通过线圈的电流方向决定其运动方向，运动方 向由左手定则来确定。 f = b s l i 式中b 为线圈所在空间的磁感应强度； 圈的电流。 ( 2 - 1 ) 三为电机的动子线圈导线长度；j 为通过线 b 和三是表征电机内部的两个重要参数，只取决于所给电机的尺寸和材料。乘积 段三是一个特性参数，代表电磁力和电枢电流之比，为直线电机的力常数( n a ) 。 线圈可沿铁芯轴线方向自由移动。在线圈的行程范围内，永久磁铁给予它大致均匀 的磁场。只要线圈受到的电磁力大于线圈所受静摩擦阻力，就可使线圈产生沿轴线方向 的直线运动。 2 2 系统总体设计 针对精密平面电机工作原理特点，提出功率驱动器的基本设计要求，确定基本的性 能指标，并提出驱动器系统的总体设计架构。 2 2 1 精密平面电机对功率驱动器要求 在短行程微动平台中，采用直流型精密平面电机推动工作台运动，平面电机驱动 器输出与输入电压信号成比例关系的大电流驱动电机运动。因此，在设计功率驱动器时 应考虑如下要求： ( 1 ) 最大输出电流 由直流平面电机工作原理可知，电磁驱动力f = 置的大小取决于所通电流，的 大小，并与驱动电流，成正比。驱动电流增加，驱动力随之增加。 实际驱动中，电机实际输出力还要克服电机摩擦阻力与加速度惯性力，比电磁驱动 力大。动态时，驱动器输出的电流还要克服电枢绕组的感抗，因此最大供电电流比理论 计算值要大一些。 ( 2 ) 响应速度 高频响应是平面电机的重要指标之一，微进给装置的响应速度受其本身机械结构影 响外，还受控制系统各环节影响。驱动器响应时间直接影响到进给系统的响应速度，出 现加工误差。驱动器响应速度越慢，则从输入控制信号到进给机构运动所需位移的响应 7 广西大掣啊炙士掌位论文 面向精密控制的伺服驱动器设孛卜1 可锚镧盒研究 时间就越长。因此驱动器必须具有很高的响应速度。 ( 3 ) 通频带 通频带大小是衡量驱动器响应速度的重要指标。若驱动器的响应速度快，则其通频 带就很宽，跟随精度就高，反之则通频带就窄。通频带的宽窄综合反映驱动器的响应速 度和稳定度。 ( 4 ) 稳定性 驱动器要求线性度要高，不能随环境温度变化及元器件参数变化而导致不稳定。因 此对系统温漂和零漂有较高要求。为保证微进给系统能稳定、可靠的工作，温漂和零漂 应尽可能小。 2 2 2 驱动器具体指标 针对以上对直流型平面电机特性的介绍和对驱动器要求的分析，以及国外对平面电 机相关研究的内容，这里对本课题驱动器提出一些初步具体指标【3 0 ，3 1 ，3 2 1 。在本章的后续 实验章节将通过实验分析课题是否满足这些指标。 最大输出电流：不小于1 5 a ； 响应速度：调整时间在1 0 4 秒以下； 通频带：正弦信号输入，频带宽度大于6 k h z ； 稳定性要求：温漂在0 0 0 1 以下，噪声在2 0 m v 以下。 2 2 3 系统总体架构设计 应用于精密工件台的精密平面电机工作在高速高精的状态，对其驱动电路提出严格 要求，要求驱动器输出稳定的驱动电流。本课题设计驱动器系统框图如图所示，主回路 主要模块如图2 5 所示。 系统各模块介绍如下： 一、输入信号 图2 5 功率驱动器系统总体框图 f i g 2 5b l o c kd i a g r 锄o f t h ep o w e rd r i v e rs y s t e m 8 广西大学硕士学位论文 面向精密控制的伺服驱动器设计与试验研究 输入信号可采用信号发生器，或计算机编程经高速光电隔离型模出接口卡产生。接 口卡一般具有输出路数多、操作简便、适用范围广、抗干扰能力强等特点，适用于恶劣 条件的工业现场。在本课题试验中，输入信号由信号发生器产生及稳定直流电压源提供。 二、电源 电源部分根据系统各功能模块的需要，分别有士2 0 v 、士1 5 v 等。 三、基本放大电路 功率驱动器基本放大电路的核心器件为o p a 5 4 l 大电流型功率放大器芯片，放大电 路的设计主要是针对本课题所研究系统的特点设计的o p a 5 4 1 外围电路、电压跟随电路 及p i 控制器电路等。 四、反馈电路 平面电机需要的驱动信号是电流信号，所以采用电流负反馈，从采样电阻获取与电 流成比例的电压信号，与给定控制信号比较。 五、检测及保护电路 检测及保护电路主要分为高端电流、低端电流的检测，还有放大电路输入输出端保 护、输入信号接地等保护电路。本设计保护电路根据实际应用有待进一步完善。 2 3 本章小结 本章主要介绍构成精密精动台的平面电机的结构及工作原理，分析精密平面电机对 驱动器的要求，然后指出预期应达到的指标要求，提出系统总体设计方案。 9 广西大掌硕士掌位论文面向精密控制的1 訇服驱动器设计与试验研究 第三章驱动器电路设计 本章主要阐述驱动器电路的具体设计与分析，主要分为以下几个功能模块：基本放 大电路、反馈电路、检测与保护电路，以及系统理论分析及电流稳定性分析等。驱动器 电路的总体设计在第二章2 3 节进行阐述。 3 1 主回路分析 该线性功率驱动器主回路电路采用电流负反馈，为反相输入电压控制的浮动负载压 控电流源形式，集成功放输入端没有共模偏压，具有较高精度和较低失真【3 3 】。驱动器主 回路功能模块如图3 1 所示。电流负反馈，实现电流稳定输出，其中电流取样放大电路 f 输出电压与系统输出电流成比例关系，经可编程增益放大器模块e 进行反馈系数调整 后，与输入电压信号v i 经比较电路c 比较，所得误差量经p i 模块d ( 取反) 后，到电 压跟随器b ，最终由功率放大器a ( 取反) 实现放大后输出到负载。 v i 图3 - 1 功率驱动器主回路电路模块框图 f i g 3 - 1b l o c kd i a g r 帅o fm a i n1 0 0 pc i r c u i tf o rp 0 ，e rd r i v e rc i r c u i t 结合图3 1 ，该电路输出电流的稳定原理分析如下：假设负载不变，由于外界扰动 或电路温漂引起负载电流如t ，则采样电阻两端电压 胁t _ 场s t 叶趼一厶泸i 一( 所- 叨i 【一厶场【而、【；反之，若电流而【，则 隐上_ 场s 、【一吼一厶泸i ( 阼叨i 下一4 场t _ 如t ，从而实现电流稳定输出。 3 2 基本放大电路设计 功率驱动器基本放大电路由比较运算电路c 、p i 环节d 、电压跟随器b 和功率放大 环节a 组成。 i o 广西大掌硕士学位论文面向精密控制的1 目服驱动器设计与试验研究 3 2 1 功率放大电路设计 综合对比几款功放芯片最大输出电流、电源电压、压摆率、最大管耗及安全运行区 域曲线( s o a ) 等参数，根据平面电机对驱动器的设计要求，结合市场与成本，最终选 择o p a 5 4 1 作为本设计的核心功放芯片啪j 。 功率运算放大器0 p a 5 4 1 的工作电压高达士4 0 v ，可连续输出5 a 大电流，峰值电流高 达1 0 a ，典型压摆率为1 0 叫s ，并有内部过流保护电路l j ) 。o p a 5 4 l 有两种封装形式：8 脚t o 3 金属壳气密封装和1 1 脚功率塑料封装，本设计采用1 1 脚塑封o p a 5 4 1 a p 。 此处功率放大电路，由电压跟随器b 和功率放大环节a 组成，如图3 2 所示。 图3 2 功率放大电路 f i g 3 2c i r c u i t0 fp o w e r 锄p l i f i e r 1 功率放大环节a 由功率运算放大器o p a 5 4 l a p 及外围电路组成，构成反向电压放大，其增益 七= r 置。 o p a 5 4 1 通过外接过流取样电阻的方式进行限流保护。过流保护电路由内部晶体管 和外接取样电阻如等组成，超过限定电流时，取样电阻如上的压降将大于内部晶体 管基射极导通电压，晶体管导通，将功率级驱动电流分流，阻止输出电流上升，以保 护功率集成运放或外部设备不会因过载而损坏。 限流电阻砰，阻值由下式确定： 2 嚣圳2 ( 3 1 ) 面向精密控制的1 习服驱动器设计与试验研究 式中，k 为期望限流值。根据预定最大输出驱动电流1 5 a ，选择精密限流电阻o 4 q 作 为限流电阻，所期望限流值为1 9 3 6 a 。限定电流值k 为平均值，当输出正电流时，实 际输出电流将限制在期望值以下约1 0 ，当输出负电流时，实际输出电流将限制在期望 值以上约1 0 【3 4 1 。 为提高限流稳定性，在0 p a 5 4 1 驱动输出端并联一个电阻与电容的串接网络构成补 偿电路，如图3 2 所示。根据期望限流值，选择补偿电路中电阻i 玛为2 7 q ，电容c 5 为 0 0 6 8 u f 【3 7 1 。 2 电压跟随器b 由运放u 2 b 及电压反馈组成，其输出电压全部反馈到反相输入端，其反馈系数恒 为l ，如图3 2 所示。图中，输出电压与输入电压的关系；“72 “5 ，其增益恒为l 。理 想运放的开环差模增益为无穷大，因而电压跟随器具有比射极输出器更好的跟随特性。 电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，输出阻抗低。如果后级的输入阻抗比较 小，那么信号就会有相当部分损耗在前级的输出电阻中，此时就需要电压跟随器来从中 进行缓冲，起到承上启下的作用。此处主要利用运放缓冲隔离的作用，置于功放环节与 输入前级之间，以“隔离”前后级之间的影响，切断负载反电动势对前级的干扰，提高输 出电流的稳定性。 3 2 2p i 电路设计 1 p i d 控制器原理 图3 - 3p i d 控制器原理结构图 f i g 3 - 3t h e 呻n c i p l e 咖c t u r ec h a r t0 fp i dc o n t r o l l e r p i d 控制器根据给定值r 渺与实际输出值c 似构成控制偏差： e ( f ) = r ( f ) 一c ( f ) ( 3 2 ) 将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制， 其控制规律为： 比) = 廓+ 扣沈+ 乃掣 ( 3 - 3 ) 传递函数形式： 1 2 广西大掌硕士掌位论文面向精密控制的伺服驱动器设计与试验研究 ， ) = 粥= 砗( ，+ 去忡) ( 3 4 ) 式中， u f f ) ：控制器输出； e ( f ) ：控制器偏差输入，是给定值和被控对象输出值的差； k ，：控制器比例系数； z ：控制器积分时间常数，也称积分系数； 乃：控制器微分时间常数，也称微分系数。 p i d 控制器各校正环节的作用： ( 1 ) 比例调节器 比例调节器对偏差即时反应，一旦出现偏差，调节器立即产生控制作用，使输出 量朝减小偏差方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数。比例调节器虽简单快速，但 对于系统响应为有限值的控制对象存在静差。系统稳定情况下，加大比例系数可减小稳 态误差，过大时，会使系统动态质量变差，输出量出现振荡，导致闭环系统不稳定；而 太小，会降低系统响应速度。 ( 2 ) 比例积分调节器 为消除比例调节残余静差，可在比例调节基础上加入积分调节。积分调节有累积成 分，只要偏差e 例不为零，可通过累积作用影响控制量，减小偏差，直到偏差为零。积 分强弱决定于积分时间常数t i ，n 越小，积分作用越强。反之，t i 越大，积分作用越 弱。引入积分环节的代价是降低系统的快速性。 ( 3 ) 比例微分调节器 为加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，按偏差变化的趋向进行控制， 使偏差消失在萌芽状态，这就是微分调节的原理。微分作用的加入将有助于减小超调， 克服振荡，使系统趋于稳定。 p i d 控制器参数整定的目的就是按照已定控制系统，求得控制系统质量最佳的调节 性能。对于不同对象，闭环系统控制性能的不同要求，通常需要选不同的控制方法、控 制器结构等。大致上，系统控制规律的选择主要有以下几种情况： ( 1 ) 对于一阶惯性对象，负荷变化不大、工艺要求不高时，可采用比例控制： ( 2 ) 对于一阶惯性加纯滞后对象，负荷变化不大，控制要求精度较高时，可采用 比例积分控制； ( 3 ) 对于纯滞后时间较大，负荷变化较大，控制性能要求又较高的场合，可采用 比例积分微分控制； ( 4 ) 对于高阶惯性环节加纯滞后对象，负荷变化较大，控制性能要求较高时，应 采用串级控制、前馈反馈、前馈串级或纯滞后补偿控制。 ( 二) p i 电路设计 1 3 广西大学硕士掌位论文 面向精密控制的伺服驱动器设计与试验研究 根据电流环特点，本设计采用p i 控制器模拟电路。在串联校正时，p i 控制器相当 于在系统中增加一个位于原点的开环极点，同时也增加一个位于s 左平面的开环零点。 位于原点的极点可以提高系统型别，以消除或减小系统的稳态误差，改善系统稳态性能： 而增加的负实零点则用来提高系统阻尼程度，缓和p l 控制器极点对系统稳定性产生的 不利影响。 p i 控制器方块图如图3 _ 4 所示，下面介绍p i 实际模拟电路的两种方案，单运放形 式和双运放并联形式，如图3 5 、图3 6 所示。 图3 4p i 环节方块图 f 追3 4b l o c kd i a g 船mo f p ic o n t r o l l e r = f a n a g n d 图3 5p i 环节模拟电路i f i g 3 - 5a n a l o gc i r c u i tio f p ic o n t r o l l e r 图3 6p i 环节模拟电路i i f i g 3 - 6a n a l o gc i r c u i ti io f p ic o n 仃d l l e f 图3 - 5 中，输出电压与输入电压关系： 器一器一扣去卜卜去 ( s ) r c l 。sr 、马c l 。s 7i ，乃s ，j 其中筐鼎：r 8 ，耳徽嗍撇 1 4 ( 3 5 ) 广西大掌硕士掌位论文 面向精密控制的伺服驱动器设量卜与试验研究 当系统输入端出现偏差时，控制输出电压不会立即变得很大，而是随着时间的推移 和系统误差不断地减小，p i 的输出电压不断增加，即系统放大系数不断线性增大，这种 特性称为系统阻尼。决定阻尼系数因素是p i 比例系数和积分时间常数。p i 参数的整定 直接影响到控制效果，要提高控制系统的质量，应采用合适方法，对实际系统进行调试， 选择合适的p i 比例系数和积分时间常数【3 8 3 9 1 。 3 2 3 比较器电路 下面介绍两种基本的比较器电路，也是本设计采用的偏差比较电路形式。 1 比较器电路i ：如图3 7 所示，由虚断可知，通过r 4 的电流等于通过r 5 的电 流，通过r 6 的电流等于r 7 的电流，有 旦：生兰 ( 3 6 ) = - = _ 一 i j 。uj r 6尺7 坚兰：! 旦 ( 3 7 ) 尺4r 5 由虚短可知， 由以上三式， 具体应用中， k = 圪 取尺4 = 尺5 = 尺6 = 尺7 = r ，可得 圪= 一( k 一) 若与杉同向，即可实现输入与输出的比较求反。 v i v f ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) 图3 7 误差比较器电路i f i g 3 - 7c i r c u i tio fe n o r 锄p 1 f i e r 2 比较器电路i i ：如图3 8 中，同理分析知， r 5 的电流，取r 4 = 尺5 = r 6 = 尺7 = r ，有 f a n a g n d 图3 8 误差比较器电路i i f i g 3 - 8c i r c u i ti io fe n 0 r 锄p l i f i e r 通过r 4 与r 6 的电流之和等于通过 广西大学硕士掌位论文面向精密控制的伺服驱动器设雪卜与试验研究 = 一( 形r 1 + r 3 ) r 2 = 一( k + ) ( 3 - l o ) = 一【k + ) 具体应用中，若以与形反向，即可实现比较取反功能。 为提高温度稳定性和电路精度，比例电阻采用精度1 或更高的金属膜贴片电阻。 3 3 反馈电路设计及性能影响 在电子电路中，反馈是指将电路输出电量( 电压或电流) 的一部分或全部通过反馈 网络，用一定的方式送回到输入回路，以影响输入电量( 电压或电流) 的过程。在放大 电路设计中，主要引入负反馈以改善放大电路的性能。 3 3 1 反馈电路设计 放大电路有四种基本类型，即电压放大、电流放大、互阻放大和互导放大。将这四 种基本放大电路与适当的反馈网络相结合，根据输出取样和输入比较方式的不同，可以 构成四种类型的反馈组态，即电压串联负反馈、电流并联负反馈、电压并联负反馈和电 流串联负反馈。 本课题研究的驱动器负载为平面电机感性负载，需要的驱动信号是电流信号，而输 入信号为电压信号，这就需要进行电压电流变换，使输出电流与输入电压成线性关系， 因此本设计反馈电路设计采用串联电流负反馈。 a n a g n d 一 a 唑g n d “| 卜晋 三- 俐l f u 5 上c ，2h a l ： 嘣ia n a g n d 。i 卜， 一”7i j l 妻一“坩一d + 例lj l o ，k p o 时系统稳定。 初定：r 0 = 2 0 0 k ，r l = 5 0 0 k ，c l = o 4 7 u f ，则k p = 2 5 o ，t i = 0 2 3 5 s 0 ，满足系统稳定条 件。通过绘制此组参数的开环传递函数b o d e 图，如图3 2 0 所示 根据b o d e 稳定判据：p = o 时，若开环对数幅频特性比其对数相频特性先交于横轴， 专 幽 靴一狲列 一、j一，一r私巧 卜一文 呐 广西大掌硕士掌位论文 面向精密控制的伺服驱动器设计与试验研究 即哝 6 如，即& 2 。 即 f 7 = 18 0 。+ 缈( 纹) 4 5 。 矿 1 ( 3 3 2 ) 【- 牛阿茄网圮 u “ r 一- 蔓r 一4 - + 十 l0 ， - _ 卜、 - _h w 斟a n 嘲_ c y o l 妇l2 j o 幛 、， g 自_ ，0 d 。n 一 -_ l r _- ， - 吆 搿；t 移， -一-。l： 渤 一f 一一一一1 r 1 一 ! f -， 巍一 - k 卜 _ ，张 l 、 _ 、h _ 1 j 。：j 。 。谴 图3 - 2