精密工作台的光栅位移测量和控制系统.doc

精密工作台的光栅定位测量和控制系统的设计目 录1国内外现状.11.1光栅检测的历史11.2当今采用的原理和产品.22系统总体方案设计.32.1方案构思32.2运动范围和精度的实现43测量系统设计.73.1测量方案73.2光栅传感器73.3信号的辨向细分94控制系统设计.134.1控制系统总体方案.134.2执行元件.144.3控制装置.145测控电路.166展望和总结.187参考文献.201.国内外现状1.1 光栅检测的历史从上个世纪50年代到70年代栅式测量系统从感应同步器发展到光栅、磁栅、容栅和球栅，这5种测量系统都是将一个栅距周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合了起来，测量单位不是像激光一样的是光波波长，而是通用的米制(或英制)标尺。它们有各自的优势，相互补充，在竞争中都得到了发展。由于光栅测量系统的综合技术性能优于其他4种，而且制造费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，因此光栅发展得最快，技术性能最高，市场占有率最高，产业最大。光栅在栅式测量系统中的占有率已超过80%，光栅长度测量系统的分辨力已覆盖微米级、亚微米级和纳米级测量速度从60mmin到480mmin，测量长度从1m、3m达到30m和100m。1. 米凤文 戴旭涵 沈亦兵 杨国光 0.1um大行程精密定位控制系统的研究 浙江大学现代光学仪器国家重点实验室 计量光栅技术的基础是莫尔条纹(Moire fringes)，1874年由英国物理学家LRayleigh首先提出这种图案的工程价值，直到20世纪50年代人们才开始利用光栅的莫尔条纹进行精密测量。1950年德Heidenhain首创DIADUR复制工艺，也就是在玻璃基板上蒸发镀铬的光刻复制工艺，这才能制造高精度、价廉的光栅刻度尺，光栅计量仪器才能为用户所接受，进入商品市场。1953年英国Ferranti公司提出了一个4相信号系统，可以在一个莫尔条纹周期实现4倍频细分，并能鉴别移动方向，这就是4倍频鉴相技术，是光栅测量系统的基础，并一直广泛应用至今。德国Heidenhain公司1961年开始开发光栅尺和圆栅编码器，并制造出栅距为4um(250线mm)的光栅尺和10000线转的圆光栅测量系统，能实现1微米和1角秒的测量分辨力。1966年制造出了栅距为201um(50线am)的封闭式直线光栅编码器。在80年代又推出AURODUR工艺，是在钢基材料上制作高反射率的金属线纹反射光栅。并在光栅一个参考标记(零位)的基础上增加了距离编码。在1987年又提出一种新的干涉原理，采用衍射光栅实现纳米级的测量，并允许较宽松的安装：1997年推出用于绝对编码器的EnDat双向串行快速连续接口，使绝对编码器和增量编码器一样很方便的应用于测量系统。现在光栅测量系统已十分完善，应用的领域很广泛，全世界光栅直线传感器的年产量在60万件左右，其中封闭式光栅尺约占85 ，开启式光栅尺约占15 。在Heidenhain公司的产品销售额中大约直线光栅编码器占40 ，圆光栅编码器占30 ，数显、数控及倍频器占30 。Heidenhain公司总部的年销售额约为7亿欧元(不含Heidenhain跨国公司所属的40家企业)。国外企业的人均产值在1015万美元左右，研究开发人员约占雇员的10 ，产品研发经费约占销售额的15 。1 卢国刚 现代光栅测试技术 中国自动化研究所研究员我国在光栅方面的研究起步较晚，于1960年前后，并在光栅和圆光栅的制造、用方面取得了许多成果。但是，我们与当今世界上主要的光栅测量装置生产厂家相比（德国的OPTION、Heidenhain公司、日本的三丰、双叶、美国的B&L公司等）有一定的差距，主要表现在：制造精度比较低、批量程度差、品种比较单一。2 孙亮 精密工作台光栅定位测量与控制系统的设计 中国计量学院此外,目前发达国家在数控技术方面均投人大量的人力物力,研究和开发了一系列新一代的数控设备。例如，德国的SIEMENS公司、日本的FUNAC公司等等。虽然我国数年来也不断对数控技术进行发展，但是出于种种原因，直到今天我国数控领域依然处于比较落后的局面，我们必须对数控技术不断加以研究和探索，整个现代工业加工的基础领域能有较大的发展，而使得工业经济的发展。3 吕海宝等 基于虚拟仪器技术的光栅位移测量系统J 仪表与传感器技术1.2 当今采用的原理和产品 光栅根据形成莫尔条纹的原理不同分为几何光栅(幅值光栅)和衍射光栅(相位光栅)，又可根据光路的不同分为透射光栅和反射光栅。微米级和亚微米级的光栅测量是采用几何光栅，光栅栅距为lO0um至20um远大于光源光波波长，衍射现象可以忽略，当两块光栅相对移动时产生低频拍现象形成莫尔条纹，其测量原理称影像原理。纳米级的光栅测量是采用衍射光栅，光栅栅距是8um或4um，栅线的宽度与光的波长很接近，则产生衍射和干涉现象形成莫尔条纹，其测量原理称干涉原理。现将Heidenhain产品采用的1种测量原理介绍如下。单场扫描的干涉测量原理（图1）对于栅距很小的光栅，指示光栅是一个透明的相位光栅，标尺光栅是自身反射的相位光栅，光束是通过双光栅的衍射，在每一级的诸光束相互干涉，就形成了莫尔条纹，其中+1和-1级组干涉条纹是基波条纹，基波条纹变化的周期与光栅的栅距是同步对应的。光调制产生3个相位相差120度的测量信号，由3个光电元件接收，随后又转换成通用的相位差90度的正弦信号。Heidenhain LF、LIP、LIF系列光栅尺是按干涉原理工作，其光栅尺的载体有钢板、钢带、玻璃和玻璃陶瓷，这些系列产品都是亚微米和纳米级的，其中最小分辨力达到1纳米。在80年代后期栅距为10um的透射光栅LID351(分辨力为005 m)其间隙要求就比较严格为(0.10.015)mm。由于采用了新的干涉测量原理对纳米级的衍射光栅安装公差就放得比较宽，例如指示光栅和标尺光栅之间的间隙和平行度都很宽。只有衍射光栅LIP372的栅距是0512 um，经光学倍频后信号周期为0.128um，其他栅距均为8um和4um，经光学二倍频后得到的信号周期为4um和2um，其分辩力为5nm和50nm，系统准确度为0.5um和lum，速度为30mmin。LIF系列栅距是8um，分辨力0.1um，准确度lum，速度为72mmin。其载体为温度系数近于0的玻璃陶瓷或温度系数为8ppmK的玻璃。衍射光栅LF系列是闭式光栅尺，其栅距为8um，信号周期为4um，测量分辨力0.1um，系统准确度3um和2um，最大速度60mmin，测量长度达到3m，载体采用钢尺和钢膨胀系数(10ppmK)一样的玻璃。图2 干涉测量原理的单场扫描4 常健生 检测与转换技术【M 北京机械工业出版社，19975 黄金永，魏燕定，张炜，空间微动平台的柔性铰链参数优化设计机电工程，20066 周文闻，何广平，平面全柔性并联机构柔性铰链的优化分析北方工业大学学报，20077 陈时锦，杨元华，孙西芝，等基于柔性铰链的微位移工作台性能分析与优化设计机械设计，2004 8 于靖军，周强，毕树生，等基于动力学性能的全柔性机构优化设计机械工程学报，9 左孔天，赵雨东，钟毅芳，等。微型柔性机构的多目标计算机辅助拓扑优化设计，计算机辅助设计与图形学学报，200610 赵松年, 李恩光，现代机械创新产品分析与设计M，北京: 机械工业出版社, 2000。11 邹慧君1机械设计原理M 1上海: 上海交通大学出版社, 1995。12 冯功和，韩德湘，周茂华，激光全息光栅精密测试系统，激光与红外，199713 杜平安，甘娥忠，于亚婷，有限元法；原理建模及应用，北京：国防工业出版社，200414 薛实福，李庆祥，精密仪器设计，北京：清华大学出版社，199115 廖常初 PLC编程及应用 第3版 机械工业出版社16 李庆祥 王东生 李玉和 现代精密仪器设计 17 张振荣 晋明武 王毅平 MCS-51单片机原理及实用技术 18 张迎新 单片微机计算机原理、应用及接口技术19 单成祥 传感器的理论与设计基础及其应用20 常健生 检测与转换技术21 袁琦 基于DSP的直线电机数字控制系统设计22 石晓艳 刘淮霞 基于DSP控制无传感器的无刷直流电动机调速系统23 赵玉刚 周维芳 白庆华 基于FPGA的光栅位移检测系统设计24 宋文绪 传感器与检测技术25 郁有文 传感器原理及工程应用26 吕海宝 基于虚拟仪器技术的光栅位移测量系统27 康华光 电子技术基础28 褚振勇 FPGA设计及应用29 李清新 伺服系统与机床电气控制30 陈黎敏 高飞 数控系统31 Lobontiu NDesign of symmetric conicsection flexure hingesbased on closedform compliance equationsMech Mach Theory，2002，37(5)：47732 Lobontiu N，Paine J SN，OMalhyE，et a1Parabolic and hyperbolic flexure hinges：flexibility，motion precision and stress characterization based on compliance closed-form equationsPrecisEng，2002，26(2)：3233 Lobontiu NAnalytical model of displacement am plification andstiffness optimization for a class of flexure-based compliant mechanismsComput Struct 34 Lobontiu N Compliant Mechanisms： De sign of Flexure HingesUSA：CRC Press LLC，2003：635 MinlK S，Choi W C，Song S H，et al，Static and dynamic analysisof a nanopositioning flexure-hinge stage with a flexible lever mech-anismProcInst Mech Eng Pdn B J E Manuf2005219：44736 YANAGISAWA K1Two dimensional drive system: US,63279292B1 P，2001-02-11。37 Satoshi Kiyono, Wei Gao, Shizhou Zhang et al.Self-calibration of a scanning white light interferencemicroscopeJ. 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Transactions on Mechatronics20038(1)44 AVADHANULA S.W00D R JCAMPOLO Deta1Dynamic tuned design of the MFI thoraxA，IEEE Internationa1 Conference On Robotics and Automat1onCWashingtonDC2002：45 SHIMADA E.TH0MPS0N J.YAN Jeta1Prototypingt millirobots using dextrousmicroassembly and folding.Sym.posium on MicrorobotsAASME Internationl Mechanical Engineering ConferenceC.OrlandoFlorida2000：5一l02002，6：838746 PAROS J M，WEISBORD I How to design flexure hingesJMn(-hine Design，1965：1547 JOUANEH M，YANG R YModeling of flexure-hinge type lever mechanismsJPrecision Engineeri”g200327(4)：40741848 wu Y，ZHOU An XYO mechanism actuated by one actuatorJMechanism and Machi”P ThP0ry200439(10)：1 1011 11010(2)：14314749 ELMUSTAFA A A，LAGALLY M GFlexuralhinge guided motion nanopositioner stage for precision machining：finite elementsimulationsJPrecisionEngineering，2001，25(1)：778150 ZETTL B，SZYSZKOWSKI W，ZHANG W JAccurate low D()F modeling of a planar compliant mechanism with flexure hinges：the equivalent beam methodologyJPrecision Engineering，2005，29：2372452 系统总体方案设计2.1 方案构思 实现微位移机构的方案比较多，用途也很广泛，根据不同的要求，采取不同的方案。应以满足使用要求而又经济合理为准则。但作为精度补偿用的微动工作台，因它的精度要求比较高，一般都在亚微米级以上，所以设计时除满足使用要求外，还应具有良好的静态特性和动态特性。作为理想精密微动工作台，应满足下列要求：微动工作台的支承或导轨副应无机械磨擦和无间隙，使其具有较高的位移分辨率，以保证高的定位精度和重复精度，同时还应满足工作行程；微动工作台应具有较高的几何精度，即颠摆、滚摆和摇摆误差要小，还应具有较高的精度稳定性；微动工作台应具有较高的固有频率，以确保微动台有良好的动态特性和抗干扰能力，即最好采用直接驱动的方式，无传动环节；微动系统要便于控制，而且响应速度快。本系统的总体思路：直流电机接到测控电路的脉冲信号和方向信号。并按直流电机状态转换表要求的状态顺序产生各相导通和截止信号。因此直流电机转速的高低、顺转或逆转、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无、方向或频率。直流电机的转动带动工作台进行相应的直线位移。通过光栅位移传感器测量当前工作台的实际位移。再把测量到的实际位移反馈到控制电路。控制电路把实际位移与给定位移进行比较。通过实际位移与给定位移的偏差实现对工作台的位置进行控制。测控电路把输出通过脉冲信号传到直流电机驱动器。从而实对工作台的校正。其总体方案见图3单片机系统放大器直线电机光栅位移传感器脉冲处理工作台 图3 总体方案在控制方法的选取上，典型伺服系统如开环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统的基本配置、控制原理及控制特点。系统采用直流电机作为执行元件，直线电动机的自身质量小，产生的推力由于直接作用在移动物体上，故可得到高效率的驱动特性。由于直线电动机驱动机构仅由两个互不接触部件组成，没有低效率的中间传动部件，也无机械滞后以及螺距误差，从而可达到高的效率，且其精度完全取决于反馈系统和轴承。当用全数字伺服系统驱动直线电动机时，可达到高刚度和高固有频率，从而达到极好的伺服性能。在测试技术中，传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，它担负着感受和传输信号的重要任务。传感器的类型是多种多样的，其优缺点也是各有侧重收元件后变为。这里采用较高的系统定位精度(0.01um)、故选择光栅位移检测系统。光栅经接周期性变化的电信号，采用逻辑辨向电路区别位移的正反向。利用单片机进行数据处理并显示结果，软件采用汇编语言实现。本测量设计的硬件电路主要由光栅位移传感器、差分放大电路、细分与辨向电路、单片机8051、AD 转换和LED 显示组成。2.2 运动范围和精度的实现本次设计采用的精度为0.01um，所以在选择栅距的时候选250线对/mm，其栅距为0.004mm，在经过一个5倍频信号和4细分电路联级的细分电路，经细分后的信号经过一个D/A转换器，转成模拟信号，转换后的信号再次通过1个上述的20细分电路，达到400细分，实现精度为0.01um。计数器选择1个16位的计数器，经细分后的信号以一个栅距4um为一次计数，25000为置顶，超过25000则计数器置位，反馈量返回单片机，单片机控制工作台停止运动。3 测量系统设计3.1 测量方案 对位移的测量，现在有很多方法，对于精密仪器和测量计量中，采用光栅位移传感器进行位移的测量。光电检测器将接收到的光信号转换为电流信号，由光栅传感器产生两组信号分别经过差动放大与整形器整形后，输出脉冲信号，然后经过细分电路进入单片机控制系统，从而单片机对输入脉冲进行计数。当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，在条纹移动的方向上放置光电探测器，可将光信号转换为电信号，这样就可实现位移信号到电信号的转换。由于位移是一个矢量，既要检测其大小，又要检测其方向，因此至少需要两路相位不同的光电信号，由4个光电器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端，从差分放大器输出的2路信号其相位差为pi2，经过整形器后整形为占空比为1比1的方波，由于光栅在作正向或反向移动时，从差放输出的两路信号相位差都是pi2，将2个信号进行比较，就可以对信号进行辨向。在对信号进行辨向后，辨向后的信号经过细分，达到更高的精度，经细分后的信号通过计数器，实现位移的测量。信号光栅传感器信号转换电路辨向细分电路计数器单片机3.2 光栅传感器光栅有两种：透射光栅和反射光栅。透射光栅的材料为玻璃，易碎，在机床上不宜使用。反射光栅的材料为不锈钢片，并在不锈钢片表面均匀地刻上 1 0 0 对 m m 透光镂空和不透光条纹，其线膨胀系数和机床材料基本一致，故选用反射光栅。本光栅测量系统的结构是：光栅传感器为两个光敏三极管，其输出是与光栅莫尔条纹对应的、相位不同的近正弦波状的电信号，再经差动放大、整型、细分、方向辩别等电路，最终送到可逆计数器进行计数。该系统对工作平台位移的检测是通过光栅移动产生的莫尔条纹与光电检测电路配合完成的，并以单片机为核心构成信号处理与闭环控制。光栅测量原理( 如图2 所示) ：将指示光栅安装于机床导轨机构，标尺光栅固定于机架，二者之间保持0.03-0.06mm的间隙以避免摩擦;同时二者的光栅纹线之间有一个小夹角，当光线透过光栅时，指示光栅上就会产生莫尔条纹。当指示光栅相对于标尺光栅作水平移动时，莫尔条纹作垂直移动。莫尔条纹具有平均误差和放大使用，而且光栅栅线和莫尔条纹之间具有数量和方向上的对应关系。利用光电传感器得到与明暗条纹相对应的周期性电压信号，再经放大、变换整形即可得到计数脉冲。由于脉冲数是 表示指示光栅所移动的条纹数， 故只要知道光栅栅距即可得出光栅所多动的实际距离。即： W=w/(2*sin（a）/2)=w/a=kw。 ( 其中w为栅距即每毫米内光栅的条纹数，W为莫尔条纹宽度 k为光栅放大倍数) 从上式可得， 光栅移动了x 条刻线， 则莫尔条纹也移动了x 条条纹， 将莫尔条纹产生的电脉冲信号计数,即可知道光栅移动的实际距离。光源经标尺光栅和指示光栅所行成的摩尔条纹是光信号，要将光信号转换为电信号，要用到接收元件。在此系统中采用的是光电三极管，光电三极管与发光二极管组合，在电压U的作用下，发光二极管发出光通量Q1并输入到光电三极管内，这时光电三极管的工作点为P1，输出为U1，然后电压上升，工作直线有1平移到2，输出应是U2，但是，由于发光通量增加，输入到三极管内的光通量由Q1变为Q2，所以工作点应是P3即公共电源发生变动时，对输出没有影响。3.3 信号的辨相细分如果将莫尔条纹宽度用 w 表示的话， 则w/4 在位置处分别安装二个光栅管 Ta,Tb, 随着莫尔条纹的垂直移动，在光敏三极管中感应出和光线亮度相应的电流，波形呈眶弦波状。光线暗时，电流小；光线亮时电流大。由于两个光敏管所处的位置关系，其电流在相位上相差90。利用光敏三极管可以检测出指示光栅和标尺光栅的相对的位置光敏三极管Ta，Tb所检测出来的电流及放大后电压波形。Ia是光敏管Ta的检测电流，VA是比较器放大后得到的对应的开关电压，Ib是光敏管Tb的检测电流，Vb是光敏管Tb的检测电流，当指示光栅向右移动时，行成了下图中的电流电压波形。从电流电压波形图可以分析出电平逻辑的变化。因此。单片机根据电平逻辑的变化情况，判别出指示光栅的位移移动方向，确定工作台的运动方向，光栅左移为工作台进给，光栅右移为工作台退位。在采用莫尔条纹测量位移的时候，若单纯的对一个周期进行计数，则仪器的分辨率就是一个周期，所测得的分辨率较难达到较高要求，因此，需要根据周期性测量信号的波形、振幅或者相位的变化规律，在一个周期内进行插值，也就是细分，从而获得更高的精度。电子细分就是把栅距进行N等分，是时间域上通过相对信息的测量达到细分的目的。通过光电转换，将莫尔条纹转成点信号，转换后的电信号。在倍频法细分电路中，需要结合电阻链细分，电阻链细分就是将正弦信号施加在电阻链的两端，在电阻链的节点上可得到幅值和相位各不相同的电信号，这些信号经整形，脉冲形成后，就能在正余弦信号的一个周期内得到若干计数脉冲，实现细分。下图为5倍频细分 ： (五倍频信号)整个细分电路由电阻移相网络、比较器和逻辑电路组成。电阻移相网络给出10路移相信号，移相电阻去10千欧、24千欧、33千欧和56千欧四种，电压比较器将10路移相信号与参考信号U1进行比较，将正弦信号转化为方波信号。从比较器得到的10路信号再经过异或门逻辑组合电路，在41和40处得到相差90的五倍频方波信号。将5倍频细分和下图四细分级联，可以达到20细分 (四细分电路)4 控制系统的设计4.1 控制系统总体方案 作为一个控制系统，有开环和闭环两种控制方式。开环控制系统一般来说结构简单，比较容易实现，但控制精度往往较低。所谓闭环伺服，就是系统的输出端和输入端之间存在反馈回路，在被控的运动过程中，测量环节不断测出实际的输出量和给定的量进行比较，然后用其差值进行控制，以获取高精度。这次的驱动系统需要用反馈量进行更高的精度，所以要用到闭环伺服系统。这次精密工作台定位控制系统就是采用下图所示的闭环系统。系统主要由定位执行机构、检测装置和控制装置三部分组成，定位系统总的操作控制由微机来完成。微机发送目标位移量到单片机中，由单片机中的预置软件模块来控制定位执行机构进行移动定位。单片机控制定位执行机构的同时，检测装置不断地对微位移工作台位置进行实时检测，并将检测到实际位移量信号反馈回控制装置中与目标位移量进行比较，其差值作为新的控制量进一步驱动定位执行机构进行移动定位，直到达到所要求的定位精度为止。 单片机直线电机工作台反馈装置根据上图中的原理框图，先由人为的给定一初始位移W0，通过单片机转换为脉冲信号，电信号通过前置放大电路，直流电机接受脉冲信号，使直线直流电机开始正转，直流电机驱动工作台，工作台移动位移为W1。光栅传感器通过测量，将测量的W1与W0进行比较，形成反馈量 Q=（W2-W1）*K反馈量再次通过单片机转为脉冲信号，直流电机通过矫正，达到原定的位移W0。4.2 执行元件定位执行机构作为工作台实现精密定位的关键技术之一，选择合适的方案显得尤为重要。由于我们要求微动工作台具有高速度、高精度，而高速度、大行程势必给工作台带来较大的惯性，很难达到较高的定位精度。为了解决高速度和高精度的矛盾，我们采用伺服电机来执行工作台之间的连接来实现微位移的移动 直流电机，定义输出或输入为直流电能的旋转电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。下图为直流电机的驱动电路原理：图中有R1起着总的限流作用，而且引脚内部有上拉电阻，这样保证电路不会通过太大的电流，在R2的选择上，R2的上拉作用不但对Q1有影响，而且对Q2的导通也有影响。，R2取5.1k欧 。 4.3 控制装置直流电机作为系统的驱动装置，是整个控制系统中重要的一部分，但是，直流电机还是需要控制装置来实现。PC微机单片机放大电路电机反馈信号控制装置的简要框图如图所示，微机作为上位机，通过通用总线与单片机进行通信。单片机作为控制装置的核心部分，由它来具体执行工作台的精密微位移控制。单片机主要控制与PC之间的通信和驱动直流电机的运转。通信模块主要完成与上位机的通信，即接收上位机发出的位移信号和返回完成状态信息，控制功率放大电路驱动伺服电机完成工作台的移动。 控制装置的流程图如下中断路口现场保护读取位移信息完成位移移动返回状态信息恢复现场退出中断YN5 测控电路测控电路总方案框图单片机放大电路直线电机滤波整流电路光栅传感器滤波电路20细分电路D/A转换器20细分电路计数器PC微机产生位移 系统先由PC微机给定一个初始位移信号，初始信号经过单片机8051转化成电信号，电信号中可能有其他噪声，垃圾信号的干扰，需要滤波电路去除不必要的信号，由于信号比较小，为了方便直流电机的读取，在直流电机前添加放大电路，放大后的信号驱动直流电机的转动，直流电机带动工作台的微位移移动，因为位移的移动，是工作台上的光栅传感器接受到光栅的变化，光栅传感器将光信号转化为电信号，形成脉冲信号，一个脉冲为一个栅距，由于精度的要求，需要将此脉冲信号进行400细分，达到更高的精度，脉冲信号经过滤波整流后通过一个5倍频和4细分电路联级的20细分电路，此时的信号为数字信号，数字信号经过一个D/A转化器转化为模拟信号，模拟信号再次通过20细分电路，达到四百细分。细分后的信号有1个16位的计数器接受，计数器上显示此时的位移量。此时信号反馈回单片机，单片机将此时的位移量与初始位移进行比较，将比较后的差值再次送入直流电机，进行