高精密工作台伺服驱动环节的设计与研究.docx

高精密工作台伺服驱动环节的设计与研究摘要：研究并设计了应用于母盘刻录机的高精密工作台伺服驱动环节。在基于DSP数字闭环控制器的基础上通过理论建模、程序仿真和实验验证对驱动环节进行了优化设计。在驱动环节中采用了模拟速度环、PI校正环节和线性功放使工作台在低速下有较快的响应和较小的稳态误差。实验结果表明使用驱动环节后的伺服控制系统有利于提高母盘的刻录精度。关键词：母盘刻录精密工作台驱动环节速度环PI校正随着社会的发展信息的存储量越来越大光盘信息存储技术也在不断飞速发展因而对母盘制造精度提出了更高的要求。目前光盘国家工程研究中心利用高速数字信号处理器（DSP）采用数字闭环控制原理和传统伺服电机驱动方式实现了高精度工作台的连续大行程运动。其微位移定位精度为±50nm宏位移定位精度优于±150nm可以满足母盘刻录直线进给工作台的连续变速和±50nm控制精度的要求。在此基础上本文研究并设计了工作台的模拟驱动环节以提高控制系统低速响应的稳定性和快速性。1系统总体结构母盘刻录系统直线进给工作台的底座固定在隔振大理石台上底座上安装了带高精度滚珠的V型槽作为运动导轨。工作台经蜗轮蜗杆和小螺距精密丝杠两级减速通过直流伺服电机进行驱动。母盘刻录系统采用恒线速刻录方式聚焦光斑相对于母盘的理想运动是沿着以母盘圆心为中心的等线距阿基米德螺旋线以恒定线速度由内向外运动的该运动由母盘的高速转动和刻录光学头的径向直线进给合成得到。该精密工作台用于母盘刻录的正常工作速度约为30μm／s采用上述大减速比的机械传动系统不可避免地存在传动误差。因此要实现精密定位必须采用全闭环控制系统直接检测工作台位置并针对位置误差进行伺服控制。工作台的控制系统总体结构如图1所示。2模拟驱动环节的建模2．1直流电机模型工作台驱动电机采用上海电机厂生产的直流力矩测速电机组45L－CZ001。若忽略电枢电感和粘性阻尼系数则以电枢电压Ua（s)为输入、转速Ω(s)为输出的直流电机的传递函数为：F（s)＝Ω(s)/Ua(s)＝(1/Ke)/[(Tms+1)(Tes+1)]≈(1/Ke)/Tms+1其中Ke为电动机反电动势系数其单位为V·s；Tm为电机的机械时间常数；Te为电机的电气时间常数其值很小可忽略因此直流电机可以被简化为一阶系统。图5实际PI校正环节电机机械时间常数的测定可以通过给电机加一个7V阶跃电压然后用示波器测定响应到达稳定值0．632时所用的时间而近似得到如图2所示。得机械时间常数Tm＝0．06s。开环情况下输入电压经过线性功放后直接驱动电机用转速表HT－331测量对应转速可以得到放大倍数。测得的数据列于表1中。表1测得的数据表电压/V0.51.01.52.02.5转速/rpm070302520750电压/V3.03.54.04.55.0转速/rpm9931195144816861930数据经过直线拟合后得到放大倍数为463．25。电气时间常数很小近似取Te＝0．0012可以得到经过功放后的直流电机模型的传递函数为：F（s）＝Ω(s)/Ua(s)＝463.25/[(0.06s+)(0.0012s+1)]2．2驱动电路设计为了提高系统在低速时响应的快速性、稳定性和带负载能力要对模拟驱动电路进行设计由测速机引入速度负反馈电压差值经过PI校正环节和线性功率放大器放大后驱动直流伺服电机运动。驱动环节方案如图3所示。PI校正环节的设计对驱动环节的性能有重要的影响原理图如图4所示。其传递函数为：V0/Vin＝Ki(1/T0is+1)(Tjs+1/Tis)其中Ki＝Ri／R0为校正器的比例放大系数τi＝RiCi为校正器时间常数T0i＝R0C0i／4为滤波时间常数一般取值较小用于过滤高频噪声干扰。为了能够将速度环设计成典型二阶环节必须保证校正器零点的选择能够消掉调节时间大的时间常数即τi＝Tm。若取滤波时间常数T0i＝0．25msR0＝100kΩ则滤波电容C0i＝0．01μF。取比例放大倍数为Ki＝3得Ri＝KiR0＝300kΩ于是得Ci＝0．2μF。为了保证PI校正环节在达到稳态时放大器不致因开环而饱和故在PI反馈线路上并联一个反馈大电阻R1＝1MΩ。此外为了便于调节将PI校正器增加比例系数功能但又为防止调整时对时间常数产生太大影响于是要保证Ri＞＞R1取R1＝10kΩR2＝1kΩ。实际采用的电路图如图5所示。下面测定测速反馈系数数据列于表2中。表2测速反馈系数表