直驅(qū)系統(tǒng)中檢測元件對驅(qū)動性能影響的實(shí)驗(yàn)分析*

陳東生 岳曉斌② 陳 華 戴曉靜

(①中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽621900;②復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院光科學(xué)與工程系，上海200433)

對于高性能直驅(qū)系統(tǒng)，需要其穩(wěn)態(tài)和動態(tài)位置跟隨誤差小，具有高精度的定位和跟蹤控制性能，另外一些地方還需要系統(tǒng)具有穩(wěn)定平滑的瞬態(tài)響應(yīng)，尤其是低速平滑性。如何提高直驅(qū)系統(tǒng)的驅(qū)動性能，國內(nèi)外文獻(xiàn)在優(yōu)化閉環(huán)控制算法、減小外界干擾、提高電動機(jī)的性能等方面論述較多，而對反饋的影響往往只是提及而無系統(tǒng)綜合的論述。在直驅(qū)系統(tǒng)中，反饋是非常重要的一環(huán)，無論是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動還是直線運(yùn)動，電動機(jī)動子的位置狀態(tài)是必須檢測的，位置信號作為控制的反饋輸入，位置信號的優(yōu)劣直接影響到驅(qū)動的性能。影響反饋信號因素很多，包括信號類型、分辨率、刻線精度、信號的檢測及檢測元件的安裝等等。本文通過大量的實(shí)驗(yàn)來系統(tǒng)的分析檢測元件對直接驅(qū)動系統(tǒng)的性能影響，并得出一些結(jié)論。

1 直接驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

首先分析直驅(qū)系統(tǒng)的組成，如圖1 為典型的直接驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)架圖，高精度直接驅(qū)動系統(tǒng)具有位置反饋、速度反饋和電流反饋的三閉環(huán)結(jié)構(gòu)形式，直線光柵尺或圓光柵負(fù)責(zé)系統(tǒng)的速度與位置反饋，在電流、速度、位置控制器中采用一定的控制算法，通過PWM 驅(qū)動與放大單元實(shí)時(shí)輸出驅(qū)動電壓產(chǎn)生電動機(jī)推力，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)動控制。

對電動機(jī)的驅(qū)動力能夠準(zhǔn)確穩(wěn)定的控制是改善直驅(qū)性能的關(guān)鍵，從驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以看出，驅(qū)動力的控制取決于驅(qū)動電壓的準(zhǔn)確性能、檢測元件的反饋精度以及優(yōu)良的控制算法。由于檢測元件是所有調(diào)節(jié)的基準(zhǔn)，因此，反饋信號應(yīng)該在這3 個要素中據(jù)最為重要的地位。

2 檢測元件信號類型對驅(qū)動性能的影響

由于直線電動機(jī)自身的電磁場會對位置傳感器產(chǎn)生一定的干擾，直接電動機(jī)驅(qū)動的精密位移機(jī)構(gòu)一般不選用感應(yīng)同步尺、磁柵等利用電磁感應(yīng)原理工作的元器件，在直線進(jìn)給中選擇利用光電轉(zhuǎn)換原理工作的高精度光柵尺，圓周運(yùn)動中采用高精度圓光柵。在直接驅(qū)動閉環(huán)控制中，光柵的信號作為控制的唯一反饋輸入，其優(yōu)劣直接影響到最終的控制性能。光柵的輸出信號類型，常用的有兩種:一種是經(jīng)過信號細(xì)分處理的TTL數(shù)字信號，另一種是沒經(jīng)過細(xì)分處理的1Vpp 模擬信號。

我們在相同的直線電動機(jī)、相同的機(jī)械平臺下采用了兩種不同反饋信號的光柵尺進(jìn)行測試，如圖2，發(fā)現(xiàn)采用TTL 信號反饋時(shí)速度與電流波動明顯具有一個與光柵尺的20 μm 柵距相關(guān)的周期在里面，而采用1 Vpp 模擬信號反饋通過FFT 變化分析沒有與光柵柵距相關(guān)的周期。通過大量的實(shí)驗(yàn)與分析，導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因可能與外部細(xì)分器的信號處理能力以及驅(qū)動器對TTL 信號的檢測頻率和信號處理有關(guān)。由于受制于外部細(xì)分器的信號處理能力，它往往不能根據(jù)安裝的實(shí)際位置進(jìn)行補(bǔ)償優(yōu)化，所以出來的信號相對來說質(zhì)量要差一些，對于高精度的直線電機(jī)控制最好采用1 Vpp 模擬信號輸出的光柵尺。

3 檢測元件信號分辨率對驅(qū)動性能的影響

從理論上來講，檢測元件的信號分辨率越高，控制的精度越高，通過在氣浮支承直線電動機(jī)驅(qū)動的實(shí)驗(yàn)平臺中進(jìn)行光柵分辨率對性能影響的測試，得到如表1 的結(jié)果:

分辨率為5 nm 的情況下，可運(yùn)行的最小速度、低速下的速度波動、零速下的穩(wěn)態(tài)特性均要優(yōu)于50 nm分辨率下的對應(yīng)指標(biāo)，但可運(yùn)行的最大速度要小，僅有200 mm/min，超過該速度系統(tǒng)會震蕩。另外，對相同的機(jī)電系統(tǒng)，分辨率越高，伺服剛度要減小。

由此可見，分辨率越高，控制精度會更高，但也受限于機(jī)構(gòu)的特性，到一定的程度，分辨率過高反會減小系統(tǒng)的剛度，采用控制參數(shù)提高剛度又會減小系統(tǒng)的帶寬，影響到系統(tǒng)的抗干擾能力，降低系統(tǒng)的魯棒性，這需要綜合平衡考慮。

4 檢測元件信號處理對驅(qū)動性能的影響

對檢測元件的信號處理主要有兩部分，一是對信號的偏差與增益的補(bǔ)償，它是由光柵尺本身的刻線精度以及受安裝位置的影響導(dǎo)致的;另一部分是對讀取的信號的噪聲濾波處理。

表1 信號分辨率對驅(qū)動性能的影響

圖3 是信號在處理前后的一個sin/cos 信號圖。對于sin/cos 信號，在沒有進(jìn)行增益與相位補(bǔ)償前sin與cos 信號的幅值是不一樣的，并且信號之間存在一定的相位差，這就需要進(jìn)行幅值與相位的補(bǔ)償。沒有補(bǔ)償前信號是一個有相位滯后并幅值沒有到達(dá)最好的橢圓，補(bǔ)償后為一個圓。

圖4 是對采用1 Vpp 信號的處理前后的驅(qū)動速度特性進(jìn)行比較。圖4a 中驅(qū)動器沒有進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)整前依對速度的波動影響很大，速度波動值達(dá)到0.3 mm/min。圖4b 中驅(qū)動器對信號進(jìn)行了補(bǔ)償后，速度波動精度大大提高，速度波動值為0.06 mm/min。

5 檢測元件的安裝要素對驅(qū)動性能的影響

檢測元件的安裝要素包括安裝位置、安裝精度以及檢測元件與實(shí)際位置量之間的動態(tài)響應(yīng)特性等。

5.1 安裝位置、安裝精度對驅(qū)動性能的影響

我們以一個靜壓支承下直線電動機(jī)驅(qū)動平臺來分析。對于直接驅(qū)動平臺，最終是要實(shí)現(xiàn)加工平臺上工件或刀具位置處的精密驅(qū)動性能，從原理上來講，作為控制的反饋位置，最準(zhǔn)確的位置最好是加工處的實(shí)際位置。如圖5 所示，加工件上表面是我們需要的實(shí)際控制位置，稱為標(biāo)準(zhǔn)量，但實(shí)際上由于安裝空間及加工位置的限制，不可能將光柵尺或者圓光柵安裝在加工位置處。圖5 中的被測量是光柵尺實(shí)際的測量值，另外導(dǎo)軌移動一定有一個導(dǎo)向面，導(dǎo)向面在靜壓支承導(dǎo)軌中如圖5 中位置所示。首先，圖中直線電動機(jī)由于實(shí)際安裝空間的限制不可能驅(qū)動移動部件的質(zhì)心。偏心驅(qū)動將會在導(dǎo)軌移動部件上產(chǎn)生一個附加力矩。附加力矩必然會造成導(dǎo)軌移動部件的標(biāo)準(zhǔn)量與被測量之間有一個導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)角φ1;另外，在安裝中無法保證被測量與標(biāo)準(zhǔn)量和導(dǎo)向面之間的平行度，它們之間會有一個固定的角度φ2，當(dāng)被測量與標(biāo)準(zhǔn)量之間距離為R1，它們會產(chǎn)生阿貝誤差R1tan(φ1+φ2)。

另外在靜壓支承導(dǎo)軌系統(tǒng)中，壓力的波動以及負(fù)載的變化都會引起導(dǎo)向面的變化，首先會導(dǎo)致被測量與標(biāo)準(zhǔn)量之間的角度是一個實(shí)時(shí)變化的值;另外它還會導(dǎo)致測量點(diǎn)與被測量不在一條直線上，這些都會附加產(chǎn)生一個阿貝誤差。

由此，在檢測元件的安裝時(shí)最好能保證靜態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)量、被測量、導(dǎo)向面、測量點(diǎn)在一條直線上，這樣即使動態(tài)時(shí)有一定的偏轉(zhuǎn)角度，也會減小測量誤差。

5.2 檢測元件的動態(tài)響應(yīng)對驅(qū)動性能的影響

對于直驅(qū)系統(tǒng)，檢測信號反饋的是實(shí)時(shí)位置信號，要求檢測元件的安裝要滿足檢測位置的實(shí)時(shí)性要求。對于光柵尺或圓光柵的位置測量，一般是固定光柵，將讀數(shù)頭連接到移動工作臺，這就要求讀數(shù)頭的移動要與移動工作臺保持一致，及讀數(shù)頭的安裝工裝要具有非常好的剛性。在實(shí)際安裝過程中往往會忽略這一點(diǎn)。

為此我們通過圖6 的兩個實(shí)驗(yàn)來分析讀數(shù)頭動態(tài)響應(yīng)對驅(qū)動性能的影響。圖6a 中的讀數(shù)頭遠(yuǎn)離運(yùn)動滑臺，它需要通過一個較長的過渡轉(zhuǎn)接板來進(jìn)行安裝。圖6b 中的讀數(shù)頭靠近運(yùn)動滑臺，它只需要通過一個很小的過渡轉(zhuǎn)接板來進(jìn)行安裝。在圖6a 的安裝方式下，驅(qū)動器無法使能，閉環(huán)使能后出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，在幾秒鐘后出現(xiàn)飛車。而相同的配置，在圖6a 的安裝方式下，閉環(huán)使能后性能穩(wěn)定。對比實(shí)驗(yàn)可以得到出現(xiàn)飛車的原因是讀數(shù)頭安裝工裝導(dǎo)致的，兩個工裝唯一不同的就是剛性有差別，過渡工裝的剛性反映的是一個動態(tài)響應(yīng)能力，閉環(huán)使能本身就是一個不斷調(diào)整的過程，具有納米級分辨率的光柵反饋如果沒有及時(shí)響應(yīng)實(shí)際位置、或更有甚者反饋為調(diào)節(jié)的反方向，就會導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。

6 結(jié)語

(1)對于高精度的直接驅(qū)動控制最好采用1 Vpp模擬信號輸出的光柵尺。

(2)分辨率越高，控制精度會更高，但也受限于機(jī)構(gòu)的特性，到一定的程度，分辨率過高反會降低系統(tǒng)的剛度，需綜合設(shè)計(jì)光柵尺的分辨率。

(3)驅(qū)動器對光柵尺輸出信號進(jìn)行信號強(qiáng)度及相位補(bǔ)償有利于驅(qū)動性能的提高。

(4)檢測元件的安裝最好能盡量滿足靜態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)量、被測量、導(dǎo)向面、測量點(diǎn)在一條直線上，會減小測量阿貝誤差。同時(shí)檢測元件的安裝要滿足檢測位置的實(shí)時(shí)性要求。

［1］陳東生，吉方，藍(lán)河.帶HALL 直線電動機(jī)的低速驅(qū)動調(diào)整與優(yōu)化技術(shù)［J］. 制造技術(shù)與機(jī)床，2012(12):161 －164.

［2］石照耀，張斌，費(fèi)業(yè)泰. 阿貝原則再認(rèn)識［J］. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2012，33(5):1128 －1133.

［3］葉云岳.直線電機(jī)原理與應(yīng)用［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［4］郭慶鼎，王成元，周美文.直線交流伺服系統(tǒng)的精密控制技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.