基于超聲掃描設備的雙直線電機驅動技術

張繼靜

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

超聲掃描檢測設備是一種無損檢測設備，可以在不破壞器件的情況下檢測器件內部缺陷。超聲掃描檢測設備不僅能檢測分層、氣孔、裂縫和夾雜等缺陷，而且在判別密度差異、彈性模量、厚度等特性和幾何形狀的變化方面也具有一定的能力。超聲掃描檢測設備屬于高精度設備，針對原來系統結構中存在的步進軸運動速度慢，檢測效率低，定位精度低等缺陷，我們采用雙直線電機驅動的結構代替步進電機驅動，有效改善了系統原來存在的問題。

1 超聲掃描檢測設備結構

超聲掃描檢測設備系統結構框圖如圖1所示。三軸運動系統帶動超聲波換能器對被測器件進行高速掃描，超聲波換能器發射超聲波并接收反射回波，經過數據采集卡進行轉換處理，最終得到一張相應界面的高分辨率超聲波圖像。

掃描軸驅動機構主要帶動超聲波換能器沿掃描軸高速往復運動，實現對待測器件的掃描。

步進軸驅動機構的主要功能就是驅動掃描軸沿步進軸方向做低速微步運動，配合掃描軸軸向運動一起來實現掃描- 步進兩個方向的協調運動，以實現對整個待測件的完整掃描。

聚焦軸驅動機構的主要功能是驅動超聲波換能器和前置放大器沿聚焦軸方向上下運動，以實現對器件的超聲波聚焦。

圖1 系統結構框圖

2 機械結構設計

由于本次步進軸采用高架機構，而直線電機運行速度、加速度比較高，容易造成系統震蕩。雙驅結構左右兩邊各有一套光柵尺反饋單元，要求兩側的位置反饋值偏差在10 μm 以內。因此要求兩端導軌的平行度、直線度控制在比較高的精度范圍內，這就對機械結構設計，零件加工精度和裝配調整方法提出了較高的要求。

針對以上問題，機械結構設計上采用疊加方式構成高位龍門式架構模式，這種設計容易保證關鍵零件加工的精度要求，又能確保整體架構的剛性要求，配以雙驅脈沖參數匹配等多種調整方法及測量方式滿足了系統性能指標的量值需求。

3 雙直線電機驅動控制

雙驅直線電機的同步進給對同步精度和快速性的要求要比在單軸驅動時對速度、位移控制的要求更高，因為這涉及到多個控制回路間的互相關系并使其保持一致性，而不僅僅是要求單個回路的高品質問題，往往在多個回路間存在著強烈的耦合和諸多不確定性，從而增加控制難度。

目前直線電機的同步控制可分為三種結構，串聯式同步控制結構、并聯式同步控制結構和一般主從式同步控制結構。

3.1 串聯式同步控制結構

串聯式同步控制結構如圖2所示，即主動電機的位置輸出當作從動電機的位置輸入，根據各軸的機械或伺服頻寬的差異來調整比例增益。這種控制方法比較簡單，但是從軸會因伺服落后而造成跟蹤誤差，一般情況下，從軸要比主軸滯后2個伺服周期以上。

3.2 并聯式同步控制結構

并聯式同步控制是在控制器上完成兩軸同步的指令規劃，如圖3所示。在指令方面兩個軸是同步的，但由于兩軸的運動控制回路相互獨立，兩個直線電機之間不存在任何交互關系，當一個直線電機受到未知干擾而影響其輸出時，則無法保證雙直線電機之間的同步性能。

針對并聯式同步控制結構的弊端，交叉耦合同步控制結構應運而生，采集一個直線電機的位置誤差信號乘以比例值，作為另一個直線電機的速度輸入，這種在控制上交叉耦合的控制結構可看作是改良式的并聯同步控制結構。

圖2 串聯式同步控制結構

圖3 并聯式同步控制結構

3.3 一般主從式同步控制結構

一般主從式同步控制結構是利用主動電機的位置、速度輸出以及速度估測分別作為從動電機的命令以及前饋補償，如圖4所示。該結構主動電機受到外界干擾，從動電機會隨之運動，但從動電機受到干擾后，其輸出變化不會反饋至主動電機，所以對于同步控制系統存在瑕疵。

3.4 系統所采用控制結構

結合設備結構，綜合眾多的同步控制方案并經過改進，得出了如圖5所示控制結構。雙電機同步控制系統兩根軸采用相同的伺服系統，同時結合交叉耦合控制理論，把兩根軸的速度誤差信號經過反饋控制器分別給直線電機電流控制器的輸入端，以提高系統動態響應和抗干擾能力。

圖4 一般主從式同步控制結構

圖5 本系統同步控制結構

4 系統運行驗證

系統采用兩套完全相同的直線電機、驅動器、濾波器以及開放式光柵系統進行反饋，在運動控制程序中加入位置、速度、電流三種控制器，由運動控制卡進行電機運動的控制與監測。加入同步控制算法，按雙驅直線電機調試辦法進行參數設置，經過底層程序編制、進行PID 調節，系統達到穩定運行狀態。利用激光干涉儀記錄重復精度、定位精度、最高運行速度。

兩個電機同時進給，對400 mm 長的龍門梁選取三個不同位置進行測量。記錄各點的重復精度和定位精度，參數如表1所示，仿真曲線如圖6、圖7、圖8所示。

表1 測量結果

圖6 命令與實際拋物曲線對比

圖7 命令與實際S 曲線對比

圖8 命令與實際階躍曲線對比

由測量結果可以看出，重復精度與定位精度達到系統要求。

經過參數設置與調整，系統的重復精度和定位精度可以保證系統要求。

通過參數設置與調整，并經過長達3 個月的考核驗證，系統的重復精度和定位精度可以滿足系統的技術指標。證明本系統雙直線電機驅動結構設計合理，系統所采用的雙直線電機驅動控制方法有效。

5 結 論

超聲掃描檢測系統是一種高速高精度的檢測設備，本文基于超聲掃描檢測系統，對雙直線電機伺服系統的同步進給問題進行了研究及驗證。仿真結果表明系統具有很好的跟隨性能，可以達到要求的定位精度和動態誤差。

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