直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)研究

張 乾，譚立杰，宋婉貞，陳國興

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

伺服控制系統(tǒng)又稱隨動系統(tǒng)，用來控制被控對象的轉(zhuǎn)角或者位移，被控對象能夠自動、連續(xù)、精確地復(fù)現(xiàn)輸入指令的變化規(guī)律。伺服控制系統(tǒng)的性能好壞可以從控制精度、抗干擾能力、動態(tài)響應(yīng)速度等方面來評估。一個(gè)良好的伺服控制系統(tǒng)須具備寬范圍的調(diào)節(jié)能力、較高的控制精度、較快的動態(tài)響應(yīng)速度和較強(qiáng)的抗干擾能力。伺服控制系統(tǒng)通常是包括電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的三環(huán)結(jié)構(gòu)，其中閉環(huán)控制就是在開環(huán)控制的交直流電機(jī)的基礎(chǔ)上將速度信號和位置信號通過位置檢測裝置給驅(qū)動器做閉環(huán)負(fù)反饋的PID調(diào)節(jié)控制。

精密運(yùn)動平臺中使用的伺服控制器，它的功能水平主要體現(xiàn)在硬件方案、核心控制算法以及應(yīng)用軟件，硬件平臺水平國內(nèi)和國際相差不大，而軟件的控制算法，控制策略以及控制算法的有效性、快速性以及易用性是國內(nèi)外軟件平臺的重大區(qū)別。特別是隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，全數(shù)字伺服控制系統(tǒng)的核心算法研究是我國自動化控制發(fā)展的難題，成為了需要迫切解決的問題。

目前我國伺服運(yùn)動控制平臺主要的控制器和驅(qū)動器都來自國外，比較知名的廠家主要有日本的三菱電機(jī)、松下、富士、安川，美國的PMAC、Parker、GALIL，以色列的 ACS運(yùn)動控制器，德國西門子、倍福。對于國際市場上的產(chǎn)品，主要是日本和歐美地區(qū)，日本的產(chǎn)品價(jià)格便宜，性能較高，但是可靠性和系統(tǒng)集成方面不如歐美產(chǎn)品，占據(jù)市場份額較大。而歐美產(chǎn)品通常用于可靠性、精度要求高的場合，對于高端產(chǎn)品比較適用，他們通常提供一整套的運(yùn)動控制技術(shù)解決方案，包括電機(jī)、驅(qū)動器、控制器、光柵尺以及軟件支持，在市場上具有很強(qiáng)的競爭力。

1　激光劃切機(jī)工作臺系統(tǒng)要求

激光劃切機(jī)主要由xyθ工作臺系統(tǒng)、z向調(diào)焦機(jī)構(gòu)、激光光路傳遞系統(tǒng)、水氣路、CCD圖像處理系統(tǒng)、人機(jī)交互主控系統(tǒng)組成。xy工作平臺主要采用直線電機(jī)伺服驅(qū)動，z向調(diào)焦機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，θ向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用力矩電機(jī)伺服驅(qū)動。xy工作平臺控制承片臺的絕對運(yùn)動、相對運(yùn)動、直線插補(bǔ)運(yùn)動、圓弧插補(bǔ)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)精密的加工定位功能以及工藝加工軌跡規(guī)劃，θ向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)晶圓的90°劃切，激光出光位置不變，LED晶圓在xy工作臺帶動下，z向機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)激光的精細(xì)調(diào)焦，進(jìn)行工藝加工，要求搭建的激光劃切機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺的運(yùn)動控制系統(tǒng)速度快、精度高、穩(wěn)定性好。

運(yùn)動控制平臺采用xy軸直線電機(jī)閉環(huán)控制，直線電機(jī)有高控制精度、大單位面積推力、高效率、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)從高速到低速不同范圍的高精度位置定位控制，xy工作臺機(jī)構(gòu)采用直線電機(jī)雙層十字疊加設(shè)計(jì)。本文以x向工作臺系統(tǒng)為主要研究對象（見圖1），研究基于直線電機(jī)的伺服控制系統(tǒng)控制策略以及實(shí)施方法。工作臺要求定位精度在±5 μm，重復(fù)精度在±3 μm，對伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提出了更高要求。

2　直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對于精密運(yùn)動工作臺系統(tǒng)，直線電機(jī)的控制系統(tǒng)一般由計(jì)算機(jī)也就是上位機(jī)、伺服控制器、驅(qū)動器、光柵尺以及工作臺和一些機(jī)械連接機(jī)構(gòu)組成，工作臺的控制精度不僅僅取決于直線電機(jī)的好壞，它和整個(gè)工作臺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，更多依賴于伺服驅(qū)動和位置反饋裝置的好壞。圖2為工作臺系統(tǒng)硬件連接的結(jié)構(gòu)框圖，以及各個(gè)機(jī)構(gòu)之間的邏輯關(guān)系。

圖1　x向工作臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2　直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)框圖

直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)一般采用伺服控制器和驅(qū)動器進(jìn)行數(shù)字PID控制，常用的閉環(huán)控制系統(tǒng)是分為模擬量方式和數(shù)字脈沖方式。

模擬信號控制方式是運(yùn)動控制器內(nèi)部發(fā)送給伺服驅(qū)動器0～±10 V的模擬量控制電壓，采用位置閉環(huán)控制系統(tǒng)時(shí)，控制器工作在位置環(huán)速度環(huán)模式，驅(qū)動器工作在電流環(huán)模式，驅(qū)動器接收光柵尺的反饋信號和電機(jī)換相霍爾信號，在發(fā)給控制器信息。由于這種模式伺服響應(yīng)速度快，但是對現(xiàn)場干擾較敏感，調(diào)試稍復(fù)雜，歐美的伺服控制器大多采用這種工作模式。

數(shù)字脈沖方向控制方式是運(yùn)動控制器給伺服驅(qū)動器發(fā)送脈沖指令信號，伺服驅(qū)動器工作在位置閉環(huán)模式，與控制步進(jìn)電機(jī)相同。數(shù)字脈沖方向控制方式又分為脈沖方向信號（PUL/DIR）和雙脈沖信號（CW/CCW），一般情況下為雙絞線，可以是差分方式，也可以是單端輸入方式。這種工作方式的系統(tǒng)調(diào)試簡單，不容易產(chǎn)生干擾，但是伺服系統(tǒng)響應(yīng)稍慢，日本伺服控制器和國產(chǎn)伺服控制器產(chǎn)品大都采用這種模式。

伺服驅(qū)動器內(nèi)有三種控制方式：電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。位置控制方式通過數(shù)字量脈沖方向控制，通過改變脈沖個(gè)數(shù)的多少來改變位置值。驅(qū)動器單獨(dú)控制時(shí)一般采用位置環(huán)控制方式，也就是電流環(huán)-速度環(huán)-位置環(huán)三環(huán)控制。三環(huán)控制方式采用光柵尺等位置傳感器進(jìn)行位置反饋，對于精密定位工作臺是比較好的選擇。伺服驅(qū)動器的響應(yīng)速度依據(jù)控制環(huán)不同而不同，電流環(huán)位于最內(nèi)環(huán)，反應(yīng)速度最快，位置環(huán)位于最外環(huán)，反應(yīng)速度最慢，運(yùn)算量非常大。運(yùn)算速度受控制器的伺服周期影響，一般情況下，在低成本量產(chǎn)設(shè)備中選用低端控制器，采用驅(qū)動器位置環(huán)控制，而在需要復(fù)雜運(yùn)動的高端設(shè)備中一般采用高端控制器，進(jìn)行復(fù)雜路徑規(guī)劃。

對于一個(gè)伺服驅(qū)動器主要有三個(gè)功能：根據(jù)給定信號輸出與此成正比的控制電壓，接收編碼器或光柵尺的速度和位置信號，專用和通用I/O信號接口。通過伺服驅(qū)動器的三種不同控制模式，驅(qū)動器的接口方式也分三種，在位置模式中接收脈沖方向的差分或者單端信號，在速度控制模式中接收模擬速度指令輸入0～±10 V的控制電壓（額定轉(zhuǎn)速），在電流模式也就是力矩模式中接收模擬力矩指令輸入0～±10 V的控制電壓（力矩）。驅(qū)動器控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　驅(qū)動器控制結(jié)構(gòu)圖

精密工作臺運(yùn)動控制系統(tǒng)采用位置伺服控制策略的閉三環(huán)控制方式，分別由內(nèi)到外是電流控制和驅(qū)動、速度控制、位置控制，其中位置環(huán)作為系統(tǒng)最外環(huán)，如圖4所示。為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度以及減小系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間，并減小系統(tǒng)的抗干擾性，驅(qū)動器內(nèi)部做電流環(huán)-速度環(huán)-位置環(huán)設(shè)計(jì)，控制器只發(fā)送脈沖方向信號，整個(gè)系統(tǒng)采用驅(qū)動器PID控制器，電流環(huán)采用PI控制，是系統(tǒng)的最內(nèi)環(huán)，速度環(huán)采用PI控制，位置環(huán)采用P前饋控制。

圖4　直線電機(jī)位置伺服控制系統(tǒng)

直線電機(jī)在工作臺應(yīng)用上具有響應(yīng)快，速度要求范圍寬，定位精度高，行程長短可以定制，結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動穩(wěn)定、噪聲低等一系列的優(yōu)勢，是市場應(yīng)用比較廣闊的電機(jī)。直線電機(jī)選用無鐵芯直線電機(jī)，它無線圈繞組插槽，質(zhì)量更輕，線圈組件和磁路之間無任何引力，絕對的零齒槽效應(yīng)和超平滑運(yùn)動。這種模塊化的方法由兩排反向磁鐵，以最大限度地產(chǎn)生驅(qū)動力和通量回轉(zhuǎn)路徑用于磁路。無鐵芯電機(jī)的這些特點(diǎn)特別適用于低軸承摩擦、高加速度、輕負(fù)荷、常速度最大化也包括超慢速的應(yīng)用。

驅(qū)動器選用COPLEY公司的ADP-180-18，是一款可以對電機(jī)進(jìn)行位置環(huán)控制、速度環(huán)控制和力矩控制的高性能驅(qū)動器，可以CAN總線的控制方式，也可以采用獨(dú)立的模擬量控制或數(shù)字量脈沖方向控制，驅(qū)動器使用CME2軟件通過RS232串口設(shè)置參數(shù)，持續(xù)電流Ic為6 A，峰值電流Ip為18 A，直流電壓為180 V，供電直流為20～180 V，工作臺為直流供電160 V，驅(qū)動器采用位置環(huán)控制方式。

運(yùn)動控制系統(tǒng)選用工控機(jī)做上位機(jī)控制，相比于傳統(tǒng)的PCI控制卡采用獨(dú)立型數(shù)字運(yùn)動控制器，使用Ethernet總線方式通訊，這種通訊方式能夠有效地減小由于工控機(jī)PCI卡槽不穩(wěn)定帶來的負(fù)面影響，激光劃切機(jī)精密工作臺運(yùn)動控制系統(tǒng)選用美國GALIL公司的DMC2143控制器，光柵尺均采用雷尼紹鋼帶光柵尺，分辨率為0.5 μm。

根據(jù)電機(jī)選型在驅(qū)動器中填寫電機(jī)參數(shù)資料，通過計(jì)算可以確定電機(jī)運(yùn)行過程中的最大速度、最大加減速度，根據(jù)工作臺實(shí)際運(yùn)行要求對最大速度、最大加減速度進(jìn)行修改，但必須小于理論計(jì)算值，驅(qū)動器根據(jù)用戶修改的參數(shù)計(jì)算電機(jī)運(yùn)動時(shí)的最大電流和最大持續(xù)電流。設(shè)置驅(qū)動器使能信號為5 V低電平有效，設(shè)置光柵尺的分辨率為0.5 μm，也就是1 mm為2 000個(gè)脈沖數(shù)，在對電機(jī)的各個(gè)參數(shù)設(shè)置完成后進(jìn)行電機(jī)的三環(huán)調(diào)試。運(yùn)動控制器與上位機(jī)之間采用以太網(wǎng)通訊方式，在設(shè)置控制器的參數(shù)時(shí)需要設(shè)置上位機(jī)和控制器的IP地址，將兩個(gè)地址進(jìn)行互連。控制器為四軸伺服和步進(jìn)運(yùn)動控制器，將A軸設(shè)置為x軸，B軸設(shè)置為y軸，將xy軸的直線電機(jī)類型和光柵尺反饋類型設(shè)置到控制器中，通過控制器命令使能直線電機(jī)，并進(jìn)行運(yùn)動參數(shù)設(shè)置進(jìn)行路徑規(guī)劃控制。

3　結(jié)束語

直線電機(jī)及其伺服驅(qū)動系統(tǒng)的理論研究已經(jīng)比較豐富，在國外特別是歐美國家已經(jīng)在直線電機(jī)的加工制造領(lǐng)域以及在伺服驅(qū)動器和控制器的設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的研究與應(yīng)用。但是我國在這方面尚且不足，還處于研究階段，技術(shù)尚未成熟，我國的電機(jī)技術(shù)、驅(qū)動器技術(shù)和控制器技術(shù)還停留在步進(jìn)電機(jī)階段，對于直線電機(jī)及其控制技術(shù)還不能廣泛應(yīng)用。近幾年我國的科技發(fā)展規(guī)劃和當(dāng)前的科技形勢日趨進(jìn)步，采用直線伺服控制技術(shù)是高端半導(dǎo)體設(shè)備運(yùn)動平臺未來的發(fā)展趨勢，研究直線伺服控制關(guān)鍵技術(shù)，推動直線電機(jī)控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化具有重要的意義。

對于精密數(shù)控設(shè)備以及半導(dǎo)體專用設(shè)備的運(yùn)動控制系統(tǒng)不僅以傳統(tǒng)PID技術(shù)為基礎(chǔ)，由于其對系統(tǒng)定位精度和重復(fù)精度的高要求，必須加入現(xiàn)代控制方法，目前在高端工作臺系統(tǒng)中比較常用的四種現(xiàn)代控制方法是模型參考自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制和預(yù)見控制。現(xiàn)代控制理論中的智能控制比較多的應(yīng)用到了現(xiàn)代工業(yè)平臺中，它將PID控制理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能融會貫通，其研究對象不只停留在被控對象階段，還包括控制器本身，目前應(yīng)用較廣的智能控制是模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和實(shí)時(shí)專家系統(tǒng)。現(xiàn)代控制方法的應(yīng)用還需要理論與實(shí)際工作臺相結(jié)合，讓先進(jìn)的科學(xué)方法更好的服務(wù)于實(shí)際工程，促進(jìn)我國運(yùn)動控制領(lǐng)域的發(fā)展，還需做長期堅(jiān)持不懈的努力。

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