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高精密工作臺伺服驅動(dòng)環(huán)節的設計與研究
摘要：研究并設計了應用于母盤(pán)刻錄機的高精密工作臺伺服驅動(dòng)環(huán)節。在基于DSP數字閉環(huán)控制器的基礎上，通過(guò)理論建模、程序仿真和實(shí)驗驗證，對驅動(dòng)環(huán)節進(jìn)行了優(yōu)化設計。在驅動(dòng)環(huán)節中采用了模擬速度環(huán)、PI校正環(huán)節和線(xiàn)性功放，使工作臺在低速下有較快的響應和較小的穩態(tài)誤差。實(shí)驗結果表明，使用驅動(dòng)環(huán)節后的伺服控制系統有利于提高母盤(pán)的刻錄精度。隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，信息的存儲量越來(lái)越大，光盤(pán)信息存儲技術(shù)也在不斷飛速發(fā)展，因而對母盤(pán)制造精度提出了更高的要求。
目前，光盤(pán)國家工程研究中心利用高速數字信號處理器（ＤＳＰ），采用數字閉環(huán)控制原理和傳統伺服電機驅動(dòng)方式，實(shí)現了高精度工作臺的連續大行程運動(dòng)。
其微位移定位精度為±５０ｎｍ，宏位移定位精度優(yōu)于±１５０ｎｍ，可以滿(mǎn)足母盤(pán)刻錄直線(xiàn)進(jìn)給工作臺的連續變速和±５０ｎｍ控制精度的要求。
在此基礎上，本文研究并設計了工作臺的模擬驅動(dòng)環(huán)節，以提高控制系統低速響應的穩定性和快速性。
１ 系統總體結構
母盤(pán)刻錄系統直線(xiàn)進(jìn)給工作臺的底座固定在隔振大理石臺上，底座上安裝了帶高精度滾珠的Ｖ型槽作為運動(dòng)導軌。工作臺經(jīng)蝸輪蝸桿和小螺距精密絲杠兩級減速，通過(guò)直流伺服電機進(jìn)行驅動(dòng)。
母盤(pán)刻錄系統采用恒線(xiàn)速刻錄方式，聚焦光斑相對于母盤(pán)的理想運動(dòng)是沿著(zhù)以母盤(pán)圓心為中心的等線(xiàn)距阿基米德螺旋線(xiàn)以恒定線(xiàn)速度由內向外運動(dòng)的，該運動(dòng)由母盤(pán)的高速轉動(dòng)和刻錄光學(xué)頭的徑向直線(xiàn)進(jìn)給合成得到。
該精密工作臺用于母盤(pán)刻錄的正常工作速度約為３０μｍ／ｓ，采用上述大減速比的機械傳動(dòng)系統不可避免地存在傳動(dòng)誤差。因此要實(shí)現精密定位，必須采用全閉環(huán)控制系統，直接檢測工作臺位置并針對位置誤差進(jìn)行伺服控制。工作臺的控制系統總體結構如圖１所示。
２ 模擬驅動(dòng)環(huán)節的建模
２．１ 直流電機模型
工作臺驅動(dòng)電機采用上海電機廠(chǎng)生產(chǎn)的直流力矩測速電機組４５Ｌ－ＣＺ００１。
若忽略電樞電感和粘性阻尼系數，則以電樞電壓Ｕａ（s)為輸入、轉速Ω(ｓ)為輸出的直流電機的傳遞函數為：
Ｆ（ｓ)＝Ω(ｓ)/Ua(s)＝(1/Ke)/[(Tms 1)(Tes 1)]≈(1/Ke)/Tms 1
其中，Ｋｅ為電動(dòng)機反電動(dòng)勢系數，其單位為Ｖ·ｓ；Ｔｍ為電機的機械時(shí)間常數；Ｔｅ為電機的電氣時(shí)間常數，其值很小可忽略，因此直流電機可以被簡(jiǎn)化為一階系統。
圖5 實(shí)際PI校正環(huán)節
電機機械時(shí)間常數的測定可以通過(guò)給電機加一個(gè)７Ｖ階躍電壓，然后用示波器測定響應到達穩定值０．６３２時(shí)所用的時(shí)間而近似得到，如圖２所示。得機械時(shí)間常數Ｔｍ＝０．０６ｓ。
開(kāi)環(huán)情況下，輸入電壓經(jīng)過(guò)線(xiàn)性功放后直接驅動(dòng)電機，用轉速表ＨＴ－３３１測量對應轉速，可以得到放大倍數。測得的數據列于表１中。
表1 測得的數據表
數據經(jīng)過(guò)直線(xiàn)擬合后，得到放大倍數為４６３．２５。
電氣時(shí)間常數很小，近似�。裕澹剑埃埃埃保�，可以得到經(jīng)過(guò)功放后的直流電機模型的傳遞函數為：
Ｆ（ｓ）＝Ω(ｓ)/Ua(s)＝463.25/[(0.06s )(0.0012s 1)]
２．２ 驅動(dòng)電路設計
為了提高系統在低速時(shí)響應的快速性、穩定性和帶負載能力，要對模擬驅動(dòng)電路進(jìn)行設計，由測速機引入速度負反饋，電壓差值經(jīng)過(guò)ＰＩ校正環(huán)節和線(xiàn)性功率放大器放大后驅動(dòng)直流伺服電機運動(dòng)。驅動(dòng)環(huán)節方案如圖３所示。
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