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高精密工作臺伺服驅動環(huán)節(jié)的設計與研究
摘要：研究并設計了應用于母盤刻錄機的高精密工作臺伺服驅動環(huán)節(jié)。在基于DSP數(shù)字閉環(huán)控制器的基礎上，通過理論建模、程序仿真和實驗驗證，對驅動環(huán)節(jié)進行了優(yōu)化設計。在驅動環(huán)節(jié)中采用了模擬速度環(huán)、PI校正環(huán)節(jié)和線性功放，使工作臺在低速下有較快的響應和較小的穩(wěn)態(tài)誤差。實驗結果表明，使用驅動環(huán)節(jié)后的伺服控制系統(tǒng)有利于提高母盤的刻錄精度。隨著社會的發(fā)展，信息的存儲量越來越大，光盤信息存儲技術也在不斷飛速發(fā)展，因而對母盤制造精度提出了更高的要求。
目前，光盤國家工程研究中心利用高速數(shù)字信號處理器（ＤＳＰ），采用數(shù)字閉環(huán)控制原理和傳統(tǒng)伺服電機驅動方式，實現(xiàn)了高精度工作臺的連續(xù)大行程運動。
其微位移定位精度為±５０ｎｍ，宏位移定位精度優(yōu)于±１５０ｎｍ，可以滿足母盤刻錄直線進給工作臺的連續(xù)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環(huán)節(jié)，以提高控制系統(tǒng)低速響應的穩(wěn)定性和快速性。
１ 系統(tǒng)總體結構
母盤刻錄系統(tǒng)直線進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，通過直流伺服電機進行驅動。
母盤刻錄系統(tǒng)采用恒線速刻錄方式，聚焦光斑相對于母盤的理想運動是沿著以母盤圓心為中心的等線距阿基米德螺旋線以恒定線速度由內向外運動的，該運動由母盤的高速轉動和刻錄光學頭的徑向直線進給合成得到。
該精密工作臺用于母盤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系統(tǒng)不可避免地存在傳動誤差。因此要實現(xiàn)精密定位，必須采用全閉環(huán)控制系統(tǒng)，直接檢測工作臺位置并針對位置誤差進行伺服控制。工作臺的控制系統(tǒng)總體結構如圖１所示。
２ 模擬驅動環(huán)節(jié)的建模
２．１ 直流電機模型
工作臺驅動電機采用上海電機廠生產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(shù)，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(shù)為：
Ｆ（ｓ)＝Ω(ｓ)/Ua(s)＝(1/Ke)/[(Tms 1)(Tes 1)]≈(1/Ke)/Tms 1
其中，Ｋｅ為電動機反電動勢系數(shù)，其單位為Ｖ·ｓ；Ｔｍ為電機的機械時間常數(shù)；Ｔｅ為電機的電氣時間常數(shù)，其值很小可忽略，因此直流電機可以被簡化為一階系統(tǒng)。
圖5 實際PI校正環(huán)節(jié)
電機機械時間常數(shù)的測定可以通過給電機加一個７Ｖ階躍電壓，然后用示波器測定響應到達穩(wěn)定值０．６３２時所用的時間而近似得到，如圖２所示。得機械時間常數(shù)Ｔｍ＝０．０６ｓ。
開環(huán)情況下，輸入電壓經(jīng)過線性功放后直接驅動電機，用轉速表ＨＴ－３３１測量對應轉速，可以得到放大倍數(shù)。測得的數(shù)據(jù)列于表１中。
表1 測得的數(shù)據(jù)表
數(shù)據(jù)經(jīng)過直線擬合后，得到放大倍數(shù)為４６３．２５。
電氣時間常數(shù)很小，近似取Ｔｅ＝０．００１２，可以得到經(jīng)過功放后的直流電機模型的傳遞函數(shù)為：
Ｆ（ｓ）＝Ω(ｓ)/Ua(s)＝463.25/[(0.06s )(0.0012s 1)]
２．２ 驅動電路設計
為了提高系統(tǒng)在低速時響應的快速性、穩(wěn)定性和帶負載能力，要對模擬驅動電路進行設計，由測速機引入速度負反饋，電壓差值經(jīng)過ＰＩ校正環(huán)節(jié)和線性功率放大器放大后驅動直流伺服電機運動。驅動環(huán)節(jié)方案如圖３所示。
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