大行程高分辨率驱动器系统的制作方法
大行程高分辨率驱动器系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种驱动器系统，尤其是涉及一种基大行程高分辨率驱动器系统。
【背景技术】
[0002] 在天文物理和高能激光脉冲等研宄领域，大口径光栅的需求量越来越高。然而，利 用光栅刻划机或全息法都很难获得大口径的衍射光栅。目前采用拼接方式将两块或者以上 的小光栅来组成大光栅，并通过机械调整方法减少彼此间的位相差，已成为国内外获取大 口径光栅的重要方法。而在此过程中，如何提高驱动调整的定位精度，使得微调时的驱动的 分辨率能够达到20nm-100nm，同时调整范围能够达到毫米级，已成为其中一项的重要研宄 内容。
[0003] 国内外针对大范围内高分辨率驱动器设计有很多，其中应用最多的是压电陶瓷加 滚珠丝杆的形式，但是由于压电陶瓷行程小且存在非线性、迟滞和蠕变，而需采用宏微两级 驱动方式，使得成本和控制难度大大增加；高精度的直线电机成本高，控制系统复杂；新型 的磁滞伸缩式驱动存在电磁泄露和发热等影响定位的因素存在。而在控制系统的设计中， 由于摩擦的存在，使得驱动器在宏动和微动领域存在明显的差异，新的控制理论如神经网 络和模糊控制，在解决实际问题时并没有表现出特别明显的优势。
【发明内容】
[0004] 鉴于上述提到的问题，本发明提出了一种大行程高分辨率驱动器系统，其基于滚 珠丝杆加伺服电机并基于双频激光干涉仪进行精确的定位控制，用于实现大范围内的高精 度的驱动控制。
[0005] 本发明为解决上述技术问题采用的技术方案如下：一种大行程高分辨率驱动器系 统，其特征在于，其由机械驱动部分、数据采集部分和计算机控制部分三部分组成，机械驱 动部分包括伺服电机、电机支座、联轴器、轴承座、滚珠丝杆、丝杆螺母、螺母套、角板、滑台 组件，伺服电机与电机支座固定，伺服电机的输出轴通过联轴器与滚珠丝杆相连接，滚珠丝 杆穿过轴承座，丝杆螺母与螺母套的一端固定在一起，螺母套的另一端与角板固定在一起， 角板固定在滑台组件上面，角板的一侧安装有顶杆，伺服电机的旋转运动能够最终转换为 顶杆的直线运动；数据采集部分包括相互连接的双频激光干涉仪和数据采集卡AD 口，计算 机控制部分包括相互连接的工业计算机和数据采集卡DA 口。
[0006] 进一步地，所述数据采集部分采集到的模拟量信号，通过数据采集卡AD 口转换为 数字量输入到工业计算机中，在工业计算机根据检测的位移量，再计算出伺服电机的控制 量大小，并通过数据采集卡DA 口完成伺服电机的输出控制。
[0007] 进一步地，所述大行程高分辨率驱动器系统的数学模型通过系统辨识实验来获取 辨识的传递函数为如下式：
[0009] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：一，本发明提出的驱动器的移动范 围能够到达1〇_，结合高精度传感器能够实现大行程中的精确定位。二，性价比高，运动刚 度较好。三，通过控制算法的优化，能够方便提高驱动的分辨率，而无需更改驱动器的硬件 结构。
【附图说明】
[0010] 图1是本发明大行程高分辨率驱动器系统的机械驱动部分的结构示意图。
[0011] 图2是驱动器的理论数学模型的示意图。
[0012] 图3是系统的整体控制示意图。
[0013] 图4是设计的控制器的基本结构的示意图。
[0014] 图5是驱动器的1mm阶跃响应实验结果的示意图。
[0015] 图6是驱动器的20 ym阶跃响应结果的示意图。
[0016] 图7是驱动器的100nm阶跃响应结果的示意图。
【具体实施方式】
[0017] 本发明具体实施结合【附图说明】如下：
[0018] 本实施实例中的大行程高分辨率驱动器系统的结构参见图1。本发明大行程高分 辨率驱动器系统的机械驱动部分包括伺服电机1、电机支座2、联轴器3、轴承座4、滚珠丝杆 5、丝杆螺母6、螺母套7、角板8、滑台组件10,伺服电机1与电机支座2固定，伺服电机1的 输出轴通过联轴器3与滚珠丝杆5相连接，滚珠丝杆5穿过轴承座4,丝杆螺母6与螺母套 7的一端固定在一起，螺母套7的另一端与角板8固定在一起，而角板8固定在滑台组件10 上面，角板8的一侧安装有顶杆9,伺服电机的旋转运动能够最终转换为顶杆的直线运动。 滚珠丝杆的螺旋副组件通过角板安装于滑台组件，用于保证输出的直线导向作用，通过顶 杆实现最终的驱动运动。
[0019] 本实施实例中的驱动器的理论数学模型如图2所示，其中输出控制电压V，转化为 伺服电机输出力矩T app，并驱动伺服电机转动，丝杆螺母副可以等效为一个弹簧阻尼系统， 最终伺服电机的转动通过丝杆螺母副转化驱动为顶杆的直线位移X。其中各参数代表的含 义为如表1所示：
[0020] 表 1
[0022] 本实例中的整体控制示意图如图3所示，本发明大行程高分辨率驱动器系统是由 机械驱动部分、数据采集部分和计算机控制部分三部分组成，数据采集部分包括相互连接 的双频激光干涉仪和数据采集卡AD 口，计算机控制部分包括相互连接的工业计算机和数 据采集卡DA 口，双频激光干涉仪固定在机械驱动部分的直线驱动方向上，其发射的激光束 通过安装在角板上的反射棱镜11返回，并与入射光束在分光镜上产生干涉条纹，并通过双 频激光干涉仪的模拟量输出口输出。其中为了实现驱动器末端的位置检测，使用具有纳米 级分辨率的双频激光干涉仪作为位置反馈环节，双频激光干涉仪发出的激光通过安装于驱 动器机械结构上的反射棱镜反射并形成干涉条纹，进而在内部处理器的作用下转换为模拟 量输出。数据采集部分采集到的模拟量信号，通过数据采集卡的AD通道（即数据采集卡AD 口）转换为数字量输入到工业计算机中，在工业计算机根据检测的位移量，再计算出伺服 电机的控制量大小，并通过数据采集卡的DA通道（即数据采集卡DA 口）完成伺服电机的 输出控制。
[0023] 为了得到本发 明大行程高分辨率驱动器系统的数学模型，获取控制电压U到驱动 器的位移X之间的传递函数，即本发明可以通过系统辨识实验来获取辨识的传递函数为如 式⑴：
[0025] 其中G(s)为传递函数拉氏变换的表达形式，X(s)代表驱动器系统位移的拉氏变 换，U(s)代表控制电压的拉氏变换。
[0026] 为了测试该驱动器的性能，本发明设计了一个PID的控制器，实现阶跃输出信号 的控制实验，控制器结构如图4所示，它包含比例环节Kp、积分环节
三个部分，同时为了抑制高频信号的干扰，在微分环节中添加了一个一阶惯性环节组成低 通滤波器。
[0027] 其中PID控制器的三个参数的选择是通过零极点配置法求得的，具体计算过程如 下：
[0028] 设伺服驱动器的传递函数如式（2):
[0030] 参考公式（1)可知，d = 247. 6, c = 120. 5。
[0031] 滚珠丝杆定位系统的闭环传递函数T(s)写成为如式（3):
[0033] 其中Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数，Tf为滤波器的系 数。
[0034] 如果配置成多重极点（_p，0)，则闭环系统传递函数的表达式（3)能够改写成如式 (4)：
[0036] 其中p代表多重极点的取值，Gk(s)则代表简化后的拉氏变换后表达式的分子项。
[0037] 将公式⑷中的分母与公式（3)分母--对应，通过求解方程可知公式（3)中的 四个参数，如式（5):
[0039] 从而通过计算可确定控制器的四个参数，并最终结合实际实验经过分析对比后确 定。
[0040] 进一步，本发明选取不同的极点P的位置，得到一系列不同的PID控制器的参数， 如下表2所示：
[0041] 表 2
[0043]
[0044] 本发明通过搭建的实验硬件平台进行初步的实验验证，其中数据采集卡的采样频 率为1000Hz，伺服电机的饱和电压为2V，最高速度为130r/min。根据实际实验时进行修正， 闭环实验 PID 控制器的取值为 Kp= 26. 94, T i= 0? 056, T d= 0? 0014, T f= 0? 0077。
[0045] 为了测试设计的PID控制器的控制性能，将需要对每次传感器进行采样后的数 据，经过图4所示的闭环控制系统进行计算，驱动电压的实时计算根据如式（6):
[0047] 控制器的输出控制电压如式（7):
[0048] u (k) = up (k) +Uj (k) +ud (k).........(7)
[0049] 图5、图6、图7分别为进行lmm，20um，100nm的阶跃响应实验结果，经过计算 100nm~1mm阶跃相应的稳态误差值全部小于±50nm，其中1mm和20 y m的阶跃响应，实验 和仿真吻合的很好，l〇〇nm的阶跃响应由于受摩擦的影响较大而响应略慢。当系统响应进入 稳态后，稳态误差几乎与测量系统的噪声分布相同，且没有明显超调量，调节时间在Is以 内，能够满足大多数高精密定位控制系统的要求，因而适用于高分辨率的伺服定位控制系 统之中。
[0050] 本发明移动范围较大，通过初步搭建的实验平台已经能够实现lOOnm的分辨率， 且结构刚度较高，响应速度较快，适用于要求大行程高分辨率的工作环境。本发明进行纳米 级别到毫米级别的阶跃响应实验，对比分析不同移动范围的驱动器响应情况，通过驱动器 末端位置的稳态误差计算，发现采用不完全微分的PID控制器能够实现大行程移动范围中 的精确定位，而且响应速度较快，超调量非常小。
【主权项】
1. 一种大行程高分辨率驱动器系统，其特征在于，其由机械驱动部分、数据采集部分和 计算机控制部分三部分组成，机械驱动部分包括伺服电机、电机支座、联轴器、轴承座、滚珠 丝杆、丝杆螺母、螺母套、角板、滑台组件，伺服电机与电机支座固定，伺服电机的输出轴通 过联轴器与滚珠丝杆相连接，滚珠丝杆穿过轴承座，丝杆螺母与螺母套的一端固定在一起， 螺母套的另一端与角板固定在一起，角板固定在滑台组件上面，角板的一侧安装有顶杆，伺 服电机的旋转运动能够最终转换为顶杆的直线运动；数据采集部分包括相互连接的双频激 光干涉仪和数据采集卡AD 口，计算机控制部分包括相互连接的工业计算机和数据采集卡 DA □ 〇2. 根据权利要求1所述的大行程高分辨率驱动器系统，其特征在于，所述数据采集部 分采集到的模拟量信号，通过数据采集卡AD 口转换为数字量输入到工业计算机中，在工业 计算机根据检测的位移量，再计算出伺服电机的控制量大小，并通过数据采集卡DA 口完成 伺服电机的输出控制。3. 根据权利要求1所述的大行程高分辨率驱动器系统，其特征在于，所述大行程高分 辨率驱动器系统的数学模型通过系统辨识实验来获取辨识的传递函数为如下式：
【专利摘要】本发明公开了一种大行程高分辨率驱动器系统，其由机械驱动部分、数据采集部分和计算机控制部分三部分组成，机械驱动部分包括伺服电机等元件，伺服电机与电机支座固定，伺服电机的输出轴通过联轴器与滚珠丝杆相连接，滚珠丝杆穿过轴承座，丝杆螺母与螺母套的一端固定在一起，螺母套的另一端与角板固定在一起，角板固定在滑台组件上面，角板的一侧安装有顶杆，伺服电机的旋转运动能够最终转换为顶杆的直线运动；数据采集部分包括相互连接的双频激光干涉仪和数据采集卡AD口，计算机控制部分包括相互连接的工业计算机和数据采集卡DA口。本发明移动范围较大，通过初步搭建的实验平台已经能够实现100nm的分辨率。
【IPC分类】G05B13/04
【公开号】CN104898413
【申请号】CN201510140938
【发明人】张东亚, 钱晋武, 章亚男, 沈林勇, 王成刚
【申请人】上海大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月27日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种驱动器系统，尤其是涉及一种基大行程高分辨率驱动器系统。
【背景技术】
[0002] 在天文物理和高能激光脉冲等研宄领域，大口径光栅的需求量越来越高。然而，利 用光栅刻划机或全息法都很难获得大口径的衍射光栅。目前采用拼接方式将两块或者以上 的小光栅来组成大光栅，并通过机械调整方法减少彼此间的位相差，已成为国内外获取大 口径光栅的重要方法。而在此过程中，如何提高驱动调整的定位精度，使得微调时的驱动的 分辨率能够达到20nm-100nm，同时调整范围能够达到毫米级，已成为其中一项的重要研宄 内容。
[0003] 国内外针对大范围内高分辨率驱动器设计有很多，其中应用最多的是压电陶瓷加 滚珠丝杆的形式，但是由于压电陶瓷行程小且存在非线性、迟滞和蠕变，而需采用宏微两级 驱动方式，使得成本和控制难度大大增加；高精度的直线电机成本高，控制系统复杂；新型 的磁滞伸缩式驱动存在电磁泄露和发热等影响定位的因素存在。而在控制系统的设计中， 由于摩擦的存在，使得驱动器在宏动和微动领域存在明显的差异，新的控制理论如神经网 络和模糊控制，在解决实际问题时并没有表现出特别明显的优势。
【发明内容】
[0004] 鉴于上述提到的问题，本发明提出了一种大行程高分辨率驱动器系统，其基于滚 珠丝杆加伺服电机并基于双频激光干涉仪进行精确的定位控制，用于实现大范围内的高精 度的驱动控制。
[0005] 本发明为解决上述技术问题采用的技术方案如下：一种大行程高分辨率驱动器系 统，其特征在于，其由机械驱动部分、数据采集部分和计算机控制部分三部分组成，机械驱 动部分包括伺服电机、电机支座、联轴器、轴承座、滚珠丝杆、丝杆螺母、螺母套、角板、滑台 组件，伺服电机与电机支座固定，伺服电机的输出轴通过联轴器与滚珠丝杆相连接，滚珠丝 杆穿过轴承座，丝杆螺母与螺母套的一端固定在一起，螺母套的另一端与角板固定在一起， 角板固定在滑台组件上面，角板的一侧安装有顶杆，伺服电机的旋转运动能够最终转换为 顶杆的直线运动；数据采集部分包括相互连接的双频激光干涉仪和数据采集卡AD 口，计算 机控制部分包括相互连接的工业计算机和数据采集卡DA 口。
[0006] 进一步地，所述数据采集部分采集到的模拟量信号，通过数据采集卡AD 口转换为 数字量输入到工业计算机中，在工业计算机根据检测的位移量，再计算出伺服电机的控制 量大小，并通过数据采集卡DA 口完成伺服电机的输出控制。
[0007] 进一步地，所述大行程高分辨率驱动器系统的数学模型通过系统辨识实验来获取 辨识的传递函数为如下式：
[0009] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：一，本发明提出的驱动器的移动范 围能够到达1〇_，结合高精度传感器能够实现大行程中的精确定位。二，性价比高，运动刚 度较好。三，通过控制算法的优化，能够方便提高驱动的分辨率，而无需更改驱动器的硬件 结构。
【附图说明】
[0010] 图1是本发明大行程高分辨率驱动器系统的机械驱动部分的结构示意图。
[0011] 图2是驱动器的理论数学模型的示意图。
[0012] 图3是系统的整体控制示意图。
[0013] 图4是设计的控制器的基本结构的示意图。
[0014] 图5是驱动器的1mm阶跃响应实验结果的示意图。
[0015] 图6是驱动器的20 ym阶跃响应结果的示意图。
[0016] 图7是驱动器的100nm阶跃响应结果的示意图。
【具体实施方式】
[0017] 本发明具体实施结合【附图说明】如下：
[0018] 本实施实例中的大行程高分辨率驱动器系统的结构参见图1。本发明大行程高分 辨率驱动器系统的机械驱动部分包括伺服电机1、电机支座2、联轴器3、轴承座4、滚珠丝杆 5、丝杆螺母6、螺母套7、角板8、滑台组件10,伺服电机1与电机支座2固定，伺服电机1的 输出轴通过联轴器3与滚珠丝杆5相连接，滚珠丝杆5穿过轴承座4,丝杆螺母6与螺母套 7的一端固定在一起，螺母套7的另一端与角板8固定在一起，而角板8固定在滑台组件10 上面，角板8的一侧安装有顶杆9,伺服电机的旋转运动能够最终转换为顶杆的直线运动。 滚珠丝杆的螺旋副组件通过角板安装于滑台组件，用于保证输出的直线导向作用，通过顶 杆实现最终的驱动运动。
[0019] 本实施实例中的驱动器的理论数学模型如图2所示，其中输出控制电压V，转化为 伺服电机输出力矩T app，并驱动伺服电机转动，丝杆螺母副可以等效为一个弹簧阻尼系统， 最终伺服电机的转动通过丝杆螺母副转化驱动为顶杆的直线位移X。其中各参数代表的含 义为如表1所示：
[0020] 表 1
[0022] 本实例中的整体控制示意图如图3所示，本发明大行程高分辨率驱动器系统是由 机械驱动部分、数据采集部分和计算机控制部分三部分组成，数据采集部分包括相互连接 的双频激光干涉仪和数据采集卡AD 口，计算机控制部分包括相互连接的工业计算机和数 据采集卡DA 口，双频激光干涉仪固定在机械驱动部分的直线驱动方向上，其发射的激光束 通过安装在角板上的反射棱镜11返回，并与入射光束在分光镜上产生干涉条纹，并通过双 频激光干涉仪的模拟量输出口输出。其中为了实现驱动器末端的位置检测，使用具有纳米 级分辨率的双频激光干涉仪作为位置反馈环节，双频激光干涉仪发出的激光通过安装于驱 动器机械结构上的反射棱镜反射并形成干涉条纹，进而在内部处理器的作用下转换为模拟 量输出。数据采集部分采集到的模拟量信号，通过数据采集卡的AD通道（即数据采集卡AD 口）转换为数字量输入到工业计算机中，在工业计算机根据检测的位移量，再计算出伺服 电机的控制量大小，并通过数据采集卡的DA通道（即数据采集卡DA 口）完成伺服电机的 输出控制。
[0023] 为了得到本发 明大行程高分辨率驱动器系统的数学模型，获取控制电压U到驱动 器的位移X之间的传递函数，即本发明可以通过系统辨识实验来获取辨识的传递函数为如 式⑴：
[0025] 其中G(s)为传递函数拉氏变换的表达形式，X(s)代表驱动器系统位移的拉氏变 换，U(s)代表控制电压的拉氏变换。
[0026] 为了测试该驱动器的性能，本发明设计了一个PID的控制器，实现阶跃输出信号 的控制实验，控制器结构如图4所示，它包含比例环节Kp、积分环节
三个部分，同时为了抑制高频信号的干扰，在微分环节中添加了一个一阶惯性环节组成低 通滤波器。
[0027] 其中PID控制器的三个参数的选择是通过零极点配置法求得的，具体计算过程如 下：
[0028] 设伺服驱动器的传递函数如式（2):
[0030] 参考公式（1)可知，d = 247. 6, c = 120. 5。
[0031] 滚珠丝杆定位系统的闭环传递函数T(s)写成为如式（3):
[0033] 其中Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数，Tf为滤波器的系 数。
[0034] 如果配置成多重极点（_p，0)，则闭环系统传递函数的表达式（3)能够改写成如式 (4)：
[0036] 其中p代表多重极点的取值，Gk(s)则代表简化后的拉氏变换后表达式的分子项。
[0037] 将公式⑷中的分母与公式（3)分母--对应，通过求解方程可知公式（3)中的 四个参数，如式（5):
[0039] 从而通过计算可确定控制器的四个参数，并最终结合实际实验经过分析对比后确 定。
[0040] 进一步，本发明选取不同的极点P的位置，得到一系列不同的PID控制器的参数， 如下表2所示：
[0041] 表 2
[0043]
[0044] 本发明通过搭建的实验硬件平台进行初步的实验验证，其中数据采集卡的采样频 率为1000Hz，伺服电机的饱和电压为2V，最高速度为130r/min。根据实际实验时进行修正， 闭环实验 PID 控制器的取值为 Kp= 26. 94, T i= 0? 056, T d= 0? 0014, T f= 0? 0077。
[0045] 为了测试设计的PID控制器的控制性能，将需要对每次传感器进行采样后的数 据，经过图4所示的闭环控制系统进行计算，驱动电压的实时计算根据如式（6):
[0047] 控制器的输出控制电压如式（7):
[0048] u (k) = up (k) +Uj (k) +ud (k).........(7)
[0049] 图5、图6、图7分别为进行lmm，20um，100nm的阶跃响应实验结果，经过计算 100nm~1mm阶跃相应的稳态误差值全部小于±50nm，其中1mm和20 y m的阶跃响应，实验 和仿真吻合的很好，l〇〇nm的阶跃响应由于受摩擦的影响较大而响应略慢。当系统响应进入 稳态后，稳态误差几乎与测量系统的噪声分布相同，且没有明显超调量，调节时间在Is以 内，能够满足大多数高精密定位控制系统的要求，因而适用于高分辨率的伺服定位控制系 统之中。
[0050] 本发明移动范围较大，通过初步搭建的实验平台已经能够实现lOOnm的分辨率， 且结构刚度较高，响应速度较快，适用于要求大行程高分辨率的工作环境。本发明进行纳米 级别到毫米级别的阶跃响应实验，对比分析不同移动范围的驱动器响应情况，通过驱动器 末端位置的稳态误差计算，发现采用不完全微分的PID控制器能够实现大行程移动范围中 的精确定位，而且响应速度较快，超调量非常小。
【主权项】
1. 一种大行程高分辨率驱动器系统，其特征在于，其由机械驱动部分、数据采集部分和 计算机控制部分三部分组成，机械驱动部分包括伺服电机、电机支座、联轴器、轴承座、滚珠 丝杆、丝杆螺母、螺母套、角板、滑台组件，伺服电机与电机支座固定，伺服电机的输出轴通 过联轴器与滚珠丝杆相连接，滚珠丝杆穿过轴承座，丝杆螺母与螺母套的一端固定在一起， 螺母套的另一端与角板固定在一起，角板固定在滑台组件上面，角板的一侧安装有顶杆，伺 服电机的旋转运动能够最终转换为顶杆的直线运动；数据采集部分包括相互连接的双频激 光干涉仪和数据采集卡AD 口，计算机控制部分包括相互连接的工业计算机和数据采集卡 DA □ 〇2. 根据权利要求1所述的大行程高分辨率驱动器系统，其特征在于，所述数据采集部 分采集到的模拟量信号，通过数据采集卡AD 口转换为数字量输入到工业计算机中，在工业 计算机根据检测的位移量，再计算出伺服电机的控制量大小，并通过数据采集卡DA 口完成 伺服电机的输出控制。3. 根据权利要求1所述的大行程高分辨率驱动器系统，其特征在于，所述大行程高分 辨率驱动器系统的数学模型通过系统辨识实验来获取辨识的传递函数为如下式：
【专利摘要】本发明公开了一种大行程高分辨率驱动器系统，其由机械驱动部分、数据采集部分和计算机控制部分三部分组成，机械驱动部分包括伺服电机等元件，伺服电机与电机支座固定，伺服电机的输出轴通过联轴器与滚珠丝杆相连接，滚珠丝杆穿过轴承座，丝杆螺母与螺母套的一端固定在一起，螺母套的另一端与角板固定在一起，角板固定在滑台组件上面，角板的一侧安装有顶杆，伺服电机的旋转运动能够最终转换为顶杆的直线运动；数据采集部分包括相互连接的双频激光干涉仪和数据采集卡AD口，计算机控制部分包括相互连接的工业计算机和数据采集卡DA口。本发明移动范围较大，通过初步搭建的实验平台已经能够实现100nm的分辨率。
【IPC分类】G05B13/04
【公开号】CN104898413
【申请号】CN201510140938
【发明人】张东亚, 钱晋武, 章亚男, 沈林勇, 王成刚
【申请人】上海大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月27日
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