高精密工作台伺服驱动环节的设计与研究

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1、高精密工作台伺服驱动环节的设计与研究

2、第1内容加载中...luns+1)(Tes+1)]≈(1/Ke)/Tms+1其中，Ｋｅ为电动机反电动势系数，其单位为Ｖ·ｓ；Ｔｍ为电机的机械时间常数；Ｔｅ为电机的电气时间常数，其值很小可忽略，因此直流电机可以被简化为一阶系统。图5实际PI校正环节电机机械时间常数的测定可以通过给电机加一个７Ｖ阶跃电压，然后用示波器测定响应到达稳定值０．６３２时所用的时间而近似得到，如图２所示。得机械时间常数Ｔｍ＝０．０６ｓ。开环情况下，输入电压经过线性功放后直接驱动电机，用转速表ＨＴ－３３

3、１测量对应转速，可以得到放大倍数。测得的数据列于表１中。表1测得的数据表电压/V0.51.01.52.02.5转速/rpm070302520750电压/V3.03.54.04.55.0转速/rpm9931195144816861930数据经过直线拟合后，得到放大倍数为４６３．２５。内容加载中...lun070302520750电压/V00.965.7511.016.0转速/rpm9931195144816861930电压/V21.126.531.536.841.8将数据进行直线拟合后得到反馈系数为:Ｈ（ｓ）＝

4、０．０２２忽略ＰＩ校正环节滤波时间常数Ｔ０ｉ，最终可得到速度。环开环传递函数为：Ｇ（ｓ）Ｈ（ｓ）＝３（0.06s+/0.06s）(463.25×0.022)/（0.06s+1）(0.0012s+1)＝509.6/[(s0.0012s+1)]３驱动电路仿真选用的仿真环境是Ｍａｔｌａｂ６．１及其下的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具箱。３．１速度环开环伯德图速度环开环传递函数为：Ｇ（ｓ）Ｈ（ｓ）＝509.6/[(s0.0012s+1)]用Ｍａｔｌａｂ６．１绘制伯德图，得到图６。剪切频率：４１６Ｈｚ相角裕量：６５度系统有充分的相

5、角裕量，可知系统稳定。３．２速度环闭环阶跃响应仿真用Ｍａｔｌａｂ６．１下的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具箱搭建速度环闭环系统结构图，如图７所示。加以０．２Ｖ的阶跃信号，取反馈系数为０．０２２，仿真结果如图８所示。从响应曲线图上可以看出，系统阶跃响应的上升时间为５ｍｓ，超调量为６％，转速稳定值为１０ｒｐｍ／ｓ，系统性能良好。４实验数据处理与分析经过理论建模和程序仿真后，设计及调试用于精密伺服工作台的模拟驱动环节，并进行时域分析，比较实验结果。４．１不加模拟驱动环节首先不加模拟驱动环节，用ＤＳＰ数字控制器的输出信号（经过线

6、性功放）直接驱动直流力矩电机运动。４．１．１ＤＳＰ开环实验在ＤＳＰ数字控制器开环情况下加一个输入电压，测试所加电压和工作台速度的关系，工作台速度由采集的直线位置光栅信号经过ＶＣ＋＋程序处理得到。所得数据列于表３中。表3输入电压与工作台速度关系表电压/V1.01.11.21.31.4速度/μms-100～55～1010～1515～20由表中数据可见，ＤＳＰ开环的速度稳定性差，死区电压为１．１Ｖ，系统灵敏度有待提高。４．１．２ＤＳＰ闭环实验ＤＳＰ数字控制器闭环时，指定工作台以２０μｍ／ｓ的低速运动。图９中，（ａ）

7、为速度响应曲线，（ｂ）为位移响应曲线，（ｃ）为位移响应曲线局部放大图。内容加载中...　由图９（ａ）和图９（ｃ）可以看出系统有近４０ｍｓ的延迟时间，其中２０ｍｓ为死区时间（系统无响应）。系统产生延迟主要有下面两个原因：机械传动系统存在齿隙、回程等误差；电机机械响应存在延迟。由图９可以得到不加模拟驱动环节时系统阶跃输入的时域响应指标如下：延迟时间：４０ｍｓ上升时间：６０ｍｓ峰值时间：１００ｍｓ超调量：２５％稳态误差：１５％可见，在不加模拟驱动环节、直接用ＤＳＰ闭环控制时，精密工作台的低速响应已经达到了一定的快速

8、性和稳定性。但是用于母盘刻录时，工作台的稳定性则需进一步提高。４．２加模拟驱动环节在工作台控制系统中采用带有速度环、ＰＩ校正和线性功放的模拟驱动环节驱动电机运动，进行ＤＳＰ数字控制器开环及闭环实验。４．２．１ＤＳＰ开环实验使用模拟驱动环节后，实验测得在ＤＳＰ数字控制器开环时，系统在０．２Ｖ电压下已经能够产生较连续的响应了，如图１０所示。可见系统灵敏性有所提高。４．２．２ＤＳＰ闭环实验加上该模拟驱动环节后，对系统进行ＤＳＰ数字控制器的闭环实验，仍然指定工作台以２０μｍ／ｓ的低速运动。图１１中，（ａ）为速度响应曲

9、线，（ｂ）为位移响应曲线，（ｃ）为位移响应曲线局部放大图。由图１１（ａ）和图１１（ｃ）可知，系统的延迟时间为２０ｍｓ，其中１０ｍｓ为死区时间。可见加上该模拟驱动环节后系统的延时减少。由图１１可以得到加模拟驱动环节后的系统阶跃输入的时域响应指标如下：延迟时间：２０ｍｓ上升时间：３０ｍｓ峰值时间：６０ｍｓ超调量：７．５％稳态误差：７．５％图11加驱动环工作台闭环阶跃响应比较实验结果可以看出，加模拟驱动环