基于广义预测控制算法的微装配精密平台设计

隋修武　葛辉　乔通　刘楠　焦晓光

摘要：本文以大学生创新性实验计划为切入点，着手解决微装配系统中高定位精度与大运动范围的矛盾。将精密丝杠传动的三维宏动平台与压电陶瓷驱动的三维微动平台有机结合，并在装配系统的闭环控制中采用改进的广义预测控制算法，有效地克服了丝杠传动的间隙误差、滞后，以及压电陶瓷的迟滞、蠕变和非线性，提高了装配系统的精度和适时性。实验结果表明，该运动平台的定位精度达0.01um。

关键词：微装配；精密定位；广义预测控制；误差补偿

中图分类号：TP212.1 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）06-0133-02

本文以创新性实验计划为切入点，以微机电系统和纳米技术的发展所需的微装配技术为研究对象，展开科学研究。由于微装配的定位精度要求通常在微米级、亚微米级、甚至纳米级，而微器件的取放及移动需较大的空间，这就形成了大的工作空间与高的运动精度的之间矛盾。本文针对以上问题，将三维宏动平台与三维微动平台有机地结合起来，采用改进的广义预测控制算法，提高了算法的计算速度和控制效果，成功解决了闭环装配的适时性问题。

一、精密平台的总体结构

精密平台包括宏动平台和微动平台两部分，宏动平台完成大范围低分辨率的运动，微动平台实现小范围高精度的运动，结构见图1所示。

1.宏动平台。宏动平台的三维运动分别由三个步进电机独立驱动三个精密丝杠来实现，主要构成包括主控计算机、运动控制卡、步进电机驱动器、步进电机、精密丝杠，光栅尺等。主控计算机接收设定值，并通过运动控制卡发出控制指令给步进电机驱动器，由步进电机驱动器发送控制脉冲驱动步进电机，步进电机通过联轴器与精密滚珠丝杠相连，精密滚珠丝杠通过丝杠螺母副带动工作台往返运动实现大范围、低分辨率的宏动定位，光栅尺测量工作台的实际位移，用作反馈信号，与设定的运动位移值相比较，对其偏差进行广义预测控制（GPC）运算，实现闭环控制。

2.微动工作台。设计的三轴（X、Y、Z）纳米级微动台每轴内置一组压电陶瓷，压电陶瓷的开环驱动电压为0～200V，对应着输出位移在10微米，采用闭环控制。位移传感器采用电阻应变片，测量电路采用图惠斯通电桥电路。输出电压0V～5V对应微动台的位移输出0～10μm，在数据转换模块中采用14位AD转换，从而使微动台的运动位移分辨率达到2.5nm。

二、控制算法设计

采用C语言编写了人机操作界面及三维精密运动平台的控制程序。在满足工程需要而又不失严密性的前提下，对传统的GPC算法进行了改进，改进的GPC算法的主要思路是为了提高控制的实时性，减少控制算法的计算量。

1.过程模型。GPC算法采用CAMARI模型描述受到随机干扰的对象。A（q-1）y（k）=B（q-1）u（k-1）+C（q-1）ξ（k）/Δ，1）

2.参考输出。改进的GPC算法的参考输出

设为矩阵的第一行元素组成的向量，控制量为u（k）=u（k-1）+gT（Yr-ym）。

三、实验与结论

在精密平台底固定的隔振平台上，运用XL80型双频激光干涉仪（测量精度0.1μm）测量底宏动台的位移，将电感测微仪（分辨率为0.01μm）与微动台一同固定在宏动台上，用电感测微仪测量微动台的位移。其中微动台的设定值为宏动台运动误差的相反数，即要进行补偿的部分，总误差为微动台的运动误差。精密丝杠传动的宏动台与压电陶瓷驱动的微动台有机地结合，采用改进的GPC算法，实现了运动目标在0～100mm范围的快速运动与高精度定位的统一，定位精度达到0.01μm。通过大学生创新计划项目建设，学生掌握了扎实的实践技能，培育了一定的创新思想。

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