直线电机伺服控制系统研究

张 乾，谭立杰，宋婉贞，陈国兴

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 100176)

伺服控制系统又称随动系统，用来控制被控对象的转角或者位移，被控对象能够自动、连续、精确地复现输入指令的变化规律。伺服控制系统的性能好坏可以从控制精度、抗干扰能力、动态响应速度等方面来评估。一个良好的伺服控制系统须具备宽范围的调节能力、较高的控制精度、较快的动态响应速度和较强的抗干扰能力。伺服控制系统通常是包括电流环、速度环和位置环的三环结构，其中闭环控制就是在开环控制的交直流电机的基础上将速度信号和位置信号通过位置检测装置给驱动器做闭环负反馈的PID调节控制。

精密运动平台中使用的伺服控制器，它的功能水平主要体现在硬件方案、核心控制算法以及应用软件，硬件平台水平国内和国际相差不大，而软件的控制算法，控制策略以及控制算法的有效性、快速性以及易用性是国内外软件平台的重大区别。特别是随着计算机的出现，全数字伺服控制系统的核心算法研究是我国自动化控制发展的难题，成为了需要迫切解决的问题。

目前我国伺服运动控制平台主要的控制器和驱动器都来自国外，比较知名的厂家主要有日本的三菱电机、松下、富士、安川，美国的PMAC、Parker、GALIL，以色列的 ACS运动控制器，德国西门子、倍福。对于国际市场上的产品，主要是日本和欧美地区，日本的产品价格便宜，性能较高，但是可靠性和系统集成方面不如欧美产品，占据市场份额较大。而欧美产品通常用于可靠性、精度要求高的场合，对于高端产品比较适用，他们通常提供一整套的运动控制技术解决方案，包括电机、驱动器、控制器、光栅尺以及软件支持，在市场上具有很强的竞争力。

1　激光划切机工作台系统要求

激光划切机主要由xyθ工作台系统、z向调焦机构、激光光路传递系统、水气路、CCD图像处理系统、人机交互主控系统组成。xy工作平台主要采用直线电机伺服驱动，z向调焦机构采用步进电机驱动，θ向旋转机构采用力矩电机伺服驱动。xy工作平台控制承片台的绝对运动、相对运动、直线插补运动、圆弧插补运动，实现精密的加工定位功能以及工艺加工轨迹规划，θ向旋转机构实现晶圆的90°划切，激光出光位置不变，LED晶圆在xy工作台带动下，z向机构上下运动，实现激光的精细调焦，进行工艺加工，要求搭建的激光划切机实验平台的运动控制系统速度快、精度高、稳定性好。

运动控制平台采用xy轴直线电机闭环控制，直线电机有高控制精度、大单位面积推力、高效率、高可靠性等优点，可以实现从高速到低速不同范围的高精度位置定位控制，xy工作台机构采用直线电机双层十字叠加设计。本文以x向工作台系统为主要研究对象（见图1），研究基于直线电机的伺服控制系统控制策略以及实施方法。工作台要求定位精度在±5 μm，重复精度在±3 μm，对伺服控制系统的稳定性和可靠性提出了更高要求。

2　直线电机伺服控制系统结构

对于精密运动工作台系统，直线电机的控制系统一般由计算机也就是上位机、伺服控制器、驱动器、光栅尺以及工作台和一些机械连接机构组成，工作台的控制精度不仅仅取决于直线电机的好坏，它和整个工作台系统的结构有很大关系，更多依赖于伺服驱动和位置反馈装置的好坏。图2为工作台系统硬件连接的结构框图，以及各个机构之间的逻辑关系。

图1　x向工作台结构设计

图2　直线电机伺服控制系统框图

直线电机伺服控制系统一般采用伺服控制器和驱动器进行数字PID控制，常用的闭环控制系统是分为模拟量方式和数字脉冲方式。

模拟信号控制方式是运动控制器内部发送给伺服驱动器0～±10 V的模拟量控制电压，采用位置闭环控制系统时，控制器工作在位置环速度环模式，驱动器工作在电流环模式，驱动器接收光栅尺的反馈信号和电机换相霍尔信号，在发给控制器信息。由于这种模式伺服响应速度快，但是对现场干扰较敏感，调试稍复杂，欧美的伺服控制器大多采用这种工作模式。

数字脉冲方向控制方式是运动控制器给伺服驱动器发送脉冲指令信号，伺服驱动器工作在位置闭环模式，与控制步进电机相同。数字脉冲方向控制方式又分为脉冲方向信号（PUL/DIR）和双脉冲信号（CW/CCW），一般情况下为双绞线，可以是差分方式，也可以是单端输入方式。这种工作方式的系统调试简单，不容易产生干扰，但是伺服系统响应稍慢，日本伺服控制器和国产伺服控制器产品大都采用这种模式。

伺服驱动器内有三种控制方式：电流环、速度环和位置环。位置控制方式通过数字量脉冲方向控制，通过改变脉冲个数的多少来改变位置值。驱动器单独控制时一般采用位置环控制方式，也就是电流环-速度环-位置环三环控制。三环控制方式采用光栅尺等位置传感器进行位置反馈，对于精密定位工作台是比较好的选择。伺服驱动器的响应速度依据控制环不同而不同，电流环位于最内环，反应速度最快，位置环位于最外环，反应速度最慢，运算量非常大。运算速度受控制器的伺服周期影响，一般情况下，在低成本量产设备中选用低端控制器，采用驱动器位置环控制，而在需要复杂运动的高端设备中一般采用高端控制器，进行复杂路径规划。

对于一个伺服驱动器主要有三个功能：根据给定信号输出与此成正比的控制电压，接收编码器或光栅尺的速度和位置信号，专用和通用I/O信号接口。通过伺服驱动器的三种不同控制模式，驱动器的接口方式也分三种，在位置模式中接收脉冲方向的差分或者单端信号，在速度控制模式中接收模拟速度指令输入0～±10 V的控制电压（额定转速），在电流模式也就是力矩模式中接收模拟力矩指令输入0～±10 V的控制电压（力矩）。驱动器控制结构如图3所示。

图3　驱动器控制结构图

精密工作台运动控制系统采用位置伺服控制策略的闭三环控制方式，分别由内到外是电流控制和驱动、速度控制、位置控制，其中位置环作为系统最外环，如图4所示。为了提高系统的响应速度以及减小系统调试时间，并减小系统的抗干扰性，驱动器内部做电流环-速度环-位置环设计，控制器只发送脉冲方向信号，整个系统采用驱动器PID控制器，电流环采用PI控制，是系统的最内环，速度环采用PI控制，位置环采用P前馈控制。

图4　直线电机位置伺服控制系统

直线电机在工作台应用上具有响应快，速度要求范围宽，定位精度高，行程长短可以定制，结构简单、运动稳定、噪声低等一系列的优势，是市场应用比较广阔的电机。直线电机选用无铁芯直线电机，它无线圈绕组插槽，质量更轻，线圈组件和磁路之间无任何引力，绝对的零齿槽效应和超平滑运动。这种模块化的方法由两排反向磁铁，以最大限度地产生驱动力和通量回转路径用于磁路。无铁芯电机的这些特点特别适用于低轴承摩擦、高加速度、轻负荷、常速度最大化也包括超慢速的应用。

驱动器选用COPLEY公司的ADP-180-18，是一款可以对电机进行位置环控制、速度环控制和力矩控制的高性能驱动器，可以CAN总线的控制方式，也可以采用独立的模拟量控制或数字量脉冲方向控制，驱动器使用CME2软件通过RS232串口设置参数，持续电流Ic为6 A，峰值电流Ip为18 A，直流电压为180 V，供电直流为20～180 V，工作台为直流供电160 V，驱动器采用位置环控制方式。

运动控制系统选用工控机做上位机控制，相比于传统的PCI控制卡采用独立型数字运动控制器，使用Ethernet总线方式通讯，这种通讯方式能够有效地减小由于工控机PCI卡槽不稳定带来的负面影响，激光划切机精密工作台运动控制系统选用美国GALIL公司的DMC2143控制器，光栅尺均采用雷尼绍钢带光栅尺，分辨率为0.5 μm。

根据电机选型在驱动器中填写电机参数资料，通过计算可以确定电机运行过程中的最大速度、最大加减速度，根据工作台实际运行要求对最大速度、最大加减速度进行修改，但必须小于理论计算值，驱动器根据用户修改的参数计算电机运动时的最大电流和最大持续电流。设置驱动器使能信号为5 V低电平有效，设置光栅尺的分辨率为0.5 μm，也就是1 mm为2 000个脉冲数，在对电机的各个参数设置完成后进行电机的三环调试。运动控制器与上位机之间采用以太网通讯方式，在设置控制器的参数时需要设置上位机和控制器的IP地址，将两个地址进行互连。控制器为四轴伺服和步进运动控制器，将A轴设置为x轴，B轴设置为y轴，将xy轴的直线电机类型和光栅尺反馈类型设置到控制器中，通过控制器命令使能直线电机，并进行运动参数设置进行路径规划控制。

3　结束语

直线电机及其伺服驱动系统的理论研究已经比较丰富，在国外特别是欧美国家已经在直线电机的加工制造领域以及在伺服驱动器和控制器的设计领域得到了广泛的研究与应用。但是我国在这方面尚且不足，还处于研究阶段，技术尚未成熟，我国的电机技术、驱动器技术和控制器技术还停留在步进电机阶段，对于直线电机及其控制技术还不能广泛应用。近几年我国的科技发展规划和当前的科技形势日趋进步，采用直线伺服控制技术是高端半导体设备运动平台未来的发展趋势，研究直线伺服控制关键技术，推动直线电机控制系统的国产化具有重要的意义。

对于精密数控设备以及半导体专用设备的运动控制系统不仅以传统PID技术为基础，由于其对系统定位精度和重复精度的高要求，必须加入现代控制方法，目前在高端工作台系统中比较常用的四种现代控制方法是模型参考自适应控制、滑模变结构控制、鲁棒控制和预见控制。现代控制理论中的智能控制比较多的应用到了现代工业平台中，它将PID控制理论、计算机科学和人工智能融会贯通，其研究对象不只停留在被控对象阶段，还包括控制器本身，目前应用较广的智能控制是模糊逻辑控制、神经网络控制和实时专家系统。现代控制方法的应用还需要理论与实际工作台相结合，让先进的科学方法更好的服务于实际工程，促进我国运动控制领域的发展，还需做长期坚持不懈的努力。

参考文献：

[1]谭立杰.精密工作台运动控制系统研究[D].北京：北京航空航天大学，2015.

[2]张春良，陈子辰，梅德庆.直线电机伺服进给系统及其关键技术问题 [J].组合机床与自动化技术，2001，(11)：37-40.

[3]杨开明，叶佩青，尹文生.直线电机精密工作台运动控制器设计[J].微细加工技术，2005，（3）：76-80.

[4]潘超.数控机床直线电驱进给系统控制技木及动态特性研究[D].镇江：江苏大学，2011.