高精密工作台伺服驱动环节的设计与研究（2） 工作台, 工具箱, 精密, 伺服

yuyang911220

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（经过线性功放）直接驱动直流力矩电机运动。
　　４．１．１ ＤＳＰ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删信号经过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/V 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 速度/μms-1 0 0～5 5～10 10～15 15～20 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。
　　４．１．２ ＤＳＰ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）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。
　　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。
　　４．２．１ ＤＳＰ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。
　　４．２．２ ＤＳＰ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，加模拟驱动环节后，精密工作台系统的灵敏度大幅提高，且系统的低速稳定性能提高一倍。但速度曲线仍存在波动，这主要有两方面的原因：一是机械传动系统精度影响了工作台的稳速精度；二是工作台位移检测光栅分辨率有限，直接影响了采样点之间位移增量的测量精度。
　　母盘刻录机的进给工作台除要求有高的定位精度外，还要求能连续运动，并且在低速（约３０μｍ／ｓ）下具有良好的速度稳定性，稳态误差小于１０％。速度越低，伺服工作台运动的条件就越恶劣，对伺服控制系统的要求就越高，保证速度稳定性的难度就越大。由实验结果和分析可以看出，在DSP数字控制系统中采用模拟驱动环节后，工作台的低速响应性能有明显的提高，不但提高了响应的快速性，而且稳态误差也减小，速度变化范围在７.５％之内。伺服驱动性能的提高有利于保证母盘刻录的精度。