（测试计量技术及仪器专业论文）激光微加工系统中电控系统的设计.pdf

激光微加工系统中电控系统的设计 誓，6 3 5 2 6 1 目录 摘要 在自行研制的激光微加工系统中，采用光源固定，待加工工件运动的方式进行微 细加工，工件运动方式多样，能够加工多种图形。微加工系统中的激光光斑直径是 1 0 1 am ，运动控制精度要求是5um 。文中分析了电控系统的模型，介绍了电路组成， 对电路进行了仿真，实现了电路设计。 在激光微加工系统中，电控系统是激光微加工机的关键部分之一。电控系统由设 定器( 上位机) 、数字控制器、输入通道( 位置检测) 和后向通道( 执行机构) 构成。 数字控制器通过串行通讯接口与p c 机双向通讯，运动系统的目标给定值( 加工轨迹) 眺及控制模式由p c 机设定。 数字控制器是电控系统的核心部件，它由以下几部分组成：a t 8 9 c 5 2 为核心的 最小系统、串行通讯接口、步进电机控制与驱动电路、光栅尺信号处理模块以及键盘 与数码显示接口电路。数字控制器与输入通道和后向通道构成闭环的控制系统。因为 执行机构选用带有积分环节的步进电机，理论上该运动系统为无静差系统。在实际控 制中，采用了带死区的p i d 控制，死区e o 的最小极限为：执行机构与反馈部件分辨 率的最大值。 根据设计的控制运动的精度要求，执行机构选择北京卓立汉光公司的t s a l 0 0 一a 二维电控移动平台，平台上安装两相步进电机，其控制和驱动电路采用步进电机控制 专用芯片t a 8 4 3 5 h 构成。可以对步进电机进行细分控制，使电机的步距是1 2 5 m 。 电路设计简洁，性能可靠。 位移反馈部件选择系统选用了韩国东山公司的j e n i x 光栅尺，栅距为4 l a m ，需 要对光栅尺信号进行细分与辨向处理。电控系统采用电子细分法，用一片f p g a ( e p f l 0 k 1 0 ，芯片构成信号的处理与接口电路，完成对光栅尺信号的四细分辨向处理， 使反馈精度提高到11 1m 。该设计大大简化了处理电路，使控制系统工作更为可靠。 控制器接收光栅尺反馈的位移信号，以步进电机为执行机构，利用闭环控制算法， 保证了运动精度误差在2 “r n 以内。经过实践检验，控制器的各项指标达到了设计要求。 关键词：微控制器光栅尺细分辨向f p g a 步进电机控制专用芯片 a b s t r a c t i nt h es e l f - d e v e l o p e dl a s e rm i c r o p r o c e s s i n gs y s t e m ，m i c r o f a b r i c a t i o ni s p r o c e s s e di nt h i sm e t h o d ：t h a tl a s e rb e a mi sf i x e da n dt h ep r o c e s s i n gw o r kp i e c ei s m o v i n g p r o c e s s i n gw o r kp i e c eh a sl o t so fm o v i n gm o d e sa n dv a r i o u sg i v e n d i a g r a m sc a nb ep r o c e s s e d d i a m e t e ro ft h el a s e rb e a mi s1 0 m p o s i t i o n i n ge r r o r o ft h i sk i n e t i cc o n t r o ls y s t e mi sr e q u i r e dw i t h i n5um t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h i sk i n e t i cc o n t r 0 1a n dc o n s t r u c t i o no ft h ec i r c u i t t h e c i r c u i th a sb e e ns i m u l a t e da n dc o m p l e t e ds oi t sf u n c t i o ni sa c c o m p l i s h e d t h ee l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mi sak e yp a r ti nt h i sl a s e rm i c r o - p r o c e s s i n gs y s t e m t h ec o n t r o l s y s t e m i s c o m p o s e d o fs e t t i n g u n i t ( h o s tc o m p u t e r ) ，d i g i t a l c o n t r o l l e r ，i n p u tc h a n n e l ( p o s i t i o nd e t e c t o r ) a n d o u t p u tc h a n n e l ( a c t u a t i n g m e c h a n i s m ) d i g i t a lc o n t r o l l e rc o m m u n i c a t e sw i t hp ct h o u g hs e r i a li n t e r f a c e t h e s e t t i n gv a l u e ( p r o c e s s i n gt r a c k ) a n dm o v i n gm e t h o da r ed o w n l o a d e df r o mp ct o d i g i t a lc o n t r o l l e r d i g i t a lc o n t r o l l e ri st h ek e r n e lo ft h ee l e c t r i cc o n t r o ls y s t e ma n di ti sc o m p o s e d o fm i n i m u ms y s t e mb a s e do na t 8 9 c 5 2 ，s e r i a li n t e r f a c e ，c o n t r o la n dd r i v i n gc i r c u i t o fs t e pm o t o r , p r o c e s s i n gu n i to fg r a t i n gs c a l es i g n a l ，k e y b o a r da n dd i g i t a ld i s p l a y e r i n t e r f a c e d i g i t a lc o n t r o l l e r ，i np u tc h a n n e la n do u t p u tc h a n n e lc o m p o s e t h ec l o s e d l o o pm o v e m e n tc o n t r o ls y s t e m 2 ps t e pm o t o r ，t h eo p e r a t o ri nt h es y s t e m ，i sa d e v i c ew h i c hh a si n t e g r a lu n i ts ot h i sc o n t r o ls y s t e mi san os t a t i ce r r o rs y s t e m u s i n ga r i t h m e t i co fp i dw i t hd 髓dz o n ea n dm i n i m u ml i m i te oi sl i m i t e db yt h e r e s o l u t i o no f o p e r a t o ro rf e e d b a c ku n i t a c c o r d i n gt o t h ec o n t r o la c c u r a c yr e q u i r e m e n t t s a l 0 0 一a2 de l e c t r i c c o n t r o lt a b l e m a d eb yz o l i xi n s t r u m e n t sc o i su s e da so p e r a t o r 、c o n t r o la n d d r i v i n gc i r c u i to fs t e pm o t o ri sb a s e do nt a 8 4 3 5 hw h i c hi s ak i n do fs p e c i a l - p u r p o s ec h i pf o rd r i v i n gb i p o l a rs t e pm o t o r i th a sc h a r a c t e r i s t i c so fb r i e fc i r c u i t h i g hs t a b i l i t ya n ds u b d i v i s i o nc o n t r 0 1 t h er e s o l u t i o no f t h es t e pm o t o ri s1 2 5um d i s p t a c e m e n tf e e d b a c ku n i ti sc h o s e nt h eg r a t i n gs c a l ew i t h4pmg r a t i n g s p a c i n go fd o n gs a nc o ( k o r e a 】t h eg r a t i n gs c a l es i g n a ln e e dt ob e4f o l d s s u b d i v i d e da n dd i r e c t i o n a ld i s c r i m i n a t e d u s i n ge l e c t r o n i cs u b d i v i s i o nt e c h n i q u e ，a f p g as i n g l ec h i pi sr e a l i z e dt h ef u n c t i o no fg r a t i n gs c a l es i g n a lp r o c e s s i n gu n i t t h ed i s p l a c e m e n tf e e d b a c kr e s o l u t i o ni sw i t h i n1pm t h i sd e s i g nm a k e st h ea r e ao f p c bd i m i n i s h e da n dab r i e f c i r c u i tw h i l ec o n t r o ls y s t e mf i l l i ss a f e l ya n dr e l i a b l y c o n t r o l l e rr e c e i v e st h ed i s p l a c e m e n tf e e d b a c ks i g n a ls e n tb yg r a t i n gs c a l e ， c o n t r o lt h em o v e m e n to fa c t u a t i n gm e c h a n i s m - - s t e pm o t o r a r i t h m e t i co fp i d e n s u r e st h ep o s i t i o ne r r o ro fm o v i n gc o n t r o li sw i t h i n2l ama n dm o v i n gc o n t r o l s y s t e mc a nb eo p e r a t e di na c c o r d a n c ew i t ht h ed e s i g n e dt a r g e t s k e y w o r d ：m c ug r a t i n gs c a l e s u b d i v i s i o nd i r e c t i o n a ld i s c r i m i n a t e d f p g a s p e c i a l - p u r p o s ec h i pf o rd r i v i n gb i p o l a rs t e pm o t o r 激光微加工系统中电控系统的设计第一章电控系统的功能及设计要求 第一章电控系统的功能及设计要求 1 1 激光微加工系统的组成 激光是具有高相干性、方向性、高强度的特质，很容易获得很高的光通量密 度。将强的激光束聚焦到介质上，利用激光束与物质相互作用的过程来改变物质 的性质，就是激光加工。激光加工是激光应用的重要领域。自上个世纪9 0 年代以 来，世界上先进国家的激光加工技术蓬勃发展，各种激光加工设备已商品化，激 光加工业已经形成。在当前的工业领域内，激光和光学技术不断创新，几乎运用 于所有领域，并开拓未来的市场。在德国，激光加工技术已广泛地应用于汽车、 钢铁、航天、电子、医疗等各个行业，从生产最小结构的新一代芯片的纳米技术 到传播大信息量的媒体的通讯技术，从外科手术医疗器械的加工到大型客机机身 的焊接。我国激光加工系统市场也随着国民经济的发展逐年增长，以1 9 9 8 年为例， 交易额约为1 9 亿元，其中电子工业的高速发展给我国激光加工业带来了巨大推动【l 】。 激光加工大致可分为三个方面：常规工业加工、微加工和快速成型加工。其 中激光微加工主要用于微电子学、微型机械加工、微光学领域，是激光加工中最 具特色的一类加工技术。加工时用激光对微电子、光电子、微机械、微电机及相 关领域的零部件进行微区切割、焊接、打孔、打标、刻蚀、清洗、毛化等处理。 激光微加工大致分为；激光光刻、激光清洗硅片、激光修补闭。激光微加工具有 诸多优点。在技术方面，它的加工对象广、变形小、精度高，是无接触加工和自 动化加工：在环保方面，它节省能源、公害小、消除污染；在社会效益方面，它 能够提高产品质量和劳动生产率、实现加工过程自动化、减少材料消耗等【j j 。 激光加工微细加工，是指加工精度在微米级的加工技术。加工时，在计算机 控制下工件与激光束发生相对运动，激光束就会在工件表面烧蚀出需要的符号和 图案。只要能实现激光与工件之间的受控相对运动，就可实现激光加工。根据激 光束运动与否，加工机可以分为定光式和动光式两大类。前者是激光束固定、工 件运动；后者是激光束运动、工件固定。定光式激光加工机一般是用数控两维工 作台拖动被加工工件运动。它的最大优点是造价低廉，但速度慢，精度低，不易实 现在线生产。动光式激光加工机优于定光式激光加工机，但其价格非常昂贵。 激光微加t 系统中 u 挡系统的啦计籀一帚l b 拧系统的功能技垃计璺求 该激光微加工系统采用光源固定待加工工件运动的方式，利用光源与工件的 相对运动进行对工件的微细加工，工件运动方式多样，能够加工多种图形。 该激光微加工系统由三部分组成( 见图1 1 ) ：光学系统，p c 计算机主控系 统以及电控系统。 辅 图1 1 激光微加工组成框图 具体组成是： 1 、激光器：提供加工光源。 2 、 扩束装置：将光源扩束后传播，再经过聚焦后，可以有效地减小光斑。 3 、反射镜：对于加工的光源高反，对于其他波长的光高透。 4 、物镜：聚焦凸透镜，将加工光源聚焦，光斑聚焦于工件上。 5 、x y 二维移动平台：可移动，有手动和自动两种方式。工件固定于平台上， 工件运动，光源固定，通过工件与光源的相对运动达到预期的加工轨迹和加工效 果。 6 、辅助部分：辅助光源对工件照明，利于工件的观察。辅助部分还包括吹渣等 部件。 7 、显微观察系统：它由显微镜系统、c c d 摄像机组成。用户可以通过显微目 镜人工观察；c c d 摄像机和计算机视频采集卡接口，计算机完成对工件的图象采 集与处理，通过计算机屏幕，也可以完成对工件的观察。 作为整体构成的部分，系统的电气部分如下： 8 、p c 计算机，通过视频采集卡与c c d 摄像机接口，完成对工件的图象采集 激光微姐l t 系统中l u 卒系统的i 5 计第一章l 乜挡系统的功能技世计要求 与处理，通过计算机屏幕，也可以完成对工件的观察；与电控系统双向通讯完成 x y 平台的运动控制。 9 、电控系统，与p c 计算机双向通讯，确定加工的轨迹；发送脉冲驱动步进 电机决定x y 平台的运动；与平台上的光栅尺接口，采集x y 平台的运动信息。 1 0 、步进电机及其功率驱动部分。 系统分为3 个主要模块工作：光源及光路部分，将光聚焦在一固定点上；p c 计 算机部分，采集图象信号并形成加工轨迹的图形文本下载至电控系统、与电控系统 的双向通讯功能；电控系统，能够与p c 计算机双向通讯，同时能够通过与光栅尺、 步进电机一起完成对x y 平台的运动控制。系统工作框图见图l - 2 。 该激光微加工系统具有突出优点，它是无接触加工，加工对象可以是多种金属、 非金属，能量及移动速度均可调，可以实现多种需求的精密加工。 图1 - 2 系统工作框图 具体的加工过程是：加工时工件置于x y 二维移动平台上，平台的移动带动 工件运动：控制器是电控系统的核心，它通过驱动步进电机驱动x y 平台，并以 安装于x y 平台上的光栅尺作为位置传感器，反馈位移量，构成闭环的运动控制 系统；控制器通过串行通讯接口与p c 机双向通讯，运动系统的目标给定值( 加工 轨迹) 以及控制模式由p c 机设定。 1 2 电控系统的功能 只有在良好的控制下，微加工系统的各部分才能协调地工作。电控系统是激 光微加工机的关键部分之一，控制器是电控系统的核心。该控制器具备如下功能： 1 、通过r s 一2 3 2 接口与计算机双向通讯。计算机形成的= ! j n - r 轨迹文档、加工 激光微热i t 系统中【b 拄系统的杖| 十 第一幸i 也拄系统的功能搜砹汁要求 命令及步进电机运动的有关参数下传至控制器；控制器以及x y 平台的实时信息 上传至计算机。 2 、控制器应具备大容量不掉电r a m 即n o v r a m ，存储计算机形成的加工 轨迹的下载文档。 3 、能与电机驱动部分以及光栅尺接口，完成x - y 平台的闭环运动控制系统， 与电光开关部分接口，控制光源通断。 通常控制方式有开环和闭环两种【”。开环控制方式适用于运动控制的精度要求 不高，或比较容易满足精度要求的情况。而在产品的精度要求较高，且存在外界 干扰的情况下就应该采用闭环控制方式。如果微加工系统采用开环控制，运动控 制精度由执行机构的精度保证，必然采用较高精度的元器件，成本会成倍的增加。 所以，该控制系统采用闭环控制保证运动控制精度。系统的运动控制对象是执行 机构的位置和速度。位置控制采用增量式控制，即控制对象是从当前位置向下一 个位置的移动量。速度控制是脉冲控制控制方式，采用脉冲频率控制对执行机构 进行调速，其调运精度比较高。由于激光微加工系统要求加工速度稳定，运行可 靠，因此控制器要有较高的稳定性、可靠性以及快速性，将控制系统设计为直接 数字控制( d d c ) 系统。控制器根据给定值与被控变量测量值的差计算出输出控制 量，直接控制执行机构，使各控制变量保持在给定值左右。控制器由硬件和软件 两部分组成，硬件的核心是m c ua t 8 9 c 5 2 ，执行机构和位置检测元件采用具有数字 接口的器件，直接和主控单片机接口。图l 一3 是激光微加工控制系统框图。 a 设 t 叫执行机构卜一 被 定 3 _ 9控 c 对 值 5象 2 圈l 一3 激光微加工控制系统框图 1 3 电控系统的设计任务 在激光微加工系统中，电控系统是关键部分之一，数字控制器是电控系统的 激光微加t ：系统中i u 拄系统的改| 十 第一章 1 也挣系统的j _ j 能驶改汁蛰求 核心部件，它由硬件电路和程序两部分组成，控制规律以及控制算法由数字控制 器完成。数字控制器通过前向通道完成对位置信号的采集，经数据处理，通过控 制算法输出经执行机构驱动完成闭环的运动控制，完成通信、检测与控制的功能。 l 、电控系统运动控制精度的设计要求 光学系统是激光微加工机的主要组成部分，它的特性直接影响激光微3 n 7 - 机 的性能。光学系统将激光束从激光器输出窗口引导至加工工件表面，并在被加工 部位获得符合激光微加工要求的加工光斑形状、尺寸及功率密度。 系统中，扩束器的垂轴放大率m 选1 0 ，经扩束后的基模高斯光束的远场发散 角2 口为l m r a d ，短焦透镜f = 1 0 m m 。光束经激光器输出，通过扩束、短焦透镜 聚焦，成为直径d 为l ol am 的光斑，照射到工件上。保证所需微加工的能量和设 计精度，该直径的激光束光斑已经能够满足设计指标。 结合系统的光学部分特性，制订出运动控制系统的性能参数，以及设计要求 如下： ( 1 ) 、加工图形：直线、圆弧、任意点阵图形。 ( 2 ) 、工件运动方式：点位控制( 快速定位) 、轨逊控制( 匀速直线运动、圆 弧运动) 。 ( 3 ) 、定位精度的要求：因为聚焦后光斑直径为1 0 um ，所以定位误差应优于 5 pm 。 ( 4 ) 、工件最大重量：i k g 。 ( 5 ) 、控制系统应具备较高的电磁兼容性。 2 、本文结合实际的设计与调试工作，针对以下问题进行了探讨： ( 1 ) 、控制系统的设计分析， ( 2 ) 、数字控制器的设计， ( 3 ) 、步进电机控制与驱动电路， ( 4 ) 、光栅尺信号的采集与处理电路。 激光微加t 系统中i 也拧系统的波计 第一章拄制系统分析 第二章控制系统分析 2 1 电控系统的组成和工作原理 2 1 1 系统组成 控制技术的作用是控制一些物理量按照指定的规律变化h 1 ，如本系统中，通 过产生一定规律的电信号以及驱动电机，使电机按照预期的规律变化，带动x y 平台运动。闭环系统中需要通过信息采集回路( 传感器) 获取被控对象( 如电机 或x y 平台) 的信息，通过控制规律，施加控制信号，使被控对象的变化按照既 定规律。闭环控制系统因为有反馈环节，可以使结果不存在稳态误差。 图2 1运动控制系统的组成 从信号的连续性方面来分，控制系统分为连续控制系统和离散控制系统( 采 样控制系统) ，离散控制系统在现代工业控制中应用非常广泛。数字控制器哺。或 计算机在控制精度、控制速度以及性能价格比等方面比模拟控制器有着明显的优 越性，同时数字控制器还有很好的通用性，可以很方便地改变控制规律，进行复 杂的控制，尤其是对多个过程进行控制时，上述优点更加突出。 如图2 - 1 所示，运动控制系统由以下几个部分组成： 1 设定器。设定器的作用是进行控制目标值的设定，设定器是控制系统的控 激光徽加t 系统中l u 拧系统的嫂汁第章拄摒系统分机 制目标的来源。在模拟系统中，通常由电位器或上一级控制系统的输出进行设定， 其信号的形式为模拟电压或电流。在采样控制系统中，设定值往往通过键盘或上 位计算机进行设定，信号形式为数字量。该系统属于采样控制系统，目标值设定 由p c 计算机来形成并通过通讯接口下载至控制器。 2 数字控制器。数字控制器是控制系统的核心部件，它由硬件电路和程序两 部分组成，控制规律以及控制算法由数字控制器完成。数字控制器通过前向通道 完成对位置信号的采集，经数据处理，通过控制算法输出经执行机构驱动完成闭 环的运动控制。 3 输入通道( 位置检测) 。控制系统的反馈部件。通过传感器，取得x y 平台的位罱信息，反馈至数字控制器。 4 后向通道( 执行机构) 。数字控制器经过采集位置反馈数据通过数据处理 经控制算法确定信号的输出，经功率放大通过驱动机构驱动x y 平台运动，使x y 平台的位嚣跟随设定值。 2 i 2 控制系统的工作原理 电控系统的主要任务是按控制算法进行控制，由数字控制器完成设计的控制 规律以及控制算法。控制算法的正确与否，直接影响控制系统的调节品质。系统 的运动控制对象是执行机构的位置和速度。由于激光微加工系统要求加工速度稳 定，运行可靠，因此控制器要有较高的稳定性、可靠性以及快速性，将控制系统 设计为直接数字控制( d d c ) 系统。 对连续控制系统分析时有两种方法。一种是时域分析方法，信号用x ( t ) 的形 式，用解微分方程的方法进行分析；另一种是频域( 复频域) 的分析方法，信号 用x ( s ) 来描述，控制原理以传递函数w ( s ) 来描述。对采样控制系统分析时有两种 方法。一种是时域分析方法，信号用x ( k ) 的形式，用解差分方程的方法进行分析： 另一种是z 域的分析方法，信号用x ( z ) 来描述，控制原理以传递函数w ( z ) 来描述。 该系统属采样控制系统，对域信号以x ( k ) 的形式，控制原理以传递函数w ( z ) 来描 述，当求解到数字控制器的控制规律d ( z ) 后，将之化为对应的差分方程，用计算 机程序来完成。 工业控制中最常用的是数字p i d 控制算法，对大多数控制对象，用该控制算 激光微加t 系统中i u 挣系统的没i 十 第一市拧制系统分析 法，均可达到满意的控制效果。该算式包含了比例、积分、微分功能，只要误差 函数e ( k ) 不为0 ，控制过程将直进行。 “k ) 图2 2 控制原理( 反馈系数为l 时) 控制原理如图2 2 所示。在控制系统中，控制计算机( 数字控制器) 读入位 置目标函数r ( k ) ，并与光栅尺采样到的位置数据值s ( k ) 相比较，得到位置偏 差e ( k ) ，然后根据位置偏差的大小和方向，通过控制算法计算出相应的输出控 制量u ( k ) ，并经输出通道作用于执行机构，以拖动x y 平台( 被控制对象) 运 动，产生相应的位移，从而使位置偏差减小，“反馈一比较一调节”的过程一直 进行下去，直到位置偏差满足要求。其中： r ( k ) 为设定值，其z 变换函数为r ( z ) f ( k ) 为反馈量，其z 变换函数为f ( z ) e ( k ) 为位置偏差，其z 变换函数为e ( z ) d ( z ) 为控制器的控制算法 d ( z ) 一u ( z ) e ( z ) 1 1 ( k ) 为控制器的输出，其z 变换函数为u ( z ) w d ( z ) 为x y 平台的传递函数 w 。( z ) = s ( z ) u ( z ) s ( k ) 为位置函数，其z 变换函数为s ( z ) 2 2 运动控制系统的分析 2 2 1 多变量控制系统的解耦控制 控制系统控制的是x ，y 平台的二维运动，输入的给定( 目标值) 、控制器的 输出、输出的位置函数以及反馈信号均为二维信号，属于多变量的运动控制系统， 激光微力t 系统中l u 拧系统的i 芷| 十 第一帚挖制系坑分析 如图2 - 3 所示。其中 r ( k ) 圈2 3 二维运动闭环控制 s ( k ) r ( k ) = 【r 1 ( k )r 2 ( k ) 】1 f ( k ) = f l ( k ) f 2 ( k ) 】1 e ( k ) _ e l ( k ) e 2 ( k ) 】1 u ( k ) = 【u l ( k ) u 2 ( k ) 】j s ( k ) = s l ( k )s 2 ( k ) 】1 r ( k ) 、f ( k ) 、e ( k ) 、u ( k ) 、s ( k ) 为- - 维列矢量，d ( z ) 、w d ( z ) 、h ( z ) 为- - 维矩阵。 在一个过程控制中，有多个控制回路，各个回路之中存在着相互影响，这种 耦合使得系统的性能变差3 。解耦控制，就是让回路之间相互不影响，又称一对 一控制巧1 ，解耦控制的实现会有效提高控制系统的性能。 在电路设计中，如果采用两个独立的输出驱动电路和位置检测电路，就可以 使w d ( z ) 、h ( z ) 变为对角方阵，在控制器的设计中，将信号的输出电路变为独立的 电路，就可以使d ( z ) 变为对角方阵。这时： 二1 2 ( z ) 1 。id 。：二 、，-、 刁 o 烈 酡w 仨 w ，。l l 、，ll_、 2 2 呲 毗 动 力 m 以 w w j。l = 动 烈 锄 、lllj 苟 o 双 2h )m 0 j，。l = 、llj 动 力 ( ( 2 2 l 2 h h l i m ，。l | 1 ) h 、，；j 习 劫 ( ( 1 1 l 2 d d ，。l 1 1 ) z ( d 激光微加t 系统中i u 拧系统韵歧i 十 第一事拎剐系统分析 在本系统中，实现解耦的条件是：有独立的输出驱动回路和反馈回路。 将二维控制系统解耦以后，对二维系统的性能分析，将简化为单回路的性能 分析，在本章下述的讨论中，将参照图2 2 的原理进行一维运动问题分析。 2 2 2 控制系统的稳态误差分析 在位置控制中，输入函数按照阶跃函数的模型：r ( z ) = m ( 1 一z “) 其中m 是阶跃的幅值，或说是从一个点到另一个点的步距数。 通过开环传递函数可以求出闭环传递函数 开环传递函数胍0 ) = d 0 ) 肌z ) 闭环传递函数职( z ) = i 篆揣 r l o m 图2 4 阶跃函数 误差传递函数( 令h ( z ) = 1 ，跟随系统) ： w e ( 加器小嘶) = 丽1 荆= 荆两厕1 静态误差e 。= 科c 川，丽1 旦l _ z - 。 k ：觋志 “1 1 + d ( ：) 阢t = ) j 如果开环传递函数中有积分环节即包含( 1 ( 1 m z “) ) 项，e 。= o ，即 理论上实现无静差。 激光微加t 系统中f u 挣系统的设计 第一审于卒制系统分析 2 2 3 实际控制工程中的稳态误差 1 、实际的p i d 控制算法 在采样控制系统中，因为数字p i d 控制具有很好的适应性、鲁棒性等优点， 得到了广泛的采用，其算法为： u ( k ) = k p + e ( k ) + k i + e ( j ) + k d + e ( k ) - - e ( k - 1 ) 】 上述算式包含了比例、积分、微分功能，只要误差函数e ( k ) 不为0 ，控制过程 将一直进行。 采用了微控制器以后，很方便地实现数字p i d 控制算法的改进，如：积分分 离p i d 控制、不完全微分p i d 控制、微分先行p i d 控制等。 系统控制规律采用增量式? i d 控制。主控单片机只输出增量，误差动作( 单 片机故障或干扰) 时影响小，不易产生积累误差，控制效果较好。执行机构选用 具有累加功能的步进电机，不需要控制器进行累加，所以系统容易实现手动 自动的无扰动切换，机器故障时，也可以把信号保持在原位】。 步进电机的速度控制是脉冲控制控制方式，采用脉冲频率控制对执行机构进 行调速，其调运精度比较高。 数字p i d 增量式控制算法分为两种，理想p i d 数字控制算法和实际p i d 数字 控制算法，二者的区别是实际p i d 数字控帝8 算法包含了一级低通滤波器( 阶滞后 环节或一阶惯性环节) 来限制高频干扰的影响，算法的阶跃响应如图2 5 所示： 012345678n y 理想p i d 箕际p i d 图2 5p i d 控制的阶跃函数 比较这两种p i d 数字控制算法的阶跃响应，可知： ( 1 ) 理想p i d 数字控制算法的控制品质较差，其原因是微分作用仅局限于第 一个采样周期有一个大幅度的输出。一股的工业用执行机构，无法在较短的采样 激光微旬i | t 系统中i 也拧系统的设计 拈一章拧制系统分析 周期内跟踪较大的微分作用输出。而且，理想微分还容易引进高频干扰。 ( 2 ) 实际p i d 数字控制算法的控制品质较好，其原因是微分作用能缓慢地持 续多个采样周期，使得执行机构能够比较好地跟踪微分作用输出。实际p i d 算式 中含有一阶惯性环节，具有数字滤波的能力，抗干扰能力也较强。 2 、带死区的p i d 控制算法 为了减小控制系统的振荡，应采用带死区的p i d 控制巧1 ，带死区的p i d 实际 上是非线性控制系统。原理是：当 ie ( k ) l e ob 寸令e ( k ) = e ( k ) e ( k ) i e o 时令e ( k ) = 0 e o 为设置的死区，当误差不大于死区时，认为误差为零。 在实际的工程控制中，稳态误差会在死区e o 之内。e o 的选择应考虑到系统要 求的控制精度和执行机构与反馈部件的分辨率问题。但是，e 0 的最小极限为：执 行机构与反馈部件分辨率的最大值。 2 2 4 闭环系统的零极点以及对系统动态性能的影响 由开环传递函数可以求出闭环传递函数如下： 闭环传递函数职( z ) = i 芝笺端 1 + d f = ) 耽0 ) 日( z ) 其中：d ( z ) 为控制器的控制算法 d ( z ) = u ( z ) e ( z ) w 。( z ) 为x y 平台的传递函数 w d ( z ) = s ( z ) u ( z ) h ( z ) 为反馈环节的传递函数 h ( z ) = f ( z ) s ( 2 ) 1闭环传递函数与开环传递函数的关系 从闭环传递函数的表达式中可知： 闭环传递函数的极点( 令w c ( z ) 的分母为零的z 的取值) 与玎环传递函数d ( z ) $ w ，( z ) 以及反馈环节的传递函数h ( z ) 的零极点有关。 开环传递函数d ( z ) w 。( z ) 的零点为闭环函数的零点，反馈环节的传递函数h ( z ) 的极点在没有零极点相消时为闭环传递函数的零点。 激光微加_ t 系统中l u 拄系统的岐| 十第一市挣制系统分析 2闭环传递函数的零极点对系统动态性能的影响 r ( k ) 为设定值( 输入函数) ，其z 变换函数为r ( z ) ，s ( k ) 为位置函数( 输 出函数) ，其z 变换函数为s ( z ) ，则： s ( z ) = r ( z ) w c ( z ) 对其进行反变换： s ( k ) = s o ( k ) + a i 。 s o ( k ) 为稳态解，a i 为闭环函数的各个极点。使系统稳定的前提条件是： ia i l 蓑 分 处 h 处 辨 介n 理 理 蛊 向 j ， r 电 电电 路减计数电路 路路 5 2 2 设计方案的比较 图5 - 5 处理电路的组成框图 光栅尺信号智能处理模块的实现，有如下几种设计方案： ( 1 ) 、传统的设计方案， ( 2 ) 、利用微处理器实现的方案， ( 3 ) 、用大规模可编程逻辑器件( c p l d f p g a ) 的实现方案。 传统方案方法很多，常用的有先用光学细分或是电阻链细分，然后由模拟电 路和数字电路组成的电路系统来完成。这些设计大多采用分立元件和中规模集成 芯片件组成，如果实现x 、y 两个方向共四个1 8 位的计数器，需要几十件器件， 电路系统将非常庞大，可靠性下降。 用微处理器处理时，控制器核心部件m c u 具有定时计数器功能，将智能模块 输出的脉冲信号接至计数器输入端即可完成计数功能。处理辨向问题，就要将a 、 b 两个信号以及a 非、b 非信号接到m c u 的外部中断输入端，通过中断服务程序来 完成信号的辨向问题。如果主系统m c u 不执行其它功能，这种设计是可以的，但 是该系统中数字控制器的任务多，这种设计方法使系统m c u 的负载加重，影响系 统的性能。并且x 、y 方向各有专门的处理电路，相互协调通信很复杂，也增加 了技术难度。该方案无法满足设计要求。 f p g a 是大规模可编程门阵列电路，在上世纪末本世纪初得到了广泛的应用。 激光衢如l t 系统中i b 挡系统的设| 十第五辛光栅j t 输竹 j 的智能处理模块 许多传统的中规模的门电路、计数电路等逻辑电路完全可以用可编程逻辑器件来 代替。利用单片的f p g a 可以完成所需的全部复杂电路，包括四倍频细分电路、辨 向电路、计数电路和与m c u 的接口电路。同时，f p g a 属于“柔性电路”可以在 现场编程“”。该芯片具有极高的性能价格比，本系统应选用该芯片构成光栅尺信 号智能处理电路，电路非常简洁方便，大大提高了光栅测距精度、系统工作的稳 定度和可靠性。 5 2 3 基于e p f i o k i o 的光栅尺信号处理模块的实现 本模块采用a l t e r a 公司的e p f i o k i o 芯片进行物理实现。该公司的f p g a 产品 是热门器件之一，以它的f l e x i o k 系列为例，它由如下几部分组成：( 1 ) 逻辑单 元l e ( 或l c ) ，是结构中的最小单元，它能有效地实现逻辑功能。每个l e 包含 一个4 输入的l u t ( 函数发生器，能实现4 输入l 输出的任意逻辑函数) 、一个带 由同步使能的可编程触发器( 可编成d 、t 、j k 、s r 触发器) 、一个进位链和一个 级联链。( 2 ) 逻辑阵列l a b ，是由一系列相邻的l e 构成。每个l a b 包含8 个l e 、 相连的进位链和级联链。( 3 ) 快速通道f t ，f t 的连接是由遍布整个器件的行互联 和列互联构成。( 4 ) i o 单元与专用输入端口，可以与外部进行i o 控制。( 5 ) 嵌入 式阵列块e a b ，在输入输出口上带由寄存器的r a m 块【1 9 】。 设计系统时，采用自上而下的设计过程，首先根据系统的性能指标进行系统 结构设计，对整个系统进行功能划分，再对各子模块进行划分，直至容易实现为 止，最后对划分后的子模块分别进行逻辑设计f 2 0 1 。以m a x - p l u s i i 为开发平台完成 电路图设计，底层模块采用硬件原理图或直接输入波形的方式完成，1 8 位计数器 用v h d l 语言设计。 ( 1 ) 、四细分辨向电路 由于选用的光栅尺输出信号是方波，分别为i n a 、i n b 两相正交的信号。在信 号处理模块中，对信号进行r c 滤波后经过史密特非门整形后( 芯片外处理) ，将 输入信号a 、b 分别经过d 触发器，信号经过一级魁发器后变为a 、b 信号，再 经过两级触发器后变为a ”、b ”信号。d 触发器能对信号进行整形，消除了输入 信号中的尖脉冲的影响，在后续倍频电路中不再使用原始信号a 、b ，因而提高了 系统的抗干扰性能。我们给d 触发器的时钟是外部的有源晶振的脉冲，其频率为 激光微加t 系统中l u 拧系统的波| 十第五幸光栅八输f 奇j 妁智能处理模块 l m ，远高于a 及b 波形变化的频率，因而可以认为，d 触发器的输出端q 能跟踪数据 输入端d 的变化。在倍频辨向电路中，采用组合时序逻辑实现对a 、a ”、b7 、 b ”信号进行逻辑组合，逻辑式如下： c l k a d d = a a ”b + 彳b b ”+ 爿彳”b + 彳b b ” c l k s u b b = a a ”b + a b b ”+ a a ”b + 彳b 。曰” 图5 - 6 四辨向细分电路原理图 电路原理如图5 - 6 所示。 当光栅尺前进时，从c l k a d d 信号端输出四倍频的脉冲，而c l k s u b b 端无信号 输出。当光栅尺后退时，从c l k s u b b 信号端输出四倍频的脉冲，而c l k a d d 端无信 号输出。只要对c l l 认d d 和c l k s u b b 分别采用两个计数器进行计数再求代数和，便 可得出光栅移动的位置。c l k a d d 和c l k s u b b 信号组成的r s 触发器电路可产生加和 减使能信号e n a d d 、e n s u b b 以便对后面的计数电路进行控制。 仿真波形如5 7 图： 从仿真结果可看出，设计完全符合要求。 激光微加t 系统中f 乜摔系统的设汁第五章光栅j t 输 i i 信0 的智能处理模块 n ev 5 0 0 0 n s1o u s15 u s20 s2 5 u s3o u s35 u s4 ) u s45 u 5 0 u s 55 u s； -_ i 椒1 uuuuu uuuul m 8o r n _ l 厂 厂j n 厂 n r 几 e l k 0 m i - 一- _ 一一_ 一 o c 球s 曲b1 i 阿硼- r r f 帅胛盯盯丌蚰0 c l k a d d 1 t tl c l 只0 p 嘴u b bx瓣 o r a o d 巡 图5 - 7 四细分与辨向电路仿真波形 ( 2 ) 、计数电路 在本系统中所用的1 8 位计数器采用v h b l 语言进行设计f 2 2 l ，源程序如下 l i b r a r yi e e e u s ei e e e s t d - l o g i c - 1 1 6 4 a l i u s ei e e e s t d l o g i c _ u n s i g n e d a l i e n t i t yc o u n t l 8i s e l k ，e l r ，e l l ：i n c o u n t e n dc o u n t l 8 s t d - l o g i c ： s t dl o g i c _ v e c t o r ( 1 7d o w n t o0 ) a r c h i t e c t u r eao fc o u n t l 8i s b e g i n p