直线电机伺服控制系统研究 .pdfVIP

直线电机伺服控制系统研究

张乾;谭立杰;宋婉贞;陈国兴

【摘要】通过直线电机的伺服控制分析,研究了伺服控制策略;以激光划切工作台为

应用平台,针对x向电机位置环进行深入分析来解决实际问题,并根据激光划切机性

能指标要求设计xy精密工作台运动控制系统,实现工作台的精密控制.

【期刊名称】《电子工业专用设备》

【年(卷),期】2018(047)002

【总页数】4页(P67-70)

【关键词】直线电机;伺服控制;激光划切

【作者】张乾;谭立杰;宋婉贞;陈国兴

【作者单位】中国电子科技集团公司第四十五研究所,北京100176;中国电子科技

集团公司第四十五研究所,北京100176;中国电子科技集团公司第四十五研究所,北

京100176;中国电子科技集团公司第四十五研究所,北京100176

【正文语种】中文

【中图分类】TM359.4

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±5μm，重复精度在±3μm，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1x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～±10V的模拟量控制电