一種基于pid在線標(biāo)定機(jī)床的超高精密伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于PID在線標(biāo)定機(jī)床的超高精密伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以另外的超高精度三維定位儀，在線安裝在機(jī)床上，并由此三維定位儀所測(cè)得的絕對(duì)位置參數(shù)與當(dāng)前設(shè)置的位置參數(shù)比較，計(jì)算獲得至少原伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的三個(gè)PID校正系數(shù)，然后輸出至機(jī)床各電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，用于各電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PID系數(shù)校正，并得到校正后的PID值，由校正后的PID值控制各電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)，并對(duì)各電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制及啟停，實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工零配件精度達(dá)到超高精度。本發(fā)明整體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)精度、加工精度達(dá)到±1μm 甚至±0.05um或更高的精度，并具有可再現(xiàn)性、可重復(fù)性、一致性。
【專利說明】
一種基于PID在線標(biāo)定機(jī)床的超高精密伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，尤其涉及一種基于PID在線標(biāo)定機(jī)床的超高精密伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有高精密機(jī)床采用由基本機(jī)床結(jié)構(gòu)、同步/異步直流的單相/三相永磁電機(jī)、SVPWM為核心的伺服驅(qū)動(dòng)器、螺旋絲桿/各減速機(jī)構(gòu)的微進(jìn)系統(tǒng)、氣浮傳動(dòng)系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、溫濕度補(bǔ)償系統(tǒng)、抗干擾控制與補(bǔ)償系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)來提高精度，還與機(jī)械結(jié)構(gòu)的材料/結(jié)構(gòu)與選型(如大理石機(jī)床身)，傳動(dòng)與加工機(jī)械剛度、彈性系數(shù)、熱脹冷縮系數(shù)，電機(jī)的特性等方面有關(guān)，且這方面現(xiàn)在已發(fā)展到了接近極限，從這方面來提高機(jī)床機(jī)床的加工精度至超高級(jí)別已經(jīng)幾乎是不可能了，唯有伺服驅(qū)動(dòng)器依靠位置傳感器、算法來提高至超高級(jí)別加工精度還有很大空間，而現(xiàn)有的伺服驅(qū)動(dòng)器的整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特別是三個(gè)PID自調(diào)節(jié)系統(tǒng)無論是動(dòng)態(tài)精度還是累加精度，與當(dāng)今需研發(fā)與生產(chǎn)的超高精密機(jī)床(當(dāng)運(yùn)動(dòng)精度、加工精度±1μπι甚至±0.05um或更小的精度)相比較還是有很大的差距的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于解決當(dāng)前技術(shù)中存在的問題，提供一種基于PID在線標(biāo)定機(jī)床的超高精密伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
[0004]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)手段是:一種基于PID在線標(biāo)定機(jī)床的超高精密伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以另外的超高精度三維定位儀，在線安裝在機(jī)床上，并由此三維定位儀所測(cè)得的絕對(duì)位置參數(shù)與當(dāng)前設(shè)置的位置參數(shù)比較，計(jì)算獲得至少原伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的三個(gè)PID校正系數(shù)，然后輸出至機(jī)床各電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，用于各電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PID系數(shù)校正，并得到校正后的PID值，由校正后的PID值控制各電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)，并對(duì)各電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制及啟停，實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工零配件精度達(dá)到超高精度。
[0005]進(jìn)一步的，所述計(jì)算獲得至少原伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的三個(gè)PID校正系數(shù)是指:在原伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，從積分I在一定時(shí)域內(nèi)細(xì)化讓運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定精確，在微分D對(duì)細(xì)微的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定解及特解運(yùn)算，使系統(tǒng)無限趨近一個(gè)目標(biāo)參數(shù)，系統(tǒng)在SVPffM的精密矢量磁通環(huán)境下執(zhí)行微細(xì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在終端末端的無限趨近或等于但不超越的精密微細(xì)運(yùn)動(dòng)，利用長(zhǎng)時(shí)間段的高精度靜態(tài)PID來矯正原有PID系數(shù)，而后得到PID校正系數(shù)。
[0006]進(jìn)一步的，所述伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括依次連接的數(shù)據(jù)輸入單元、控制單元、驅(qū)動(dòng)單元、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行部件，所述控制單元包括運(yùn)算控制器、系統(tǒng)位置控制器、速度控制器、SVPWM功率驅(qū)動(dòng)控制器，通過數(shù)字控制，系統(tǒng)位置控制器、速度控制器、SVPWM功率驅(qū)動(dòng)控制器的控制策略和算法均在運(yùn)算控制器中實(shí)現(xiàn)，通過數(shù)據(jù)輸入單元先輸入原始基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后通過SVP麗功率驅(qū)動(dòng)控制器基于三相空間矢量電流SVP麗，以PARK或CLEAK算法產(chǎn)生近似圓形的旋轉(zhuǎn)磁通矢量電流給驅(qū)動(dòng)單元的電機(jī)，電機(jī)產(chǎn)生近似圓形的旋轉(zhuǎn)磁通以使電機(jī)按照預(yù)設(shè)的空間轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)由各種位置編碼器測(cè)得位置數(shù)據(jù)與原設(shè)置數(shù)據(jù)比較后由三個(gè)PID控制環(huán)生成矯正的PID系數(shù)，再給整個(gè)的SVPffM的電機(jī)三相驅(qū)動(dòng)電路以生成新的經(jīng)過校正的三相空間矢量SVPffM驅(qū)動(dòng)電流，新的三相矢量驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)精準(zhǔn)穩(wěn)定地運(yùn)動(dòng)或加工目標(biāo)。
[0007]更進(jìn)一步的，所述伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還包括位置傳感器和速度傳感器，將位置傳感器、速度傳感器安裝在伺服運(yùn)動(dòng)鏈上的不同位置，形成全閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制，由上位機(jī)設(shè)置驅(qū)動(dòng)單元的位置目標(biāo)值給控制單元，控制單元結(jié)合上位機(jī)發(fā)來的SVPWM的設(shè)置的三相交流矢量實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)電流值并與本單元的設(shè)置值運(yùn)算結(jié)合后產(chǎn)生的新的設(shè)置值，同時(shí)驅(qū)動(dòng)單元的輸出SVPWM信號(hào)另一分支信號(hào)給位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的三個(gè)PID控制系統(tǒng)作為PID的基礎(chǔ)比較初值，同時(shí)由各傳感器檢測(cè)反饋回的當(dāng)前位置、速度和電流的參數(shù)值分別輸入至驅(qū)動(dòng)單元，然后分別與上述各基礎(chǔ)參數(shù)值按照PID的算法生成實(shí)時(shí)PID校正系數(shù)去產(chǎn)生新的對(duì)應(yīng)三種控制的實(shí)時(shí)基礎(chǔ)參數(shù)值，再給驅(qū)動(dòng)單元以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)或加工達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
[0008]進(jìn)一步的，所述另外的超高精度三維定位儀的發(fā)射裝置和接收裝置分別裝在機(jī)床的固定機(jī)床床身和轉(zhuǎn)動(dòng)體上，由另外的超高精度三維定位儀測(cè)量絕對(duì)位置，消除傳動(dòng)誤差，并和原系統(tǒng)的PID控制環(huán)形成了一個(gè)校正系統(tǒng)，形成以一個(gè)靜態(tài)的高精度在線校正儀校正低于其精度的原動(dòng)態(tài)PID運(yùn)動(dòng)加工系統(tǒng)，從而控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)精度和加工精度。
[0009]更進(jìn)一步的，所述超高精度三維定位儀為顯微攝影三維激光標(biāo)定儀，電機(jī)為三相永磁同步電機(jī)、三相交流伺服電機(jī)，基于SVPffM算法的矢量電流形成包圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、啟停、阻尼、轉(zhuǎn)矩、速度，結(jié)合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)行超高精密的運(yùn)動(dòng)及加工控制，最終實(shí)現(xiàn)超高精密機(jī)床系統(tǒng)加工出來的零配件精度達(dá)到± I?0.05um的超高精度。
[0010]本發(fā)明的有益效果在于:將另外的超高精度三維定位儀發(fā)射或接收裝置直接安裝在機(jī)床轉(zhuǎn)動(dòng)體上，不再產(chǎn)生現(xiàn)有的機(jī)床光柵儀整體安裝在運(yùn)動(dòng)體上帶來的系統(tǒng)誤差、累積誤差，消除PID的基礎(chǔ)設(shè)置參數(shù)與反饋參數(shù)的兩個(gè)基準(zhǔn)設(shè)置值和反饋值的誤差，獲得的PID實(shí)時(shí)修正值極準(zhǔn)確，從而控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)N多軸乃至于整體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)精度、加工精度達(dá)到土Ιμπι甚至±0.05um或更高的精度，并具有可再現(xiàn)性、可重復(fù)性、一致性。
【附圖說明】
[0011]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述。
[0012]圖1本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框架示意圖；
圖2本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)不意圖；
圖3本發(fā)明的控制單元連接示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]如圖1、2、3所示的一種基于PID在線標(biāo)定機(jī)床的超高精密伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以另外的超高精度三維定位儀，充分發(fā)揮其超高的絕對(duì)位置的定位精度、超高的幾何解析能力，在線安裝在超高精度的伺服驅(qū)動(dòng)器或機(jī)床系統(tǒng)上，并由此超高精度三維定位儀所測(cè)得的絕對(duì)位置參數(shù)與當(dāng)前設(shè)置的位置參數(shù)比較，計(jì)算獲得至少原伺服器的三個(gè)PID校正系數(shù)，然后輸出至精密機(jī)床的各電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，用于各電機(jī)的伺服系統(tǒng)的PID系數(shù)校正，并實(shí)現(xiàn)新的PID值，由各電機(jī)的PID控制伺服驅(qū)動(dòng)，并對(duì)各電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行超高精密的運(yùn)動(dòng)控制及啟停，最終實(shí)現(xiàn)超高精密機(jī)床系統(tǒng)加工出來的零配件精度達(dá)到超高精度，應(yīng)用“寬靜態(tài)”組合式高精度靜態(tài)PID的方法來去矯正另一套如本文所述的機(jī)床的精度保障系統(tǒng)，三個(gè)PID控制環(huán)，簡(jiǎn)單的講即為一個(gè)靜態(tài)的高精度PID環(huán)去控制另外的動(dòng)態(tài)的低精度的PID環(huán)的技術(shù)。實(shí)質(zhì)上就是用一個(gè)高精度的尺子去校準(zhǔn)和標(biāo)定一個(gè)低精度的尺子而讓目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)即加工參數(shù)的精度達(dá)到極高的指標(biāo)。高精度靜態(tài)PID的系數(shù)之所以可以達(dá)到超高精度，這是因?yàn)?，此種PID校正系數(shù)的獲得可以利用在til?ti2這樣一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)，并利用起始點(diǎn)和終點(diǎn)的絕對(duì)位置，如利用激光“狹縫光”，即采用幾何尺寸/波長(zhǎng)極小的激光并利用單頻激光或者雙頻激光干涉方法，或電容式、顯微數(shù)碼等高精密位置定位儀，即超高精度的絕對(duì)位置數(shù)值獲得技術(shù)手段，并利用絕對(duì)編碼技術(shù)/算法以及增量編碼技術(shù)/算法獲得的單點(diǎn)數(shù)據(jù)/或多組數(shù)據(jù)的加權(quán)均值、迭代求導(dǎo)數(shù)等，來推算出高精度的絕對(duì)位置數(shù)據(jù)，相對(duì)位置數(shù)據(jù)或者絕對(duì)角度數(shù)據(jù)，并與PID系統(tǒng)的設(shè)置的初始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并根據(jù)PID的算法推算出新的PID的校正系數(shù)或標(biāo)定系數(shù)，前面所述獲得的反饋回來的這個(gè)校正系數(shù)是由于在til?ti2是在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)的值，由此獲得PID值是由于在較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)也即在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)較長(zhǎng)的距離并進(jìn)行一系列的微分、積分、導(dǎo)數(shù)/偏導(dǎo)數(shù)、甚至于高階微分、柯西中值定理運(yùn)算后，這樣獲得的最終結(jié)果數(shù)值即為常規(guī)伺服器如三環(huán)新的超高精度的PID校正系數(shù)值，并輸入與結(jié)合至原伺服器的各PID控制系統(tǒng)中并重新實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)及加工的超高精度，尤其是運(yùn)動(dòng)或加工的接近末端的微小運(yùn)動(dòng)參數(shù)及加工的參數(shù)，利用基于解析幾何、微分及積分常微分等數(shù)學(xué)模型的算法精細(xì)精密控制實(shí)現(xiàn)，并達(dá)到可再現(xiàn)性、可重復(fù)性、一致性。
[0014]當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行超高精密地運(yùn)動(dòng)或加工并無限趨近一個(gè)目標(biāo)參數(shù)時(shí)，是不允許“過沖”的，即目標(biāo)頭“超限”，會(huì)造成被加工的零配件有瑕疵及報(bào)廢的嚴(yán)重后果，而且會(huì)由于系統(tǒng)或目標(biāo)頭由于一直在做基于拉普拉斯的中值定理的框架下的微細(xì)小的趨近運(yùn)動(dòng)，會(huì)過沖時(shí)再返回做微細(xì)小的趨近運(yùn)動(dòng)，循環(huán)往復(fù)，最終在不停的找位置，表現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)終端如磨床的轉(zhuǎn)盤在不停地有抖動(dòng)現(xiàn)象的故障，嚴(yán)重時(shí)會(huì)飛車。本方案從兩方面解決，(I)原PID控制系統(tǒng)，多從積分I角度下功夫，細(xì)化與詳細(xì)綜合地在一定時(shí)域內(nèi)讓運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定、精確，在微分D方面對(duì)細(xì)微的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定解及特解的運(yùn)算與設(shè)計(jì)，以使系統(tǒng)無限趨近一個(gè)目標(biāo)參數(shù)時(shí)，系統(tǒng)并結(jié)合SVPffM的算法即“包圓”精密矢量磁通的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)微細(xì)運(yùn)動(dòng)尤其是趨近終端末端的無限趨近或等于但永遠(yuǎn)不超越的精密微細(xì)運(yùn)動(dòng)或加工的參數(shù)(超精密的位置或角度參數(shù))。(2)應(yīng)用上文所述較長(zhǎng)時(shí)間段的“寬靜態(tài)”組合式高精度靜態(tài)PID的方法來去矯正(I)條所述的PID系數(shù)，并去控制精密的運(yùn)動(dòng)及加工。
[0015]實(shí)際上最頂層設(shè)備結(jié)構(gòu)為所述超高精度三維定位儀，為如顯微攝影三維激光標(biāo)定儀。在線標(biāo)定的一定實(shí)時(shí)性機(jī)床超高精密伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具體原理，伺服驅(qū)動(dòng)器的重點(diǎn)是超高精度驅(qū)動(dòng)如三相永磁同步電機(jī)、三相交流伺服電機(jī)等的基于SVPWM算法的矢量電流致使的“包圓”旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、啟停、阻尼功能及轉(zhuǎn)矩、速度等控制的參與下，并最終結(jié)合減速系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)行超高精密的運(yùn)動(dòng)及加工控制，實(shí)現(xiàn)超高精密的參數(shù)及性能指標(biāo)。
[0016]本方案的重點(diǎn)即是，以另一套的超高精度的三維定位儀，如顯微攝影三維激光標(biāo)定儀，在線安裝在超高精度的伺服驅(qū)動(dòng)器或機(jī)床系統(tǒng)上，系統(tǒng)并由本標(biāo)定儀所測(cè)得的絕對(duì)位置參數(shù)與當(dāng)前設(shè)置的位置參數(shù)比較并由軟件計(jì)算，獲得至少三個(gè)PID校正系數(shù)(此系數(shù)精度特別高)，然后輸出至精密機(jī)床的各電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并給各伺服系統(tǒng)如圖編碼器的PID系數(shù)用于校正用，并實(shí)現(xiàn)新的PID值，以實(shí)現(xiàn)由此各單元的運(yùn)動(dòng)電機(jī)的PID控制的伺服驅(qū)動(dòng)，并對(duì)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行超高精密的運(yùn)動(dòng)控制及啟停，最終實(shí)現(xiàn)超高精密機(jī)床系統(tǒng)加工出來的零配件精度達(dá)到± 1〃、土 Ιμπι甚至0.05um、0.05〃的超高精度，并且可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)及加工的超高精度，達(dá)到可再現(xiàn)性、可重復(fù)性、一致性。
[0017]其次為所述常規(guī)伺服器系統(tǒng)，控制單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心，包括系統(tǒng)位置控制器、速度控制器、SVPffM功率驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)行全數(shù)字化控制，伺服系統(tǒng)進(jìn)入智能化階段，其中DSP以其高速計(jì)算能力和特殊的硬件結(jié)構(gòu)成為伺服控制系統(tǒng)中的主流處理器。通過數(shù)字控制，可以排除模擬電路的非線性誤差、調(diào)整誤差以及漂移等因素的影響，大大提高了伺服系統(tǒng)的性能。三個(gè)控制器的控制策略和算法均在DSP/FPGA中以軟件方式實(shí)現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的靈活性，為復(fù)雜控制算法的運(yùn)用奠定了基礎(chǔ)，從而使控制性能進(jìn)一步提高。
[0018]按照高精度的目的位置/各運(yùn)行區(qū)域段、力矩、速度、加速度、各種慣性、矢量運(yùn)動(dòng)等的要求下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)或停止過程，并要運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、可靠。并于高精密伺服器先輸入原始基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后通過基于三相空間矢量電流SVP麗技術(shù)，以PARK或CLEAK算法產(chǎn)生近似圓形的旋轉(zhuǎn)磁通矢量電流給三相直流電機(jī)，即三相電機(jī)產(chǎn)生近似圓形的旋轉(zhuǎn)磁通以使電機(jī)按照預(yù)設(shè)的電機(jī)空間轉(zhuǎn)動(dòng)來轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)由各種位置編碼器如激光光柵傳感器測(cè)得位置數(shù)據(jù)與原設(shè)置數(shù)據(jù)比較后
由三個(gè)PID控制環(huán)生成矯正的PID系數(shù)，再給整個(gè)的SVPffM的電機(jī)三相驅(qū)動(dòng)電路以生成新的經(jīng)過校正的三相空間矢量SVPWM驅(qū)動(dòng)電流，并在新的三相矢量功率電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)精準(zhǔn)、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)動(dòng)或加工目標(biāo)。
[0019]以常規(guī)的精密機(jī)床系(磨床)統(tǒng)拓?fù)鋱D為例，結(jié)合本方案即基于PID在線標(biāo)定機(jī)床的超高精密伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，詳述其如何在線式地實(shí)時(shí)標(biāo)定與控制其整個(gè)機(jī)床系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)尤其是微小系統(tǒng)精細(xì)精密參數(shù)的控制。
[0020]在機(jī)床的伺服系統(tǒng)中，常常要求對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度和位置、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)時(shí)矢量電流加以精密控制控制，這往往歸結(jié)為對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的交流伺服電機(jī)進(jìn)行速度和位置、SVPWM電流環(huán)以如SVPffM的算法控制。根據(jù)位置和速度傳感器安裝在伺服運(yùn)動(dòng)鏈上的位置不同，可以分為全閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制。
[0021]包括上位機(jī)界面軟件單元設(shè)置伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)達(dá)到的位置目標(biāo)值給控制單元值，再輸入給控制裝置單元、FPGA(位置環(huán)和速度環(huán)控制軟件/硬件)單元，當(dāng)然此嵌入式單元既可以結(jié)合上位機(jī)發(fā)來的如SVPffM的設(shè)置的三相交流矢量實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)電流值并與本單元的設(shè)置值運(yùn)算結(jié)合后產(chǎn)生的新的設(shè)置值，當(dāng)然也可以本單元在軟件的控制下自行產(chǎn)生，再通過控制裝置輸出驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)并輸出給伺服電機(jī)單元，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)精密的按照矢量電流形成的“包圓”旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下并按照規(guī)定的位置轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出SVPWM信號(hào)另一分支信號(hào)給位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的三個(gè)PID控制系統(tǒng)(在FPGA(位置環(huán)和速度環(huán)控制軟件/硬件)單元作為PID的基礎(chǔ)設(shè)置比較初值，同時(shí)由各傳感器單元檢測(cè)反饋回的當(dāng)前位置、速度和電流的參數(shù)值也分別輸入至本單元，然后分別與上述各基礎(chǔ)參數(shù)值按照PID的算法生成實(shí)時(shí)PID校正系數(shù)去產(chǎn)生新的對(duì)應(yīng)三種控制的實(shí)時(shí)基礎(chǔ)參數(shù)值再給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)較精密地將運(yùn)動(dòng)或加工達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，但是傳統(tǒng)的私服系統(tǒng)即原PID控制的系統(tǒng)，如圖3電機(jī)到齒輪、減速機(jī)、再到圓盤末端的傳感器采集并反饋回的位置參數(shù)傳動(dòng)拓?fù)湎到y(tǒng)，實(shí)際上這樣一個(gè)系統(tǒng)會(huì)由此會(huì)帶來傳動(dòng)誤差反饋回的位置參數(shù)具有誤差且有累積誤差，分別與上述各基礎(chǔ)參數(shù)值按照PID的算法生成實(shí)時(shí)PID校正系數(shù)去產(chǎn)生新的對(duì)應(yīng)三種控制的實(shí)時(shí)基礎(chǔ)參數(shù)值(SET)就會(huì)有誤差，即再給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)致使的運(yùn)動(dòng)參數(shù)或加工參數(shù)(如位置參數(shù)、角度、曲面等幾何參數(shù))就會(huì)出現(xiàn)誤差，致使加工的零配件出現(xiàn)加工誤差，甚至使整個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)如“飛車”、失控的故障。
[0022]而本方案即一種基于PID在線標(biāo)定伺服系統(tǒng)，其安裝和測(cè)量結(jié)構(gòu)是讓整個(gè)激光標(biāo)定儀的發(fā)射裝置和接收裝置分別裝在超高精密機(jī)床的固定機(jī)床床身和轉(zhuǎn)動(dòng)體如轉(zhuǎn)盤上，標(biāo)定儀測(cè)量絕對(duì)位置時(shí)完全消除了傳動(dòng)誤差，并且還和原系統(tǒng)的較精密位置PID控制環(huán)一起形成了一個(gè)校正系統(tǒng)，總結(jié)為整個(gè)系統(tǒng)屬于高精密的在線校正參數(shù)系統(tǒng)去校正另一套原動(dòng)態(tài)的PID稍微不精密的甚至于有累積誤差的運(yùn)動(dòng)、加工系統(tǒng)，從而控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)N多軸乃至于整體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)精度、加工精度如± 1〃、土 Ιμπι甚至± 0.05um、土 0.05〃或更高的的精度。
[0023]之所以讓三維校正儀的如高精密光柵儀，其光柵發(fā)射或接收直接安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤上，讓光柵接收部分或發(fā)射部分安裝在機(jī)床支架上，這種做法是區(qū)別于之前精密機(jī)床的如光柵儀整個(gè)系統(tǒng)安裝在運(yùn)動(dòng)體上如圓盤上并受電機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)誤差、累積誤差影響下而形成的伺服系統(tǒng)整個(gè)的PID位置控制環(huán)等，之前的做法必然使在PID控制的實(shí)時(shí)控制參數(shù)必然使之運(yùn)動(dòng)參數(shù)及加工參數(shù)帶來偏差及累積偏差，總之本方案引入了在線三維激光標(biāo)定儀，并采取如上特殊的安裝方式，能消除PID的基礎(chǔ)設(shè)置參數(shù)與反饋參數(shù)的兩個(gè)基準(zhǔn)設(shè)置值和反饋值的誤差，即經(jīng)PID算法運(yùn)算后獲得的PID實(shí)時(shí)修正值即會(huì)極準(zhǔn)確，從而控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)N多軸乃至于整體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)精度、加工精度如± 1〃、土 Ιμπι甚至土 0.05um、± 0.05〃或更高的的精度，并達(dá)到可再現(xiàn)性、可重復(fù)性、一致性。
[0024]結(jié)合PID算法、SVPWM、信號(hào)補(bǔ)償?shù)人惴?，?shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能和參數(shù)。主要模塊為，三個(gè)PID控制環(huán)的實(shí)現(xiàn)與控制，初始化，SVPffM的信號(hào)產(chǎn)生，在線三維激光標(biāo)定儀實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)生成三個(gè)原系統(tǒng)PID控制環(huán)的系數(shù)與校正功能，消除溫濕度、電磁干擾、振動(dòng)干擾等的補(bǔ)償算法軟件實(shí)現(xiàn)單元、過流欠壓檢測(cè)控制等。
[0025]在接近目標(biāo)的過程中，對(duì)伺服電機(jī)設(shè)置初始參數(shù)，伺服電機(jī)的三相正弦波功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生為，采用脈沖調(diào)制或三角波調(diào)制矩形波PWM并調(diào)制用LC諧振電路生成正弦波。在接近過程中，時(shí)間為tm，在加工過程中，時(shí)間為tn，把這兩個(gè)時(shí)間段分別細(xì)分為更小的時(shí)間段tmi段和tni段。先舉例tmi段，在這個(gè)時(shí)間段，主要用兩種高精度編碼器定位傳感，獲得的數(shù)據(jù)和初始數(shù)據(jù)比較，獲得的差值先由微處理器處理后存儲(chǔ)下來。值得注意的是，我們采集的只是瞬時(shí)數(shù)據(jù)，需再測(cè)tmi時(shí)間段其他點(diǎn)的差值，再用PID技術(shù)進(jìn)行相關(guān)的比例、微分和積分算法和處理過程(積分可讓數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定平滑，微分可讓數(shù)據(jù)更高效、細(xì)節(jié)展開“數(shù)據(jù)，，)
采用DSP+FPGA組合的原因:由于整個(gè)數(shù)據(jù)采集以及運(yùn)算過程數(shù)據(jù)量巨大，實(shí)時(shí)性比較強(qiáng)，而且是高速運(yùn)動(dòng)，交給FPGA運(yùn)行，因此對(duì)于微處理器以及存儲(chǔ)系統(tǒng)提出了很高的要求，DSP由于運(yùn)算能力強(qiáng)，有些甚至可以達(dá)到一個(gè)機(jī)器周期3ns，而且數(shù)據(jù)包發(fā)給上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理或者在后臺(tái)進(jìn)行慢速詳細(xì)的處理。
[0026]核心要求是三個(gè)閉環(huán)PID系數(shù)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)、SVPffM信號(hào)在矢量空間參數(shù)位置分布的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及“提前策略”的相關(guān)PID參數(shù)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0027]CPLD/FPGA和DSP—起構(gòu)成了交流伺服系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。
[0028]CPLD/FPGA主要是承擔(dān)實(shí)時(shí)性、反應(yīng)速度快的功能單元環(huán)節(jié)，如本方案三相SVPWM信號(hào)的產(chǎn)生環(huán)節(jié)以及速度環(huán)PID、位置環(huán)PID、電流環(huán)PID的控制過程，DSP則負(fù)責(zé)基準(zhǔn)信號(hào)漂移的矯正，整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制的各單元的協(xié)調(diào)，與上位機(jī)的通信，承擔(dān)一些數(shù)字濾波器的算法任務(wù)，如FIR、IIR還有一些FFT的算法。在本伺服器方案中，采用FPGA+DSP的組合方案方式，讓其形成各自擅長(zhǎng)的模塊任務(wù)劃分的分配格局，形成總的技術(shù)方案的框架。
[0029]由于矢量控制方法在實(shí)現(xiàn)時(shí)要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換，運(yùn)算量較大，并且需要準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子磁鏈以及電機(jī)的精確模型，因而對(duì)電機(jī)的參數(shù)依賴性大，難以保障完全解耦，使控制系統(tǒng)打折。新型高速微處理器、電機(jī)控制專用DSP以及大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?gòu)成的伺服系統(tǒng)控制單元將全面代替以模擬電子器件和分立器件為主的模擬控制單元，從而實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化的交流伺服系統(tǒng)。全數(shù)字化的突出優(yōu)點(diǎn)是使控制系統(tǒng)軟件化，即實(shí)現(xiàn)軟件伺服，它具有極好的柔性功能，在相同的硬件情況下，通過改變軟件就可以實(shí)現(xiàn)多種不同的控制功能，甚至不同種類的交流伺服電機(jī)能用相同的硬件通過不同的軟件模塊分別進(jìn)行控制。
[0030]以一個(gè)極高的在線靜態(tài)精度系統(tǒng)來校正本不太高的精度系統(tǒng)，即在線式一定實(shí)時(shí)標(biāo)定/校正的超高精度的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，即在5軸或更多軸的超精密機(jī)床系統(tǒng)上應(yīng)用另一套PID控制的三維坐標(biāo)定位儀(如高精密光柵將發(fā)射端或接收端裝在機(jī)床固定架)，另一接收端或發(fā)射端并裝在某軸運(yùn)動(dòng)系上的末端(如高精密磨床X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)軸即圓盤上)，此處再安裝絕對(duì)位置精密光柵定位儀(參數(shù)0.05um、0.05〃或更小的精度)/電容式絕位高精密定位儀或顯微數(shù)碼高精密定位儀(這兩種高精密絕對(duì)位置定位儀只需將儀器探頭安裝在相對(duì)動(dòng)軸的固定支架上)等，可以將此X軸設(shè)置運(yùn)動(dòng)一定柵格位置的值與以上絕對(duì)位置定位的高精密柵格設(shè)置數(shù)據(jù)一同輸入在線三維矯正儀的PID電路，并用算法計(jì)算出PID誤差系數(shù)，此誤差系數(shù)去校正如五軸超精密機(jī)床的控制伺服器的原有各個(gè)電機(jī)速度環(huán)PID、位置環(huán)PID、電流環(huán)PID的系數(shù)，即用本高精密的系數(shù)去一定實(shí)時(shí)性地按照特高精密的域來去校正以上所述的三個(gè)PID系數(shù)，從而可以預(yù)見性的、一定實(shí)時(shí)性的、學(xué)習(xí)性的、歷史經(jīng)驗(yàn)總結(jié)性的，讓在線三維校正儀和控制伺服器來去控制五軸超高精密機(jī)床或其他精密運(yùn)動(dòng)的電機(jī)并驅(qū)動(dòng)目標(biāo)頭如刀頭、銑頭、磨頭等進(jìn)行超高精密的運(yùn)動(dòng)或加工尺寸，其精度可達(dá)到±1〃、± Iym甚至0.0511111、0.05〃或更小的精度。
[0031]本超高精密伺服系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于，其控制目標(biāo)運(yùn)動(dòng)或加工的參數(shù)具有非常高的精度，如超高精密機(jī)床做到加工精度為± 1〃、± Ιμπι甚至0.05um、0.05〃或更小的精度，并且可以實(shí)現(xiàn)在本伺服系統(tǒng)控制下的各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)及加工的各種指標(biāo)參數(shù)的超高再現(xiàn)性、超高一致性、超高穩(wěn)定性。并由伺服控制器自身的如速度環(huán)PID、位置環(huán)PID、電流環(huán)PID的技術(shù)的PID系數(shù)即內(nèi)外環(huán)，還有各種光電激光編碼器/電容式編碼器的定位儀來控制與控制運(yùn)動(dòng)加工的幾何尺寸精度，但由于以上所述受限于本身的精度系數(shù)及分辨率控制精度、溫飄、機(jī)械形變、振動(dòng)/電磁干擾等因素造成的累積誤差，特別是伺服控制器自身的如速度環(huán)PID、位置環(huán)PID、電流環(huán)PID的PID系數(shù)即內(nèi)外環(huán)，還有一影響系統(tǒng)精度的原因，詳述，舉例如光電編碼傳感器的檢測(cè)信號(hào)，再到放大單元、濾波、AD，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再作為PID的輸入時(shí)并與基礎(chǔ)設(shè)置數(shù)據(jù)比較運(yùn)算生成新的PID的新的系數(shù)后，由于以上所述的各種漂移影響，既有隨機(jī)的也有累積的，至此時(shí)已發(fā)生偏差，導(dǎo)致PID控制精度較低，且有累積誤差，而且自身系統(tǒng)無法校正，再由于此時(shí)有誤差的PID控制電機(jī)電流的大小及相位，扭矩，阻尼電流，啟動(dòng)與停止的慣性大小等因素，致使進(jìn)一步控制運(yùn)動(dòng)的速度/加速度/轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)動(dòng)的乃至于整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)致使機(jī)床系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)精度及加工精度較低或出現(xiàn)加工參數(shù)出現(xiàn)誤差，且加工零配件等的精度較低或一致性、可“再現(xiàn)性”差，特別是并且由原各傳感器采集多種數(shù)據(jù)并與起始設(shè)置數(shù)據(jù)比較運(yùn)算后生成PID修正系數(shù)去修正與生成新的以上所述控制數(shù)據(jù)并控制電機(jī)運(yùn)行，由于在這過程中由于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、齒輪、減速機(jī)、再到終端執(zhí)行機(jī)械系統(tǒng)，再加之溫濕度的變化漂移影響，振動(dòng)、射線電磁干擾等因素的影響，并且是隨機(jī)的、實(shí)時(shí)的、累積的，以至最終的運(yùn)動(dòng)精度、加工精度沒有達(dá)到預(yù)期，即出現(xiàn)了偏差，而且出現(xiàn)加工機(jī)件穩(wěn)定性、一致性、可重復(fù)性等的性能較差，特別當(dāng)運(yùn)動(dòng)精度、加工精度如± 1〃、土 Iwn甚至0.05um、0.05〃或更小的精度的要求提出后，對(duì)整個(gè)機(jī)床系統(tǒng)提出極高的要求，因此本技術(shù)方案因應(yīng)而生，為此采用了一個(gè)絕對(duì)位置精密光柵定位儀+電容式高精密位置定位儀的在線組合方式、角度測(cè)試儀去修正及標(biāo)定精度較低穩(wěn)定性差的精密機(jī)床系統(tǒng)技術(shù)的超高精密機(jī)床，，即“寬靜態(tài)”組合式高精度靜態(tài)PID控制的系統(tǒng)去校正/標(biāo)定動(dòng)態(tài)的較低精度的PID控制系統(tǒng)的技術(shù)。使其機(jī)床系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)精度、加工精度如± 1〃、± Iym甚至0.05um、0.05〃或更小的精度，并能降低對(duì)精密機(jī)床的材料及結(jié)構(gòu)的要求，降低成本及機(jī)械結(jié)構(gòu)制作難度。
[0032]之所以定義并應(yīng)用“寬靜態(tài)”組合式高精度靜態(tài)PID的方法來去矯正另一套如本文所述的機(jī)床的精度保障系統(tǒng)，三個(gè)PID控制環(huán)，簡(jiǎn)單的講即為一個(gè)靜態(tài)的高精度PID環(huán)去控制另外的動(dòng)態(tài)的低精度的PID環(huán)的技術(shù)。實(shí)質(zhì)上就是用一個(gè)高精度的尺子去校準(zhǔn)和標(biāo)定一個(gè)低精度的尺子而讓目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)即加工參數(shù)的精度達(dá)到極高的指標(biāo)。高精度靜態(tài)PID的系數(shù)之所以可以達(dá)到超高精度，這是因?yàn)?，此種PID校正系數(shù)的獲得可以利用在til?ti2這樣一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)，并利用起始點(diǎn)和終點(diǎn)的絕對(duì)位置，如利用激光“狹縫光”，即采用幾何尺寸/波長(zhǎng)極小的激光并利用單頻激光或者雙頻激光干涉方法，或電容式、顯微數(shù)碼等高精密位置定位儀，即超高精度的絕對(duì)位置數(shù)值獲得技術(shù)手段，并利用絕對(duì)編碼技術(shù)/算法以及增量編碼技術(shù)/算法獲得的單點(diǎn)數(shù)據(jù)/或多組數(shù)據(jù)的加權(quán)均值，來推算出高精度的絕對(duì)位置數(shù)據(jù)，相對(duì)位置數(shù)據(jù)或者絕對(duì)角度數(shù)據(jù)，并與PID系統(tǒng)的設(shè)置的初始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并根據(jù)PID的算法推算出新的PID的校正系數(shù)或標(biāo)定系數(shù)，前面所述獲得的反饋回來的這個(gè)校正系數(shù)是由于在t i I?t i 2是在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)的值，由此獲得PID值是由于在較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)也即在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)較長(zhǎng)的距離并進(jìn)行一系列的微分、積分、導(dǎo)數(shù)/偏導(dǎo)數(shù)、甚至于高階微分、柯西中值定理運(yùn)算后，這樣獲得的最終結(jié)果數(shù)值即為PID校正系數(shù)值，眾所周知在一個(gè)較長(zhǎng)距離的進(jìn)行一系列的微分求導(dǎo)數(shù)其精度是非常高的并且是穩(wěn)定的、一致性相當(dāng)好的，并且此參數(shù)值可再現(xiàn)性極好，如磨床上的轉(zhuǎn)盤在做圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)候當(dāng)轉(zhuǎn)盤初次掃過til?ti2段的距離/角度sil?si2時(shí)候，并結(jié)合溫濕度的漂移補(bǔ)償技術(shù)、振動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)、外界電磁場(chǎng)干擾補(bǔ)償技術(shù)，使得轉(zhuǎn)盤每次掃過這一段距離即sil?si2系統(tǒng)會(huì)測(cè)控并計(jì)算出，從而獲得與上一次比較而獲得一個(gè)完全一樣并且是極高的PID校正系數(shù)，即又實(shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)的PID控制系數(shù)的可再現(xiàn)性，總結(jié)歸納即為本靜態(tài)高精度的PID系數(shù)產(chǎn)生控制系統(tǒng)實(shí)際上是利用了，以高等數(shù)學(xué)為算法并且在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間域即距離差域/角度差域來從微觀角度極限角度去分析和實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的微小的參數(shù)變化及控制，并對(duì)最終的結(jié)果以微小的角度利用拉氏中值定理及多階常微分等數(shù)學(xué)分析手段來去無限趨近一個(gè)極高的加工精度或等于，從數(shù)學(xué)分析角度來看，即從極限值角度及其他的均衡取平均值的數(shù)學(xué)手段或技術(shù)手段分析一個(gè)較長(zhǎng)的數(shù)值域即解析結(jié)果，其精度和穩(wěn)定性肯定而且必須要比一個(gè)較短的時(shí)間域要高的多，現(xiàn)有的機(jī)床系統(tǒng)其PID控制環(huán)，它們所獲得的PID校正系數(shù)都屬于動(dòng)態(tài)的，并有累計(jì)誤差，屬于在時(shí)間域/空間位置域極小的一個(gè)范圍內(nèi)測(cè)量并運(yùn)算獲得的，由以上論證可知此PID校正系數(shù)會(huì)精度低及可控制靠性差，如果機(jī)床單純依賴于此PID控制環(huán)去控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度、加工精度，可預(yù)料到最終的加工精度不會(huì)太高。這進(jìn)一步證明了，利用本技術(shù)方案一靜態(tài)高精密PID校正系數(shù)控制的超高精密機(jī)床系統(tǒng)，可以讓超高精密機(jī)床系統(tǒng)加工出來的零配件精度達(dá)到± 1〃、土 Ιμπι甚至0.05um、0.05〃的超高精度，并且實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，且讓加工出來的工件做到一致性非常好，且極大地降低了對(duì)機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)及材料方面的甚至于機(jī)械加工工藝上的要求或技術(shù)參數(shù)，也降低了成本。
[0033]超高精密機(jī)床及車床應(yīng)用牽涉以下技術(shù)理論，機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械/復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)與把控(速度、加速度、回轉(zhuǎn)、回差、剛度、熱脹冷縮、振動(dòng)、形變等參數(shù)，溫度補(bǔ)償濕度補(bǔ)償、振動(dòng)控制、中心線/中心值的在積分微分以及復(fù)變微積分/多重的指引下的復(fù)雜多軸及精密的進(jìn)給及運(yùn)動(dòng)的精密機(jī)床加工，無限逼近無限趨近，微米級(jí)、納米級(jí))，并與復(fù)變函數(shù)，微積分，線性代數(shù)，F(xiàn)FT,FAT，高數(shù)及工程技術(shù)，物理細(xì)分原理，自然科學(xué)之間的建模，聯(lián)系，互譯與軟件平臺(tái)/中間件/固件/封裝庫(kù)結(jié)合及一些常規(guī)算法/遺傳算法/進(jìn)化算法/軟件自身學(xué)習(xí)算法優(yōu)化算法，仿真，一起構(gòu)成最穩(wěn)定的、最優(yōu)化的、最高性價(jià)比的且重復(fù)實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)的軟硬件系統(tǒng)或產(chǎn)品。
[0034]總之，本在線標(biāo)定的超高精度的機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)利用控制學(xué)與反饋校正、補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)，并在高等數(shù)學(xué)的框架下，又利用了電子學(xué)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真學(xué)、力學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、PID、FFT、FIR等的一整套方法及技術(shù)做出的高新技術(shù)產(chǎn)品。
[0035]申請(qǐng)實(shí)施例只是用于說明本申請(qǐng)所公開的技術(shù)特征，本領(lǐng)域技術(shù)人員通過簡(jiǎn)單的替換所進(jìn)行的改變，仍然屬于本申請(qǐng)所保護(hù)的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于PID在線標(biāo)定機(jī)床的超高精密伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于:以另外的超高精度三維定位儀，在線安裝在機(jī)床上，并由此三維定位儀所測(cè)得的絕對(duì)位置參數(shù)與當(dāng)前設(shè)置的位置參數(shù)比較，計(jì)算獲得至少原伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的三個(gè)PID校正系數(shù)，然后輸出至機(jī)床各電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，用于各電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PID系數(shù)校正，并得到校正后的PID值，由校正后的PID值控制各電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)，并對(duì)各電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制及啟停，實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工零配件精度達(dá)到超高精度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PID在線標(biāo)定機(jī)床的超高精密伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于:所述計(jì)算獲得至少原伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的三個(gè)PID校正系數(shù)是指:在原伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，從積分I在一定時(shí)域內(nèi)細(xì)化讓運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定精確，在微分D對(duì)細(xì)微的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定解及特解運(yùn)算，使系統(tǒng)無限趨近一個(gè)目標(biāo)參數(shù)，系統(tǒng)在SVPffM的精密矢量磁通環(huán)境下執(zhí)行微細(xì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在終端末端的無限趨近或等于但不超越的精密微細(xì)運(yùn)動(dòng)，利用長(zhǎng)時(shí)間段的高精度靜態(tài)PID來矯正原有PID系數(shù)，而后得到PID校正系數(shù)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PID在線標(biāo)定機(jī)床的超高精密伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于:所述伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括依次連接的數(shù)據(jù)輸入單元、控制單元、驅(qū)動(dòng)單元、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行部件，所述控制單元包括運(yùn)算控制器、系統(tǒng)位置控制器、速度控制器、SVPWM功率驅(qū)動(dòng)控制器，通過數(shù)字控制，系統(tǒng)位置控制器、速度控制器、SVPffM功率驅(qū)動(dòng)控制器的控制策略和算法均在運(yùn)算控制器中實(shí)現(xiàn)，通過數(shù)據(jù)輸入單元先輸入原始基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后通過SVPffM功率驅(qū)動(dòng)控制器基于三相空間矢量電流SVPWM，以PARK或CLEAK算法產(chǎn)生近似圓形的旋轉(zhuǎn)磁通矢量電流給驅(qū)動(dòng)單元的電機(jī)，電機(jī)產(chǎn)生近似圓形的旋轉(zhuǎn)磁通以使電機(jī)按照預(yù)設(shè)的空間轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)由各種位置編碼器測(cè)得位置數(shù)據(jù)與原設(shè)置數(shù)據(jù)比較后由三個(gè)PID控制環(huán)生成矯正的PID系數(shù)，再給整個(gè)的SVPWM的電機(jī)三相驅(qū)動(dòng)電路以生成新的經(jīng)過校正的三相空間矢量SVPffM驅(qū)動(dòng)電流，新的三相矢量驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)精準(zhǔn)穩(wěn)定地運(yùn)動(dòng)或加工目標(biāo)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于PID在線標(biāo)定機(jī)床的超高精密伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于:所述伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還包括位置傳感器和速度傳感器，將位置傳感器、速度傳感器安裝在伺服運(yùn)動(dòng)鏈上的不同位置，形成全閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制，由上位機(jī)設(shè)置驅(qū)動(dòng)單元的位置目標(biāo)值給控制單元，控制單元結(jié)合上位機(jī)發(fā)來的SVPWM的設(shè)置的三相交流矢量實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)電流值并與本單元的設(shè)置值運(yùn)算結(jié)合后產(chǎn)生的新的設(shè)置值，同時(shí)驅(qū)動(dòng)單元的輸出SVPWM信號(hào)另一分支信號(hào)給位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的三個(gè)PID控制系統(tǒng)作為PID的基礎(chǔ)比較初值，同時(shí)由各傳感器檢測(cè)反饋回的當(dāng)前位置、速度和電流的參數(shù)值分別輸入至驅(qū)動(dòng)單元，然后分別與上述各基礎(chǔ)參數(shù)值按照PID的算法生成實(shí)時(shí)PID校正系數(shù)去產(chǎn)生新的對(duì)應(yīng)三種控制的實(shí)時(shí)基礎(chǔ)參數(shù)值，再給驅(qū)動(dòng)單元以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)或加工達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PID在線標(biāo)定機(jī)床的超高精密伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于:所述另外的超高精度三維定位儀的發(fā)射裝置和接收裝置分別裝在機(jī)床的固定機(jī)床床身和轉(zhuǎn)動(dòng)體上，由另外的超高精度三維定位儀測(cè)量絕對(duì)位置，消除傳動(dòng)誤差，并和原系統(tǒng)的PID控制環(huán)形成了一個(gè)校正系統(tǒng)，形成以一個(gè)靜態(tài)的高精度在線校正儀校正低于其精度的原動(dòng)態(tài)PID運(yùn)動(dòng)加工系統(tǒng)，從而控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)精度和加工精度。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于PID在線標(biāo)定機(jī)床的超高精密伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于:所述超高精度三維定位儀為顯微攝影三維激光標(biāo)定儀，電機(jī)為三相永磁同步電機(jī)、三相交流伺服電機(jī)，基于SVPffM算法的矢量電流形成包圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、啟停、阻尼、轉(zhuǎn)矩、速度，結(jié)合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)行超高精密的運(yùn)動(dòng)及加工控制，最終實(shí)現(xiàn)超高精密機(jī)床系統(tǒng)加工出來的零配件精度達(dá)到± I?0.05um的超高精度。
【文檔編號(hào)】G05B19/19GK105824290SQ201610279878
【公開日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年4月28日
【發(fā)明人】葉志剛
【申請(qǐng)人】葉志剛