高精密工作台伺服驱动环节的设计与研究

摘要：研究并设计了应用于母盘刻录机的高精密工作台伺服驱动环节。在基于DSP数字闭环控制器的基础上，通过理论建模、程序仿真和实验验证，对驱动环节进行了优化设计。在驱动环节中采用了模拟速度环、PI校正环节和线性功放，使工作台在低速下有较快的响应和较小的稳态误差。实验结果表明，使用驱动环节后的伺服控制系统有利于提高母盘的刻录精度。

    关键词：母盘刻录 精密工作台 驱动环节 速度环 PI校正

随着社会的发展，信息的存储量越来越大，光盘信息存储技术也在不断飞速发展，因而对母盘制造精度提出了更高的要求。
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    目前，光盘国家工程研究中心利用高速数字信号处理器（ＤＳＰ），采用数字闭环控制原理和传统伺服电机驱动方式，实现了高精度工作台的连续大行程运动。其微位移定位精度为±５０ｎｍ，宏位移定位精度优于±１５０ｎｍ，可以满足母盘刻录直线进给工作台的连续变速和±５０ｎｍ控制精度的要求。

在此基础上，本文研究并设计了工作台的模拟驱动环节，以提高控制系统低速响应的稳定性和快速性。

１ 系统总体结构

母盘刻录系统直线进给工作台的底座固定在隔振大理石台上，底座上安装了带高精度滚珠的Ｖ型槽作为运动导轨。工作台经蜗轮蜗杆和小螺距精密丝杠两级减速，通过直流伺服电机进行驱动。

母盘刻录系统采用恒线速刻录方式，聚焦光斑相对于母盘的理想运动是沿着以母盘圆心为中心的等线距阿基米德螺旋线以恒定线速度由内向外运动的，该运动由母盘的高速转动和刻录光学头的径向直线进给合成得到。

    该精密工作台用于母盘刻录的正常工作速度约为３０μｍ／ｓ，采用上述大减速比的机械传动系统不可避免地存在传动误差。因此要实现精密定位，必须采用全闭环控制系统，直接检测工作台位置并针对位置误差进行伺服控制。工作台的控制系统总体结构如图１所示。

２ 模拟驱动环节的建模

２．１ 直流电机模型

工作台驱动电机采用上海电机厂生产的直流力矩测速电机组４５Ｌ－ＣＺ００１。

若忽略电枢电感和粘性阻尼系数，则以电枢电压Ｕａ（s)为输入、转速Ω(ｓ)为输出的直流电机的传递函数为：

Ｆ（ｓ)＝Ω(ｓ)/Ua(s)＝(1/Ke)/[(Tms+1)(Tes+1)]≈(1/Ke)/Tms+1

其中，Ｋｅ为电动机反电动势系数，其单位为Ｖ·ｓ；Ｔｍ为电机的机械时间常数；Ｔｅ为电机的电气时间常数，其值很小可忽略，因此直流电机可以被简化为一阶系统。

图5 实际PI校正环节

    电机机械时间常数的测定可以通过给电机加一个７Ｖ阶跃电压，然后用示波器测定响应到达稳定值０．６３２时所用的时间而近似得到，如图２所示。得机械时间常数Ｔｍ＝０．０６ｓ。

开环情况下，输入电压经过线性功放后直接驱动电机，用转速表ＨＴ－３３１测量对应转速，可以得到放大倍数。测得的数据列于表１中。

表1 测得的数据表

电压/V 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 转速/rpm 0 70 302

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