CN102176139A - 一种多轴同步运行控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多轴同步运行控制系统，属于几何量计量技术领域。包括光电角度编码器信号处理电路、限位零位信号接收电路、数字信号处理器、USB通信接口电路、控制输出继电器和控制输出电路，其外围设备为多轴支撑的一维变姿态精密运动平台。本发明的一种多轴同步运动控制系统，通过与一维变姿态精密运动平台配合，实现了工作台的高精度、大范围运行，并能够根据指令调整工作台的空间姿态，使运动平台具有几十毫米的平动范围、纳米级的运动分辨率、并具有空间滚动姿态调整功能，具备秒级的姿态调整精度；本发明可以控制一维变姿态精密运动平台恢复到一个事先设定的“零姿态”；解决了上电过程中控制输出电路的输出失控问题。

Description

一种多轴同步运行控制系统

技术领域

本发明涉及一种多轴同步运行控制系统，具体涉及一种可以应用于一维纳米级精度变姿态精密运动平台的精密运动控制系统，属于几何量计量技术领域。

背景技术

目前，应用于纳米级精密测量的仪器，其测量范围普遍很小。这就要求对被测对象进行精确安装，并对样品的安装姿态进行一定范围的调整。

现有普遍使用的一维精密运动平台，有的虽然能实现大行程，但只能达到几个微米的定位精度，如滚珠导轨平台；有的虽然可以实现纳米级的定位精度，但只有几十个微米的行程，如压电陶瓷微位移运动平台。这些平台都很难同时满足样品的方便安装和样品姿态的精密调整。

为了实现精密运动平台运动行程、定位精度、姿态调整的有机结合，目前出现了一种由四个精密滚珠丝杠支撑的一维变姿态运动平台，通过协调四个丝杠的旋转，可以实现平台的平动和姿态调整。要使四个丝杠协调运动，当前普遍采用的是PMAC运动控制卡等商业化多轴运动控制器。但这些多轴运动控制系统存在以下缺点：

1.内置的运动控制算法比较适合于稳定平稳运行的系统，在需要进行微动的场合容易造成各个轴的不同步，即所谓的电机低速爬行现象；

2.多个运动轴能够跟随一个轴随动，但这样以来，被跟随轴的误差也会叠加到其他轴上去，造成实际运动效果与期望效果偏差较大；

3.在开环控制模式下，运动误差较大；在闭环控制模式下，不能稳定停在一个位置，而是反复的调整，不利于平台的稳定，而两种控制模式的切换，经常会造成运动台的抖动；

4.无法控制变姿态平台恢复到一个事先设定的“零姿态”。“零姿态”是在变姿态平台安装调试过程中，通过各种先进仪器测量得到的、被认为是最佳的平台姿态。平台的所有平动动作、姿态调整动作都是在这个“零姿态”基础上进行的，测量开始和结束后运动台需要恢复这一姿态；

5.无法控制系统上电过程中的输出状态。在控制系统上电过程中，输出电路部分处于失控状态，往往会由于意外干扰造成外围驱动器的误动作，不利于平台的稳定。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，解决大范围、可变姿态运行的运动平台的运动控制问题，提出一种多轴同步运行控制系统。本发明通过与多轴支撑的精密运动平台配合，使其既能控制运动平台平稳、低速、高精度平动，又能实现平台的小范围姿态调整，能够实现纳米级变姿态精密运动平台的大范围精密平动以及小范围姿态调整。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种多轴同步运行控制系统，包括光电角度编码器信号处理电路、限位零位信号接收电路、数字信号处理器、USB通信接口电路和控制输出电路，其外围设备即控制对象为多轴支撑的一维变姿态精密运动平台；

多轴支撑的一维变姿态精密运动平台为圆形结构，由支撑框、运动台和多个旋转轴组成，支撑框用于支撑整个运动平台，为圆形，多个旋转轴均匀分布于支撑框圆周上，旋转轴相互配合，共同推动运动台做上下平动或空间转动。每个旋转轴均为丝杠结构，带有电机、螺母、光电角度编码器、零位信号传感器和限位信号传感器。由电机带动旋转轴旋转，从而推动旋转轴上的螺母上下运动；光电角度编码器用于检测旋转轴的运动情况，其输出信号为正交正弦信号，可以解调出角度信息，并有零位脉冲作为旋转轴旋转方向的零位；旋转轴下端的零位信号传感器和上端限位信号传感器位于对应旋转轴的两端，分别对应该旋转轴的零位和最大行程的位置，用于保护整个运动平台；

光电角度编码器信号处理电路由信号放大电路、正交正弦信号细分电路和计数逻辑电路组成，光电角度编码器信号处理电路接收运动平台每个旋转轴所带的光电角度编码器输出的正交正弦信号，由信号放大电路进行放大，并经正交正弦信号细分电路进行解调后，由计数逻辑电路得出其中的角度信息，并将角度信息转换为数字信号送入数字信号处理器；

限位零位信号接收电路采集运动平台上每个旋转轴两端的限位信号传感器信号、零位信号传感器信号和光电角度编码器输出的零位信号，并将得到的信号发送到数字信号处理器；

数字信号处理器通过USB通信接口电路和USB通信电缆与上位机进行通信，接收上位机的控制指令，并将当前全部运行信息反馈给上位机；

数字信号处理器利用得到的角度信息和位置信息，根据从上位机接收到的控制指令计算出当前控制量，并将该控制量转换为模拟控制量，将模拟控制量经控制输出电路驱动运动平台每个旋转轴的电机进行转动，带动对应旋转轴旋转，从而通过对应螺母的升降运动来控制运动平台上运动台的姿态；运动平台上每个旋转轴的旋转又会对应旋转轴上的光电角度编码器的信号变化，构成一个闭环运动控制系统；

上述输出控制电路的核心部件为输出控制继电器，其中控制输出继电器控制端由数字信号处理器控制，公共输出端与电机驱动器的控制输入端相连，常开触点连接模拟控制信号输出端，常闭触点被一个电阻拉成零电平；系统上电过程中，数字信号处理器控制继电器的控制端无效，继电器不动作，电机驱动器的控制端为零，电机也不会动作；上电过程完成后，由数字信号处理器控制继电器的常开触点闭合，电机运动受数字信号处理器控制，进入工作状态；

上述数字信号处理器的工作流程为：

1)数字信号处理器接收到上位机的运动控制指令后，首先根据控制指令计算得出运动平台上每个旋转轴应实现的理想运动过程，也即对应每个控制周期内旋转轴的光电角度编码器应输出一个理想角度值；

2)数字信号处理器通过光电角度编码器信号处理电路接收运动平台每个旋转轴上光电角度编码器输出的正弦角度信号，解调出其中的角度信息，该角度信息与步骤1)中当前控制周期的每个旋转轴的理想角度值相比较，得到当前轴位置与理想位置的偏差，利用PID调节算法，得到当前控制周期内对每个旋转轴的控制量，并根据该控制量来控制对应电机进行相应的运动；

3)重复步骤2)，直到运动台按照控制指令完成相应的运动动作，到达上位机的控制指令所要求的理想位置；

4)数字信号处理器控制电机实现自锁，也即禁止电机运动，将运动台锁定在指定位置。

有益效果

本发明的一种多轴同步运动控制系统，通过与一维变姿态精密运动平台配合，实现了运动台的高精度、大范围运行，并能够根据指令调整运动台的姿态，使运动平台具有几十毫米的平动范围、纳米级的运动分辨率、空间滚动姿态调整功能，并具备秒级的姿态调整精度；本发明可以控制变姿态平台恢复到一个事先设定的“零姿态”；解决了上电过程中控制输出电路的输出失控问题。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明的实施例中四轴支撑的精密运动平台正视图；

图2中，1、17为电机，2、16为零位信号传感器，3、7、15为螺母，4、8、14为旋转轴的丝杠，5、13为限位信号传感器，6、9、12为光电角度编码器，10为运动台，11为支撑框；

图3为本发明的实施例中四轴支撑的精密运动平台俯视图；

图3中，18为旋转轴1，19为旋转轴2，20为旋转轴3，21为旋转轴4；

图4为本发明的实施例中四轴支撑的精密运动平台实物图；

图5为本发明光电角度编码器信号处理电路结构框图；

图6为本发明的输出控制继电器连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

一种多轴同步运行控制系统，其结构如图1所示，包括光电角度编码器信号处理电路、限位零位信号接收电路、数字信号处理器、USB通信接口电路、控制输出继电器和控制输出电路。

实施例

将上述多轴同步运行控制系统用于控制一个四轴支撑的精密运动平台，该精密运动平台为圆形结构，其俯视图、正视图和实物图分别如图2、图3和图4所示，由支撑框、运动台和四个旋转轴组成，支撑框用于支撑整个运动平台，四个旋转轴均匀分布于支撑框的圆周上，四个旋转轴上的螺母共同支撑运动台；每个旋转轴均带有电机、螺母、光电角度编码器、丝杠、零位信号传感器和限位信号传感器；由电机带动旋转轴旋转，旋转轴在旋转过程中通过丝杠带动螺母沿轴线平动，四个螺母的协调运动可以实现运动台的平动和姿态变化；每个旋转轴的零位信号传感器和限位信号传感器位于对应旋转轴的两端，分别对应该旋转轴的零位和最大行程的位置；每个旋转轴的光电角度编码器的输出信号为正交正弦角度信号，并且能输出编码器零位信号，对应每个旋转轴在转动方向的零位；

光电角度编码器信号处理电路如图5所示，由信号放大电路、正交正弦信号细分电路和计数逻辑电路组成，光电角度编码器信号处理电路接收运动平台每个旋转轴所带的光电角度编码器输出的正交正弦角度信号，由信号放大电路进行放大，并经正交正弦信号细分电路进行64倍电子细分，由计数逻辑电路得出其中的角度信息，并将该角度信息转换为数字信号送入数字信号处理器；

限位零位信号接收电路采集运动平台上每个旋转轴两端的限位信号传感器信号、零位信号传感器信号和光电角度编码器输出的零位信号，用于监测及恢复运动台的工作姿态，并将得到的信号发送到数字信号处理器；运动轴两端的限位、零位传感器的定位精度为10个微米，其与光电角度编码器的零位信号配合，可以达到亚微米级的定位精度。

数字信号处理器通过USB通信接口电路和USB通信电缆与上位机进行通信，接收上位机的控制指令，并将当前全部运行信息反馈给上位机；

数字信号处理器利用得到的角度信息和位置信息，根据从上位机接收到的控制指令计算出当前控制量，并根据该控制量来驱动运动平台每个旋转轴的电机进行转动，带动对应旋转轴旋转，从而通过对应螺母的运动来控制运动平台上运动台的运动姿态；运动平台上每个旋转轴的旋转又导致对应旋转轴上的光电角度编码器的信号变化，从而构成一个闭环运动控制系统；

控制输出电路采用控制输出继电器的方式，如图6所示，控制输出继电器控制端由数字信号处理器控制，公共输出端与电机驱动器的控制输入端相连，常开触点连接模拟控制信号输出端，常闭触点被一个电阻拉成零电平；系统上电过程中，数字信号处理器控制继电器的控制端无效，继电器不动作，电机驱动器的控制端为零，电机也不会动作；上电过程完成后，由数字信号处理器控制继电器的常开触点闭合，电机运动受数字信号处理器控制，进入工作状态；

上述数字信号处理器的工作流程为：

1)数字信号处理器接收到上位机的运动控制指令后，首先根据控制指令计算得出运动平台上每个旋转轴应实现的理想运动过程，也即对应每个控制周期内旋转轴的光电角度编码器应输出一个理想角度值；

2)数字信号处理器通过光电角度编码器信号处理电路接收运动平台每个旋转轴上光电角度编码器输出的正弦角度信号，解调出其中的角度信息，该角度信息与步骤1)中当前控制周期的每个旋转轴的理想角度值相比较，得到当前轴位置与理想位置的偏差，利用PID调节算法，得到当前控制周期内对每个旋转轴的控制量，并根据该控制量来控制对应电机进行相应的运动；

3)重复步骤2)，直到运动台按照控制指令完成相应的运动动作，到达上位机的控制指令所要求的理想位置；

4)数字信号处理器控制电机实现自锁，也即禁止电机运动，将运动台锁定在指定位置。

本实施例中，四轴支撑的一维变姿态精密运动平台的四个旋转轴依次分别定义为旋转轴1、旋转轴2、旋转轴3和旋转轴4，光电角度编码器采用增量式光电角度编码器，由于增量式光电角度编码器的特点，控制系统无法得到当前绝对位置的信息，即无法得到旋转轴的当前位置，而只能得到相对某一点的变化量；因此需要精密运动平台在上电后首先恢复到某一事先确定的状态，其后的所有运动都是相对这一状态进行的。本实施例的被控对象是一台一维变姿态精密运动平台，其即能平动，也能转动，精密运动平台的初始状态包括零位置和“零姿态”，零位置是精密运动平台平动的起点，“零姿态”是精密运动平台转动的起点。精密运动平台返回零位置的过程相对简单，只要在保持当前姿态前提下搜索固定在旋转轴上的零位信号传感器即可。“零姿态”的搜索要复杂一些；零位信号传感器的定位精度比较差，无法作为零姿态的参考点，多轴同步运行控制系统使用光电角度编码器的零位信号作为“零姿态”的参考点，其定位精度可以达到亚微米级。由于安装工艺的限制，没办法使所有光电角度编码器的零位信号同时对齐，因此在调整完精密运动平台后，通过试验得到各个角度编码器零位的相对位置关系，将其固化在控制系统中，搜索“零姿态”时，就以这些相对位置关系作为搜索的依据。以旋转轴1作为基准轴，搜索精密运动平台的零位和“零姿态”的过程如下：

1)保持精密运动平台的当前状态，控制精密运动平台向下平动，直到触发基准轴也即旋转轴1上的零位信号，该位置为精密运动平台的零位；

2)继续保持当前姿态，向下搜索，直到触发旋转轴1上光电角度编码器的零位信号；

3)按照预先通过实验方法得到的旋转轴2上光电角度编码器的零位信号与旋转轴1上光电角度编码器的零位信号的偏差运行精密运动平台，其间如果触发旋转轴2光电角度编码器的零位信号，则停止旋转轴2运行；否则，在其他轴到达指定位置后，在精密运动平台允许的范围内单独运行旋转轴2，上下搜索旋转轴2角度编码器的零位信号；完成后，即得到旋转轴1和旋转轴2的相对位置；

4)按照预先通过实验方法得到的旋转轴3编码器零位与旋转轴2编码器零位的偏差运行精密运动平台，其间如果触发旋转轴3光电角度编码器的零位信号，则停止旋转轴3运行；否则，在其他轴到达指定位置后，在精密运动平台允许的范围内单独运行旋转轴3，上下搜索旋转轴3角度编码器的零位信号；完成后，即得到旋转轴1、旋转轴2和旋转轴3的相对位置；

5)按照预先通过实验方法得到的旋转轴4编码器零位与旋转轴3编码器零位的偏差运行精密运动平台，其间如果触发旋转轴4光电角度编码器的零位信号，则停止旋转轴4运行；否则，在其他轴到达指定位置后，在精密运动平台允许的范围内单独运行旋转轴4，上下搜索旋转轴4角度编码器的零位信号；完成后，即得到旋转轴1、旋转轴2、旋转轴3和旋转轴4的相对位置，完成运动台“零姿态”的搜索。

本实施例实现了15mm运动范围内0.4μm的定位精度和1″的姿态调整精度。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种多轴同步运行控制系统，其外围设备即控制对象为多轴支撑的一维变姿态精密运动平台，多轴支撑的一维变姿态精密运动平台为圆形结构，由支撑框、运动台和多个旋转轴组成，支撑框用于支撑整个运动平台，为圆形，多个旋转轴均匀分布于支撑框圆周上，旋转轴相互配合，共同推动运动台做上下平动或空间转动；每个旋转轴均为丝杠结构，带有电机、螺母、光电角度编码器、零位信号传感器和限位信号传感器。由电机带动旋转轴旋转，从而推动旋转轴上的螺母上下运动；光电角度编码器用于检测旋转轴的运动情况，其输出信号为正交正弦信号，可以解调出角度信息，并有零位脉冲作为旋转轴旋转方向的零位；旋转轴下端的零位信号传感器和上端限位信号传感器位于对应旋转轴的两端，分别对应该旋转轴的零位和最大行程的位置，用于保护整个运动平台；

一种多轴同步运行控制系统，其特征在于：包括光电角度编码器信号处理电路、限位零位信号接收电路、数字信号处理器、USB通信接口电路和控制输出电路；

光电角度编码器信号处理电路由信号放大电路、正交信号细分电路和计数逻辑电路组成，光电角度编码器信号处理电路接收运动平台每个旋转轴所带的光电角度编码器输出的正交正弦信号，由信号放大电路进行放大，并经正交信号细分电路进行解调后，由计数逻辑电路得出其中的角度信息，并将角度信息转换为数字信号送入数字信号处理器；

限位零位信号接收电路采集运动平台上每个旋转轴两端的限位信号传感器信号、零位信号传感器信号和光电角度编码器输出的零位信号，并将得到的信号发送到数字信号处理器；

数字信号处理器通过USB通信接口电路和USB通信电缆与上位机进行通信，接收上位机的控制指令，并将当前全部运行信息反馈给上位机；

数字信号处理器利用得到的角度信息和位置信息，根据从上位机接收到的控制指令计算出当前控制量，并将该控制量转换为模拟控制量，将模拟控制量经控制输出电路驱动运动平台每个旋转轴的电机进行转动，带动对应旋转轴旋转，从而通过对应螺母的升降运动来控制运动平台上运动台的姿态；运动平台上每个旋转轴的旋转又会对应旋转轴上的光电角度编码器的信号变化，构成一个闭环运动控制系统；

上述输出控制电路的核心部件为输出控制继电器，其中控制输出继电器控制端由数字信号处理器控制，公共输出端与电机驱动器的控制输入端相连，常开触点连接模拟控制信号输出端，常闭触点被一个电阻拉成零电平；系统上电过程中，数字信号处理器控制继电器的控制端无效，继电器不动作，电机驱动器的控制端为零，电机也不会动作；上电过程完成后，由数字信号处理器控制继电器的常开触点闭合，电机运动受数字信号处理器控制，进入工作状态；

上述数字信号处理器的工作流程为：

1)数字信号处理器接收到上位机的运动控制指令后，首先根据控制指令计算得出运动平台上每个旋转轴应实现的理想运动过程，也即对应每个控制周期内旋转轴的光电角度编码器应输出一个理想角度值；

2)数字信号处理器通过光电角度编码器信号处理电路接收运动平台每个旋转轴上光电角度编码器输出的正弦角度信号，解调出其中的角度信息，该角度信息与步骤1)中当前控制周期的每个旋转轴的理想角度值相比较，得到当前轴位置与理想位置的偏差，利用PID调节算法，得到当前控制周期内对每个旋转轴的控制量，并根据该控制量来控制对应电机进行相应的运动；

3)重复步骤2)，直到运动台按照控制指令完成相应的运动动作，到达上位机的控制指令所要求的理想位置；

4)数字信号处理器控制电机实现自锁，也即禁止电机运动，将运动台锁定在指定位置。

2.根据权利要求1所述的一种多轴同步运行控制系统，其特征在于：所述多轴支撑的精密运动平台为四轴支撑平台，其四个旋转轴依次分别定义为旋转轴1、旋转轴2、旋转轴3和旋转轴4，每个转动轴上的光电角度编码器均为增量式光电角度编码器，将精密运动平台平动的起点定义为零位置，精密运动平台转动的起点定义为“零姿态”，以旋转轴1作为基准轴，搜索精密运动平台的零位和“零姿态”的过程如下：

1)保持精密运动平台的当前状态，控制精密运动平台向下平动，直到触发基准轴也即旋转轴1上的零位信号，该位置为精密运动平台的零位；

2)继续保持当前姿态，向下搜索，直到触发旋转轴1上光电角度编码器的零位信号；

3)按照预先通过实验方法得到的旋转轴2上光电角度编码器的零位信号与旋转轴1上光电角度编码器的零位信号的偏差运行精密运动平台，其间如果触发旋转轴2光电角度编码器的零位信号，则停止旋转轴2运行；否则，在其他轴到达指定位置后，在精密运动平台允许的范围内单独运行旋转轴2，上下搜索旋转轴2角度编码器的零位信号；完成后，即得到旋转轴1和旋转轴2的相对位置；

4)按照预先通过实验方法得到的旋转轴3编码器零位与旋转轴2编码器零位的偏差运行精密运动平台，其间如果触发旋转轴3光电角度编码器的零位信号，则停止旋转轴3运行；否则，在其他轴到达指定位置后，在精密运动平台允许的范围内单独运行旋转轴3，上下搜索旋转轴3角度编码器的零位信号；完成后，即得到旋转轴1、旋转轴2和旋转轴3的相对位置；

5)按照预先通过实验方法得到的旋转轴4编码器零位与旋转轴3编码器零位的偏差运行精密运动平台，其间如果触发旋转轴4光电角度编码器的零位信号，则停止旋转轴4运行；否则，在其他轴到达指定位置后，在精密运动平台允许的范围内单独运行旋转轴4，上下搜索旋转轴4角度编码器的零位信号；完成后，即得到旋转轴1、旋转轴2、旋转轴3和旋转轴4的相对位置，完成运动台“零姿态”的搜索。

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