CN105824290B - 一种基于pid在线标定机床的超高精密伺服驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PID在线标定机床的超高精密伺服驱动系统，以另外的超高精度三维定位仪，在线安装在机床上，并由此三维定位仪所测得的绝对位置参数与当前设置的位置参数比较，计算获得至少原伺服驱动系统的三个PID校正系数，然后输出至机床各电机的伺服驱动系统，用于各电机的伺服驱动系统的PID系数校正，并得到校正后的PID值，由校正后的PID值控制各电机的伺服驱动，并对各电机进行运动控制及启停，实现机床加工零配件精度达到超高精度。本发明整体的机械运动精度、加工精度达到±1μm甚至±0.05um或更高的精度，并具有可再现性、可重复性、一致性。

Description

一种基于PID在线标定机床的超高精密伺服驱动系统

技术领域

本发明涉及一种机床的伺服驱动系统，尤其涉及一种基于PID在线标定机床的超高精密伺服驱动系统。

背景技术

现有高精密机床采用由基本机床结构、同步/异步直流的单相/三相永磁电机、SVPWM为核心的伺服驱动器、螺旋丝杆/各减速机构的微进系统、气浮传动系统、散热系统、温湿度补偿系统、抗干扰控制与补偿系统、执行机构来提高精度，还与机械结构的材料/结构与选型（如大理石机床身），传动与加工机械刚度、弹性系数、热胀冷缩系数，电机的特性等方面有关，且这方面现在已发展到了接近极限，从这方面来提高机床机床的加工精度至超高级别已经几乎是不可能了，唯有伺服驱动器依靠位置传感器、算法来提高至超高级别加工精度还有很大空间，而现有的伺服驱动器的整个驱动系统特别是三个PID自调节系统无论是动态精度还是累加精度，与当今需研发与生产的超高精密机床（当运动精度、加工精度±1μm 甚至±0.05um或更小的精度）相比较还是有很大的差距的。

发明内容

本发明的目的在于解决当前技术中存在的问题，提供一种基于PID在线标定机床的超高精密伺服驱动系统。

为达到上述目的，本发明所采用的技术手段是：一种基于PID在线标定机床的超高精密伺服驱动系统，以另外的超高精度三维定位仪，在线安装在机床上，并由此三维定位仪所测得的绝对位置参数与当前设置的位置参数比较，计算获得至少原伺服驱动系统的三个PID校正系数，然后输出至机床各电机的伺服驱动系统，用于各电机的伺服驱动系统的PID系数校正，并得到校正后的PID值，由校正后的PID值控制各电机的伺服驱动，并对各电机进行运动控制及启停，实现机床加工零配件精度达到超高精度。

进一步的，所述计算获得至少原伺服驱动系统的三个PID校正系数是指：在原伺服驱动系统，从积分I在一定时域内细化让运动稳定精确，在微分D对细微的运动进行定解及特解运算，使系统无限趋近一个目标参数，系统在SVPWM的精密矢量磁通环境下执行微细运动，实现在终端末端的无限趋近或等于但不超越的精密微细运动，利用长时间段的高精度静态PID来矫正原有PID系数，而后得到PID校正系数。

进一步的，所述伺服驱动系统包括依次连接的数据输入单元、控制单元、驱动单元、传动机构、执行部件，所述控制单元包括运算控制器、系统位置控制器、速度控制器、SVPWM功率驱动控制器，通过数字控制，系统位置控制器、速度控制器、SVPWM功率驱动控制器的控制策略和算法均在运算控制器中实现，通过数据输入单元先输入原始基础数据，然后通过SVPWM功率驱动控制器基于三相空间矢量电流SVPWM，以PARK或CLEAK算法产生近似圆形的旋转磁通矢量电流给驱动单元的电机，电机产生近似圆形的旋转磁通以使电机按照预设的空间转动，同时由各种位置编码器测得位置数据与原设置数据比较后由三个PID控制环生成矫正的PID系数，再给整个的SVPWM的电机三相驱动电路以生成新的经过校正的三相空间矢量SVPWM驱动电流，新的三相矢量驱动电流驱动电机精准稳定地运动或加工目标。

更进一步的，所述伺服驱动系统还包括位置传感器和速度传感器，将位置传感器、速度传感器安装在伺服运动链上的不同位置，形成全闭环控制和半闭环控制，由上位机设置驱动单元的位置目标值给控制单元，控制单元结合上位机发来的SVPWM的设置的三相交流矢量实时驱动电流值并与本单元的设置值运算结合后产生的新的设置值，同时驱动单元的输出SVPWM信号另一分支信号给位置环、速度环和电流环的三个PID控制系统作为PID的基础比较初值，同时由各传感器检测反馈回的当前位置、速度和电流的参数值分别输入至驱动单元，然后分别与上述各基础参数值按照PID的算法生成实时PID校正系数去产生新的对应三种控制的实时基础参数值，再给驱动单元以实现运动或加工达到预期目标。

进一步的，所述另外的超高精度三维定位仪的发射装置和接收装置分别装在机床的固定机床床身和转动体上，由另外的超高精度三维定位仪测量绝对位置，消除传动误差，并和原系统的PID控制环形成了一个校正系统，形成以一个静态的高精度在线校正仪校正低于其精度的原动态PID运动加工系统，从而控制电机实现机械运动精度和加工精度。

更进一步的，所述超高精度三维定位仪为显微摄影三维激光标定仪，电机为三相永磁同步电机、三相交流伺服电机，基于SVPWM算法的矢量电流形成包圆旋转磁场控制电机转动、启停、阻尼、转矩、速度，结合传动机构，进行超高精密的运动及加工控制，最终实现超高精密机床系统加工出来的零配件精度达到±1～0.05um的超高精度。

本发明的有益效果在于：将另外的超高精度三维定位仪发射或接收装置直接安装在机床转动体上，不再产生现有的机床光栅仪整体安装在运动体上带来的系统误差、累积误差，消除PID的基础设置参数与反馈参数的两个基准设置值和反馈值的误差，获得的PID实时修正值极准确，从而控制电机实现N多轴乃至于整体的机械运动精度、加工精度达到±1μm 甚至±0.05um或更高的精度，并具有可再现性、可重复性、一致性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

图1 本发明的结构框架示意图；

图2 本发明的驱动示意图；

图3 本发明的控制单元连接示意图。

具体实施方式

如图1、2、3所示的一种基于PID在线标定机床的超高精密伺服驱动系统，以另外的超高精度三维定位仪，充分发挥其超高的绝对位置的定位精度、超高的几何解析能力，在线安装在超高精度的伺服驱动器或机床系统上，并由此超高精度三维定位仪所测得的绝对位置参数与当前设置的位置参数比较，计算获得至少原伺服器的三个PID校正系数，然后输出至精密机床的各电机的伺服驱动系统，用于各电机的伺服系统的PID系数校正，并实现新的PID值，由各电机的PID控制伺服驱动，并对各电机的运动参数进行超高精密的运动控制及启停，最终实现超高精密机床系统加工出来的零配件精度达到超高精度，应用“宽静态”组合式高精度静态PID的方法来去矫正另一套如本文所述的机床的精度保障系统，三个PID控制环，简单的讲即为一个静态的高精度PID环去控制另外的动态的低精度的PID环的技术。实质上就是用一个高精度的尺子去校准和标定一个低精度的尺子而让目标的运动即加工参数的精度达到极高的指标。高精度静态PID的系数之所以可以达到超高精度，这是因为，此种PID校正系数的获得可以利用在ti1～ti2这样一个较长的时间段内，并利用起始点和终点的绝对位置，如利用激光“狭缝光”，即采用几何尺寸/ 波长极小的激光并利用单频激光或者双频激光干涉方法，或电容式、显微数码等高精密位置定位仪，即超高精度的绝对位置数值获得技术手段，并利用绝对编码技术/算法以及增量编码技术/算法获得的单点数据/或多组数据的加权均值、迭代求导数等，来推算出高精度的绝对位置数据，相对位置数据或者绝对角度数据，并与PID系统的设置的初始数据进行比较，并根据PID的算法推算出新的PID的校正系数或标定系数，前面所述获得的反馈回来的这个校正系数是由于在ti1～ti2是在一个较长的时间段内的值，由此获得PID值是由于在较长的时间段内也即在运动系统较长的距离并进行一系列的微分、积分、导数/偏导数、甚至于高阶微分、柯西中值定理运算后，这样获得的最终结果数值即为常规伺服器如三环新的超高精度的PID校正系数值，并输入与结合至原伺服器的各PID控制系统中并重新实现机械系统运动及加工的超高精度，尤其是运动或加工的接近末端的微小运动参数及加工的参数，利用基于解析几何、微分及积分常微分等数学模型的算法精细精密控制实现，并达到可再现性、可重复性、一致性。

当系统进行超高精密地运动或加工并无限趋近一个目标参数时，是不允许“过冲”的，即目标头“超限”，会造成被加工的零配件有瑕疵及报废的严重后果，而且会由于系统或目标头由于一直在做基于拉普拉斯的中值定理的框架下的微细小的趋近运动，会过冲时再返回做微细小的趋近运动，循环往复，最终在不停的找位置，表现在运动终端如磨床的转盘在不停地有抖动现象的故障，严重时会飞车。本方案从两方面解决，（1）原PID控制系统，多从积分I角度下功夫，细化与详细综合地在一定时域内让运动稳定、精确，在微分D方面对细微的运动进行定解及特解的运算与设计，以使系统无限趋近一个目标参数时，系统并结合SVPWM的算法即“包圆”精密矢量磁通的环境下实现微细运动尤其是趋近终端末端的无限趋近或等于但永远不超越的精密微细运动或加工的参数（超精密的位置或角度参数）。（2）应用上文所述较长时间段的“宽静态”组合式高精度静态PID的方法来去矫正（1）条所述的PID系数，并去控制精密的运动及加工。

实际上最顶层设备结构为所述超高精度三维定位仪，为如显微摄影三维激光标定仪。在线标定的一定实时性机床超高精密伺服驱动系统具体原理，伺服驱动器的重点是超高精度驱动如三相永磁同步电机、三相交流伺服电机等的基于SVPWM算法的矢量电流致使的“包圆”旋转磁场使电机转动、启停、阻尼功能及转矩、速度等控制的参与下，并最终结合减速系统、传动系统，进行超高精密的运动及加工控制，实现超高精密的参数及性能指标。

本方案的重点即是，以另一套的超高精度的三维定位仪，如显微摄影三维激光标定仪，在线安装在超高精度的伺服驱动器或机床系统上，系统并由本标定仪所测得的绝对位置参数与当前设置的位置参数比较并由软件计算，获得至少三个PID校正系数（此系数精度特别高），然后输出至精密机床的各电机的伺服驱动系统，并给各伺服系统如图编码器的PID系数用于校正用，并实现新的PID值，以实现由此各单元的运动电机的PID控制的伺服驱动，并对电机的运动参数进行超高精密的运动控制及启停，最终实现超高精密机床系统加工出来的零配件精度达到±1″、±1μm 甚至0.05um、0.05″的超高精度，并且可实现运动及加工的超高精度，达到可再现性、可重复性、一致性。

其次为所述常规伺服器系统，控制单元是整个系统的核心，包括系统位置控制器、速度控制器、SVPWM功率驱动控制器进行全数字化控制，伺服系统进入智能化阶段，其中DSP以其高速计算能力和特殊的硬件结构成为伺服控制系统中的主流处理器。通过数字控制，可以排除模拟电路的非线性误差、调整误差以及漂移等因素的影响，大大提高了伺服系统的性能。三个控制器的控制策略和算法均在DSP/FPGA 中以软件方式实现，提高了系统的灵活性，为复杂控制算法的运用奠定了基础，从而使控制性能进一步提高。

按照高精度的目的位置/各运行区域段、力矩、速度、加速度、各种惯性、矢量运动等的要求下产生转动或停止过程，并要运动平稳、可靠。并于高精密伺服器先输入原始基础数据，然后通过基于三相空间矢量电流SVPWM技术，以PARK或CLEAK算法产生近似圆形的旋转磁通矢量电流给三相直流电机，即三相电机产生近似圆形的旋转磁通以使电机按照预设的电机空间转动来转动。同时由各种位置编码器如激光光栅传感器测得位置数据与原设置数据比较后

由三个PID控制环生成矫正的PID系数，再给整个的SVPWM的电机三相驱动电路以生成新的经过校正的三相空间矢量SVPWM驱动电流，并在新的三相矢量功率电流驱动电机精准、稳定、可靠地运动或加工目标。

以常规的精密机床系（磨床）统拓扑图为例，结合本方案即基于PID在线标定机床的超高精密伺服驱动系统，详述其如何在线式地实时标定与控制其整个机床系统实现尤其是微小系统精细精密参数的控制。

在机床的伺服系统中，常常要求对执行机构的运动速度和位置、驱动电机的实时矢量电流加以精密控制控制，这往往归结为对驱动机械运动的交流伺服电机进行速度和位置、SVPWM电流环以如SVPWM的算法控制。根据位置和速度传感器安装在伺服运动链上的位置不同，可以分为全闭环控制和半闭环控制。

包括上位机界面软件单元设置伺服电机驱动的机构达到的位置目标值给控制单元值，再输入给控制装置单元、FPGA（位置环和速度环控制软件/硬件）单元，当然此嵌入式单元既可以结合上位机发来的如SVPWM的设置的三相交流矢量实时驱动电流值并与本单元的设置值运算结合后产生的新的设置值，当然也可以本单元在软件的控制下自行产生，再通过控制装置输出驱动机构并输出给伺服电机单元，以驱动电机精密的按照矢量电流形成的“包圆”旋转磁场作用下并按照规定的位置转动；同时驱动机构的输出SVPWM信号另一分支信号给位置环、速度环和电流环的三个PID控制系统（在FPGA（位置环和速度环控制软件/硬件）单元作为PID的基础设置比较初值，同时由各传感器单元检测反馈回的当前位置、速度和电流的参数值也分别输入至本单元，然后分别与上述各基础参数值按照PID的算法生成实时PID校正系数去产生新的对应三种控制的实时基础参数值再给驱动机构以实现较精密地将运动或加工达到预期目标，但是传统的私服系统即原PID控制的系统，如图3电机到齿轮、减速机、再到圆盘末端的传感器采集并反馈回的位置参数传动拓扑系统，实际上这样一个系统会由此会带来传动误差反馈回的位置参数具有误差且有累积误差，分别与上述各基础参数值按照PID的算法生成实时PID校正系数去产生新的对应三种控制的实时基础参数值（SET）就会有误差，即再给驱动机构以电机、传动系统致使的运动参数或加工参数（如位置参数、角度、曲面等几何参数）就会出现误差，致使加工的零配件出现加工误差，甚至使整个机械运动系统出现如“飞车”、失控的故障。

而本方案即一种基于PID在线标定伺服系统，其安装和测量结构是让整个激光标定仪的发射装置和接收装置分别装在超高精密机床的固定机床床身和转动体如转盘上，标定仪测量绝对位置时完全消除了传动误差，并且还和原系统的较精密位置PID控制环一起形成了一个校正系统，总结为整个系统属于高精密的在线校正参数系统去校正另一套原动态的PID稍微不精密的甚至于有累积误差的运动、加工系统，从而控制电机实现N多轴乃至于整体的机械运动精度、加工精度如±1″、±1μm 甚至±0.05um、±0.05″或更高的的精度。

之所以让三维校正仪的如高精密光栅仪，其光栅发射或接收直接安装在转动的圆盘上，让光栅接收部分或发射部分安装在机床支架上，这种做法是区别于之前精密机床的如光栅仪整个系统安装在运动体上如圆盘上并受电机的传动系统误差、累积误差影响下而形成的伺服系统整个的PID位置控制环等，之前的做法必然使在PID控制的实时控制参数必然使之运动参数及加工参数带来偏差及累积偏差，总之本方案引入了在线三维激光标定仪，并采取如上特殊的安装方式，能消除PID的基础设置参数与反馈参数的两个基准设置值和反馈值的误差，即经PID算法运算后获得的PID实时修正值即会极准确，从而控制电机实现N多轴乃至于整体的机械运动精度、加工精度如±1″、±1μm 甚至±0.05um、±0.05″或更高的的精度，并达到可再现性、可重复性、一致性。

结合PID算法、SVPWM、信号补偿等算法，实现各项功能和参数。主要模块为，三个PID控制环的实现与控制，初始化，SVPWM的信号产生，在线三维激光标定仪实现在线实时生成三个原系统PID控制环的系数与校正功能，消除温湿度、电磁干扰、振动干扰等的补偿算法软件实现单元、过流欠压检测控制等。

在接近目标的过程中，对伺服电机设置初始参数，伺服电机的三相正弦波功率驱动信号的产生为，采用脉冲调制或三角波调制矩形波PWM并调制用LC谐振电路生成正弦波。在接近过程中，时间为tm，在加工过程中，时间为tn，把这两个时间段分别细分为更小的时间段tmi段和tni段。先举例tmi段，在这个时间段，主要用两种高精度编码器定位传感，获得的数据和初始数据比较，获得的差值先由微处理器处理后存储下来。值得注意的是，我们采集的只是瞬时数据，需再测tmi时间段其他点的差值，再用PID技术进行相关的比例、微分和积分算法和处理过程（积分可让数据更加稳定平滑，微分可让数据更高效、细节展开“数据”）

采用DSP+FPGA组合的原因：由于整个数据采集以及运算过程数据量巨大，实时性比较强，而且是高速运动，交给FPGA运行，因此对于微处理器以及存储系统提出了很高的要求，DSP由于运算能力强，有些甚至可以达到一个机器周期3ns，而且数据包发给上位机进行实时处理或者在后台进行慢速详细的处理。

核心要求是三个闭环PID系数的最优化设计、SVPWM信号在矢量空间参数位置分布的最优化设计，以及“提前策略”的相关PID参数的最优化设计。

CPLD/FPGA和DSP一起构成了交流伺服系统的硬件平台。

CPLD/FPGA主要是承担实时性、反应速度快的功能单元环节，如本方案三相SVPWM信号的产生环节以及速度环PID、位置环PID、电流环PID的控制过程，DSP则负责基准信号漂移的矫正，整个运动系统控制的各单元的协调，与上位机的通信，承担一些数字滤波器的算法任务，如FIR、IIR还有一些FFT的算法。在本伺服器方案中，采用FPGA+DSP的组合方案方式，让其形成各自擅长的模块任务划分的分配格局，形成总的技术方案的框架。

由于矢量控制方法在实现时要进行复杂的坐标变换，运算量较大，并且需要准确的转子磁链以及电机的精确模型，因而对电机的参数依赖性大，难以保障完全解耦，使控制系统打折。新型高速微处理器、电机控制专用DSP以及大规模可编程逻辑器件构成的伺服系统控制单元将全面代替以模拟电子器件和分立器件为主的模拟控制单元，从而实现完全数字化的交流伺服系统。全数字化的突出优点是使控制系统软件化，即实现软件伺服，它具有极好的柔性功能，在相同的硬件情况下，通过改变软件就可以实现多种不同的控制功能，甚至不同种类的交流伺服电机能用相同的硬件通过不同的软件模块分别进行控制。

以一个极高的在线静态精度系统来校正本不太高的精度系统，即在线式一定实时标定/校正的超高精度的伺服驱动系统，即在5轴或更多轴的超精密机床系统上应用另一套PID控制的三维坐标定位仪（如高精密光栅将发射端或接收端装在机床固定架），另一接收端或发射端并装在某轴运动系上的末端（如高精密磨床X轴的转动动轴即圆盘上），此处再安装绝对位置精密光栅定位仪（参数0.05um、0.05″或更小的精度）/电容式绝位高精密定位仪或显微数码高精密定位仪（这两种高精密绝对位置定位仪只需将仪器探头安装在相对动轴的固定支架上）等，可以将此X轴设置运动一定栅格位置的值与以上绝对位置定位的高精密栅格设置数据一同输入在线三维矫正仪的PID电路，并用算法计算出PID误差系数，此误差系数去校正如五轴超精密机床的控制伺服器的原有各个电机速度环PID、位置环PID、电流环PID的系数，即用本高精密的系数去一定实时性地按照特高精密的域来去校正以上所述的三个PID系数，从而可以预见性的、一定实时性的、学习性的、历史经验总结性的，让在线三维校正仪和控制伺服器来去控制五轴超高精密机床或其他精密运动的电机并驱动目标头如刀头、铣头、磨头等进行超高精密的运动或加工尺寸，其精度可达到±1″、±1μm 甚至0.05um、0.05″或更小的精度。

本超高精密伺服系统技术优势在于，其控制目标运动或加工的参数具有非常高的精度，如超高精密机床做到加工精度为±1″、±1μm 甚至0.05um、0.05″或更小的精度，并且可以实现在本伺服系统控制下的各种机械运动及加工的各种指标参数的超高再现性、超高一致性、超高稳定性。并由伺服控制器自身的如速度环PID、位置环PID、电流环PID的技术的PID系数即内外环，还有各种光电激光编码器/电容式编码器的定位仪来控制与控制运动加工的几何尺寸精度，但由于以上所述受限于本身的精度系数及分辨率控制精度、温飘、机械形变、振动/电磁干扰等因素造成的累积误差，特别是伺服控制器自身的如速度环PID、位置环PID、电流环PID的PID系数即内外环，还有一影响系统精度的原因，详述，举例如光电编码传感器的检测信号，再到放大单元、滤波、AD，转换为数字信号，再作为PID的输入时并与基础设置数据比较运算生成新的PID的新的系数后，由于以上所述的各种漂移影响，既有随机的也有累积的，至此时已发生偏差，导致PID控制精度较低，且有累积误差，而且自身系统无法校正，再由于此时有误差的PID控制电机电流的大小及相位，扭矩，阻尼电流，启动与停止的惯性大小等因素，致使进一步控制运动的速度/加速度/转矩,转动的乃至于整个运动系统致使机床系统运动精度及加工精度较低或出现加工参数出现误差，且加工零配件等的精度较低或一致性、可“再现性”差，特别是并且由原各传感器采集多种数据并与起始设置数据比较运算后生成PID修正系数去修正与生成新的以上所述控制数据并控制电机运行，由于在这过程中由于电机运转、齿轮、减速机、再到终端执行机械系统，再加之温湿度的变化漂移影响，振动、射线电磁干扰等因素的影响，并且是随机的、实时的、累积的，以至最终的运动精度、加工精度没有达到预期，即出现了偏差，而且出现加工机件稳定性、一致性、可重复性等的性能较差，特别当运动精度、加工精度如±1″、±1μm 甚至0.05um、0.05″或更小的精度的要求提出后，对整个机床系统提出极高的要求，因此本技术方案因应而生，为此采用了一个绝对位置精密光栅定位仪+电容式高精密位置定位仪的在线组合方式、角度测试仪去修正及标定精度较低稳定性差的精密机床系统技术的超高精密机床，，即“宽静态”组合式高精度静态PID控制的系统去校正/标定动态的较低精度的PID控制系统的技术。使其机床系统运动精度、加工精度如±1″、±1μm 甚至0.05um、0.05″或更小的精度，并能降低对精密机床的材料及结构的要求，降低成本及机械结构制作难度。

之所以定义并应用“宽静态”组合式高精度静态PID的方法来去矫正另一套如本文所述的机床的精度保障系统，三个PID控制环，简单的讲即为一个静态的高精度PID环去控制另外的动态的低精度的PID环的技术。实质上就是用一个高精度的尺子去校准和标定一个低精度的尺子而让目标的运动即加工参数的精度达到极高的指标。高精度静态PID的系数之所以可以达到超高精度，这是因为，此种PID校正系数的获得可以利用在ti1~ti2这样一个较长的时间段内，并利用起始点和终点的绝对位置，如利用激光“狭缝光”，即采用几何尺寸/ 波长极小的激光并利用单频激光或者双频激光干涉方法，或电容式、显微数码等高精密位置定位仪，即超高精度的绝对位置数值获得技术手段，并利用绝对编码技术/算法以及增量编码技术/算法获得的单点数据/或多组数据的加权均值，来推算出高精度的绝对位置数据，相对位置数据或者绝对角度数据，并与PID系统的设置的初始数据进行比较，并根据PID的算法推算出新的PID的校正系数或标定系数，前面所述获得的反馈回来的这个校正系数是由于在ti1~ti2是在一个较长的时间段内的值，由此获得PID值是由于在较长的时间段内也即在运动系统较长的距离并进行一系列的微分、积分、导数/偏导数、甚至于高阶微分、柯西中值定理运算后，这样获得的最终结果数值即为PID校正系数值，众所周知在一个较长距离的进行一系列的微分求导数其精度是非常高的并且是稳定的、一致性相当好的，并且此参数值可再现性极好，如磨床上的转盘在做圆周运动的时候当转盘初次扫过ti1~ti2段的距离/角度si1~si2时候，并结合温湿度的漂移补偿技术、振动补偿技术、外界电磁场干扰补偿技术，使得转盘每次扫过这一段距离即si1~si2系统会测控并计算出，从而获得与上一次比较而获得一个完全一样并且是极高的PID校正系数，即又实现了本系统的PID控制系数的可再现性，总结归纳即为本静态高精度的PID系数产生控制系统实际上是利用了，以高等数学为算法并且在一个较长的时间域即距离差域/角度差域来从微观角度极限角度去分析和实现运动参数的微小的参数变化及控制，并对最终的结果以微小的角度利用拉氏中值定理及多阶常微分等数学分析手段来去无限趋近一个极高的加工精度或等于，从数学分析角度来看，即从极限值角度及其他的均衡取平均值的数学手段或技术手段分析一个较长的数值域即解析结果，其精度和稳定性肯定而且必须要比一个较短的时间域要高的多，现有的机床系统其PID控制环，它们所获得的PID校正系数都属于动态的，并有累计误差，属于在时间域/空间位置域极小的一个范围内测量并运算获得的，由以上论证可知此PID校正系数会精度低及可控制靠性差，如果机床单纯依赖于此PID控制环去控制机床的运动精度、加工精度，可预料到最终的加工精度不会太高。这进一步证明了，利用本技术方案—静态高精密PID校正系数控制的超高精密机床系统，可以让超高精密机床系统加工出来的零配件精度达到±1″、±1μm 甚至0.05um、0.05″的超高精度，并且实现系统的可靠性、稳定性，且让加工出来的工件做到一致性非常好，且极大地降低了对机床的机械结构及材料方面的甚至于机械加工工艺上的要求或技术参数，也降低了成本。

超高精密机床及车床应用牵涉以下技术理论，机械系统机械/复杂的运动参数设计与把控（速度、加速度、回转、回差、刚度、热胀冷缩、振动、形变等参数,温度补偿湿度补偿、振动控制、中心线/中心值的在积分微分以及复变微积分/多重的指引下的复杂多轴及精密的进给及运动的精密机床加工，无限逼近无限趋近，微米级、纳米级），并与复变函数，微积分，线性代数，FFT，FAT，高数及工程技术，物理细分原理，自然科学之间的建模，联系，互译与软件平台/中间件/固件/封装库结合及一些常规算法/遗传算法/进化算法/软件自身学习算法优化算法，仿真，一起构成最稳定的、最优化的、最高性价比的且重复实现性能指标的软硬件系统或产品。

总之，本在线标定的超高精度的机床伺服驱动系统利用控制学与反馈校正、补偿的技术，并在高等数学的框架下，又利用了电子学、机械运动学、计算机仿真学、力学、计算机学、PID、FFT、FIR等的一整套方法及技术做出的高新技术产品。

申请实施例只是用于说明本申请所公开的技术特征，本领域技术人员通过简单的替换所进行的改变，仍然属于本申请所保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于PID在线标定机床的超高精密伺服驱动系统，其特征在于：以另外的超高精度三维定位仪，在线安装在机床上，并由此三维定位仪所测得的绝对位置参数与当前设置的位置参数比较，计算获得至少原伺服驱动系统的三个PID校正系数，然后输出至机床各电机的伺服驱动系统，用于各电机的伺服驱动系统的PID系数校正，并得到校正后的PID值，由校正后的PID值控制各电机的伺服驱动，并对各电机进行运动控制及启停，实现机床加工零配件精度达到超高精度；所述计算获得至少原伺服驱动系统的三个PID校正系数是指：在原伺服驱动系统，从积分I在一定时域内细化让运动稳定精确，在微分D对细微的运动进行定解及特解运算，使系统无限趋近一个目标参数，系统在SVPWM的精密矢量磁通环境下执行微细运动，实现在终端末端的无限趋近或等于但不超越的精密微细运动，利用长时间段的高精度静态PID来矫正原有PID系数，而后得到PID校正系数。

2.根据权利要求1所述的基于PID在线标定机床的超高精密伺服驱动系统，其特征在于：所述伺服驱动系统包括依次连接的数据输入单元、控制单元、驱动单元、传动机构、执行部件，所述控制单元包括运算控制器、系统位置控制器、速度控制器、SVPWM功率驱动控制器，通过数字控制，系统位置控制器、速度控制器、SVPWM功率驱动控制器的控制策略和算法均在运算控制器中实现，通过数据输入单元先输入原始基础数据，然后通过SVPWM功率驱动控制器基于三相空间矢量电流SVPWM，以PARK或CLEAK算法产生近似圆形的旋转磁通矢量电流给驱动单元的电机，电机产生近似圆形的旋转磁通以使电机按照预设的空间转动，同时由各种位置编码器测得位置数据与原设置数据比较后由三个PID控制环生成矫正的PID系数，再给整个的SVPWM的电机三相驱动电路以生成新的经过校正的三相空间矢量SVPWM驱动电流，新的三相矢量驱动电流驱动电机精准稳定地运动或加工目标。

3.根据权利要求2所述的基于PID在线标定机床的超高精密伺服驱动系统，其特征在于：所述伺服驱动系统还包括位置传感器和速度传感器，将位置传感器、速度传感器安装在伺服运动链上的不同位置，形成全闭环控制和半闭环控制，由上位机设置驱动单元的位置目标值给控制单元，控制单元结合上位机发来的SVPWM的设置的三相交流矢量实时驱动电流值并与本单元的设置值运算结合后产生的新的设置值，同时驱动单元的输出SVPWM信号另一分支信号给位置环、速度环和电流环的三个PID控制系统作为PID的基础比较初值，同时由各传感器检测反馈回的当前位置、速度和电流的参数值分别输入至驱动单元，然后分别与PID的基础比较初值按照PID的算法生成实时PID校正系数去产生新的对应三种控制的实时基础参数值，再给驱动单元以实现运动或加工达到预期目标。

4.根据权利要求1所述的基于PID在线标定机床的超高精密伺服驱动系统，其特征在于：所述另外的超高精度三维定位仪的发射装置和接收装置分别装在机床的固定机床床身和转动体上，由另外的超高精度三维定位仪测量绝对位置，消除传动误差，并和原系统的PID控制环形成了一个校正系统，形成以一个静态的高精度在线校正仪校正低于其精度的原动态PID运动加工系统，从而控制电机实现机械运动精度和加工精度。

5.根据权利要求4所述的基于PID在线标定机床的超高精密伺服驱动系统，其特征在于：所述超高精度三维定位仪为显微摄影三维激光标定仪，电机为三相永磁同步电机、三相交流伺服电机，基于SVPWM算法的矢量电流形成包圆旋转磁场控制电机转动、启停、阻尼、转矩、速度，结合传动机构，进行超高精密的运动及加工控制，最终实现超高精密机床系统加工出来的零配件精度达到±1～0.05um的超高精度。