专利名称：双电机无扰动切换混合驱动半闭环精密定位系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半闭环精密定位系统，具体的说，是涉及一种基于双电机无扰动切换混合驱动装置及一种新型位移检测装置的半闭环精密定位系统。
背景技术：
精密定位系统是精密加工和超精密加工的关键技术之一。为满足应用需求，精密 定位系统必须具备高频响、大行程、高精度的性能。在工业生产中，要实现直线精密移动常 使用步进电机通过丝杆驱动。但步进电机细分驱动精度取决于细分电流控制精度等因素， 细分数越大，精度越难控制，且驱动器成本高；在恶劣的工况下如焊接工况下的高频起弧和 稳弧对细分驱动电路存在很严重的高频电磁干扰。超声波电机(ultrasonic motor，简称USM)原理和结构完全不同于传统电磁式电 机，没有绕阻和磁场部件，它不是通过电磁相互作用来传递能量，而是直接由压电陶瓷材料 实现机电能量转换的新型电机，其结构简单，具有单位体积出力大、响应性能优良等特点， 并能达到传统电磁电机无法匹敌的高定位精度。但USM是通过定子与转子的直接摩擦耦合 传递驱动力，在交变应力和摩擦力作用下，电机产生疲劳损伤，容易使定子与压电陶瓷间的 凝结层局部脱落、温升快造成热失配等，影响电机输出转矩及定位精度。且由于压电陶瓷 裂纹萌生、扩展和失稳引起突然性破坏，使USM的寿命大大降低。近年来采用超声波电机作 为精密定位驱动元件的系统越来越多，但采用单一的超声波电机无法克服系统寿命短的缺 点ο近年来国内外学者采用电磁伺服电机作为定位系统粗定位驱动元件，采用超声波 电机或压电致动器作为定位系统精密定位驱动元件，充分结合了超声波电机与电磁电机各 自的优点，取得了较好的效果。但现有混合驱动系统结构复杂，连接件加工困难，无法实现 无扰动切换。且闭环系统中的精密定位位移检测装置常使用高精度光栅尺、编码器、激光传 感器等，成本高、设备复杂、抗干扰能力差。本发明提出一种基于双电机无扰动切换混合驱 动机构及一种新型位移检测装置的精密定位系统，该系统结构简单、易于加工，可实现电磁 电机与超声波电机间的无扰动切换，并可实现半闭环系统高精度位移检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构合理，克服超声波电机使用寿命短的缺点，可实 现精密定位过程中双电机无扰动切换的半闭环精密定位系统。本发明的技术解决方案是—种双电机无扰动切换混合驱动半闭环精密定位系统，其特征是包括滑台底座， 滑台底座上装直线滑动导轨，直线滑动导轨上装滑台，在直线滑动导轨的左右两侧分别设 置驱动滑台在滑动导轨上运动的超声波电机和步进电机，超声波电机与角位测量装置连 接。超声波电机经第一弹性膜片联轴器与和滑台连接的滚珠丝杆连接，滚珠丝杆上装滚珠螺母；步进电机经第二弹性膜片联轴器与依靠轴承支撑的联轴连接，联轴与滚珠螺母 连接，滚珠螺母通过角接触轴承与螺帽座固定连接，螺母座与滑台固定连接。超声波电机与第一电机支架由螺钉紧固连接，第一电机支架与丝杆支撑轴承的轴 承座固定连接，丝杆支撑轴承的轴承座与滑台底座固定连接；步进电机与第二电机支架固 定连接，第二电机支架与滑台固定连接。角位测量装置包括第一转盘、第二转盘，第一转盘与超声波电机输出轴同心连接，第二转盘与微型同步电机同心连接，第二转盘随微型同步电机一起转动，微型同步电机与 超声波电机的轴心线在同一条水平线上，第一转盘、第二转盘呈同心形式，红外发射管固定 安装在第一转盘上，红外发射管红外光束中轴线在第一转盘上的投影经过第一转盘的圆 心，红外接收管固定安装在第二转盘上，红外接收管中轴线在第二转盘上的投影经过第二 转盘的圆心，红外接收管与第二转盘圆心的距离大于红外发射管与第一转盘圆心的距离， 红外发射管的中轴线与第一转盘的夹角等于红外接收管中轴线与第二转盘的夹角。电机控制系统采用FPGA辅助单片机的形式，通过FPGA发出的PWM波控制超声波 电机和步进电机驱动器，PWM波的周期由比较控制模块控制，PWM占空比由比较控制模块、 计数控制模块和置数控制模块共同确定。角位移检测装置接口电路采用FPGA辅助单片机的形式，由比较器将红外接收管 的输出信号转换为脉冲，由奇偶校验模块完成相邻输出脉冲的区分，由计数器和锁存器完 成相邻脉冲时间间隔的计算和锁存，由减法器完成两个相邻脉冲的时间间隔之差的计算， 计算结果送单片机处理得到角位移大小。本发明结构合理，克服超声波电机使用寿命短的缺点，可实现精密定位过程中双 电机无扰动切换，有益效果主要表现在1.充分利用电磁电机和超声波电机各自的优点，克服超声波电机寿命短的缺点， 实现系统长寿命、大行程精密定位。2.提供的新型混合驱动机构可实现双电机无扰动切换，双电机可同时或单独工 作，当双电机同时运动时，可实现滑台的快速运动和慢速调整，可控精度高。3.由于传动铰链短，结构简单，故滑台定位精度和重复定位精度高。4.提供的混合驱动机构结构简单，加工方便。5.提供了一种新型角位移检测装置，将微小角位移检测转换为线位移检测，该装 置精度高、分辨率高、成本低、安装方便，并具有测量前无须调零的优点。可实现定位系统微 进给时的超声波电机闭环控制。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。图1是本发明一个实施例的结构示图。图2是图1的俯视图。图3是本发明的角位移测量装置结构示图。图4是本发明的角位移装置测量原理图。图5是本发明的角位移检测时序图。
图6是本发明精密定位系统驱动控制电路图。
具体实施例方式一种双电机无扰动切换混合驱动半闭环精密定位系统，包括滑台底座1，滑台底座 上装直线滑动导轨2，直线滑动导轨上装滑台3，在直线滑动导轨的左右两侧分别设置驱动 滑台在滑动导轨上运动的超声波电机4和步进电机5，超声波电机与角位测量装置6连接。超声波电机经第一弹性膜片联轴器7与和滑台连接的滚珠丝杆8连接，滚珠丝杆 上装滚珠螺母11 ；步进电机经第二弹性膜片联轴器与依靠轴承9支撑的联轴10连接，联轴 与滚珠螺母11连接，滚珠螺母通过两只内外圈等高的角接触轴承12与螺帽座固定连接，螺 母座与滑台3固定连接，并由定位销定位。超声波电机4与第一电机支架13由螺钉紧固连接，第一电机支架与丝杆支撑轴承 (角接触轴承)14的轴承座15固定连接，丝杆支撑轴承的轴承座与滑台底座1固定连接； 步进电机5与第二电机支架16固定连接，第二电机支架与滑台3固定连接。角位测量装置6包括第一转盘17、第二转盘18，第一转盘与超声波电机输出轴同 心连接，第二转盘与微型同步电机19同心连接，第二转盘随微型同步电机一起转动，微型 同步电机与超声波电机的轴心线在同一条水平线上，第一转盘、第二转盘呈同心形式，红外 发射管20固定安装在第一转盘上，红外发射管红外光束中轴线在第一转盘上的投影经过 第一转盘的圆心，红外接收管21固定安装在第二转盘上，红外接收管中轴线在第二转盘上 的投影经过第二转盘的圆心，红外接收管与第二转盘圆心的距离大于红外发射管与第一转 盘圆心的距离，红外发射管的中轴线与第一转盘的夹角(锐角)等于红外接收管中轴线与 第二转盘的夹角(锐角)。电机控制系统采用FPGA辅助单片机的形式，通过FPGA发出的PWM波控制超声波 电机和步进电机驱动器，PWM波的周期由比较控制模块控制，PWM占空比由比较控制模块、 计数控制模块和置数控制模块共同确定。角位移检测装置接口电路采用FPGA辅助单片机的形式，由比较器将红外接收管 的输出信号转换为脉冲，由奇偶校验模块完成相邻输出脉冲的区分，由计数器和锁存器完 成相邻脉冲时间间隔的计算和锁存，由减法器完成两个相邻脉冲的时间间隔之差的计算， 计算结果送单片机处理得到角位移大小。滑台可实现超声波电机单电机驱动和步进电机单独驱动，也可实现双电机同时驱 动。当双电机同时运动时，可实现滑台的快速运动和慢速调整，快速运动和慢速调整仅靠改 变电机的旋转方向即可。提出的精密定位机构可进一步拓展为十字滑台，实现平面两自由精密定位。在具 体实施时，另一自由度的机构与本发明提出的机构可完全一致。角位移测量原理分析及性能分析原理分析实施例中采用行波超声波电机作为平台精密定位驱动电机，超声波电机输出轴一 端连至弹性联轴器，另一端与第一转盘同心连接(见图3)。红外光束中轴线在第一转盘上 的投影经过第一转盘的圆心。第二转盘与微型同步电机同心联接，随同步电机一起转动。保 持同步电机与超声波电机的轴心线在一条水平线上，保持两转盘同心。红外接收管固定安 装在第二转盘上，随同步电机同步运动，红外接收管中轴线在跌转盘上的投影经过第二转盘的圆心。红外接收管与圆心的距离大于红外发射管与圆心的距离，红外发射管的中轴线与第一转盘的夹角(锐角)等于红外接收管中轴线与第二转盘的夹角(锐角)。测量时，保持微型同步电机恒转速旋转(设转速为Nr/min)，保持微型同步电机转 向与超声波电机转向相同。当红外接收管接收到发射管发出的红外光时，接口电路输出一 高电平脉冲信号，同步电机相对于超声波电机每旋转一周，输出一个脉冲信号。当超声波电 机静止不动时，假设红外发射管在位置A处，接收管经过接口电路与输出的脉冲信号如图5 中的A所示，脉冲间隔时间即为同步电机转一周所用时间tl。如接口电路控制器判断每次 出现的两相邻脉冲间隔始终为tl，则可认为超声波电机静止不动。如超声波电机产生微位移，设位移方向与同步电机转动方向同相(均为顺时针)， 为图示方便将此位移放大后如图4所示，此时光电发射管跟随旋转由初始位置A转至位置 B处。接收电路输出信号如图5中的B所示。如接口电路控制器判断每次出现的两相邻脉 冲间隔由tl变为t2，则认为超声波电机顺时针转动了一定角度QnQ1大小与(t2-tl)成 正比。可得
<formula>formula see original document page 6</formula>⑴如光电发射管静止于位置B处时，接收电路输出信号如图5中的C所示。同理，当 超声波电机继续旋转，由位置B转至位置C处时，接收电路输出信号如图5中的D所示。如 接口电路控制器判断每次出现的两相邻脉冲间隔由tl变为t3，则认为超声波电机顺时针 转动了一定角度θ2，θ2大小与(t3-tl)成正比。可得
<formula>formula see original document page 6</formula>(2)则超声波电机累积旋转角度为θ1+θ2。2. 2性能分析具体实施时，可使超声波电机工作于连续运行状态或步进状态。当超声波电机工 作于连续运行状态时，角位移产生后，检测装置并不能立即响应，而是要等红外接收管转至 和红外发射管相对位置时才能响应，如超声波电机速度较快则存在较大的定位误差。当超 声波电机工作于步进状态时，可使电机每运行一微步停止，带角位移检测完成后再运行下 一微步。由于行波超声波电机步进运行时的微步距角很小，因此可达很高的定位精度。该新型角位移检测装置优点如下(1)将微小的角位移放大为可观可测的线(弧长)位移，采用控制器计时的方法完 成检测。(2)结构简单，安装方便，成本低。(3)测量精度和分辨率高。(4)测量前无须调零。该传感器也存在一定的误差(1)数字控制器采用计数的方法来实现计时，计数的分辨率影响结果精度。(2)同步电机转速的脉动引起转速的不均勻，从而引起随机误差。(3)加工及安装时时两转盘不同心、电机轴与转盘不同心，红外接收及发射器安装角度的不精确均会引起随机误差及系统误差。精密定位系统双电机驱动控制电路设计实施例中，以Shinsei公司的行波超声波电机USR60和TAMAGAWASEIKI CO, . LTD 公司的TSS103W73四相步进电机为系统驱动电机。精密定位系统驱动控制电路如图6所
7J\ ο本发明采用FPGA辅助单片机的形式，在双电机半闭环精密定位控制过程中，单片 机干预较少，大大减少了主控器负担。而且FPGA具有功能易修改、可在线编程，具有很强的 通用性；接口简单、响应速度快，适于全数字化控制，可大大提高系统性能。在图6中，行波超声波电机工作于步进状态，通过FPGA发出的PWM波控制电机驱 动器D6060从而实现超声波电机的微步进给。预分频模块用于电机启停控制及FPGA全局 时钟信号的产生；置数控制模块用于调整电机微步导通时间；计数控制模块根据置数控制 模块的输出值来确定PWM周期；比较控制模块确定了微步导通时间及步间停止时间；互锁 电路用于防止D6060接口的触发竞争并用于电机正反转控制选择。比较控制模块2用于提 供给步进电机PWM脉冲并控制步进电机的正反转，环形脉冲发生器用于将比较控制模块2 的输出脉冲变成具有一定时序的脉冲列，并经过功率放大后驱动步进电机。预分频模块该模块将外部时钟(本实施例中采用25M有源晶振)作为全局时钟脉冲并作为比 较控制模块的触发信号及计数器的时钟信号。置数控制模块置数控制模块的输出作为后续计数控制模块的计数初值，用于调整步进导通时 间。其中clkl和updown信号与单片机的I/O 口相连，updown为加减控制端，当updown为 低电平时，单片机从clkl每发出一个脉冲，输出口 INIOUT的值减一；当updown为高电平 时，单片机从clkl每发出一个脉冲，miOUT的值加一。采用单片机通过改变模块的输出值 来改变超声波电机微步导通时间，从而可方便的调节电机定位精度并进行调速。CLKl可由 单片机的PCA模块产生。计数控制模块计数控制模块根据置数控制模块的输出来调整微步导通时间，并产生固定的步间 停止时间。INIOUT为置置数控制模块输出数据，模块以INIOUT为基数，在此基础上以预分 频模块提供的时钟脉冲进行加计数，计满溢出后自动清零。比较控制模块1比较控制模块1出具有可变微步导通时间及固定步间停止时间的PWM脉冲。在 clk3脉冲上升沿触发比较计算。DATAA为计数控制器模块的输入数据，该数据与Compare 模块中内置脉冲翻转比较值coimtcLtemp相比较，以决定输出电平的翻转。CWC为电机转向 控制信号，CffC为高电平时CW信号有效，电机正转，反之反转。正反转互锁模块该模块用于解决驱动器D6060正反转控制端同时出现高电平而导致电机转向不 定的间题。比较控制模块2比较控制模块2出占空比可调的PWM脉冲，该脉冲用于控制步进电机。比较控制模块1与比较控制模块2的ON/OFF端由单片机控制，使两台电机分时工作。CW/CCW端用于 控制环形脉冲发生器输出不同相序的脉冲列以控制步进电机方向。由于在实施例中采用了 四相步进电机，因此通过L298H桥集成驱动模块实现步进电机的驱动。角位移传感器接口电路设计当光电发射管与光电接收管相对时，光电流由电阻转换为电压量并通过比较器后，输出高电平脉。脉冲送入奇偶校验模块，如模块累计的脉冲个数为奇数个，则ODD端输 出一高电平脉冲。反之，如果模块累积的脉冲个数为偶数，则EVEN端输出一高电平脉冲。 ODD端口输出的脉冲的上升沿使计数器1模块开始计数，使数器2模块停止计数。保证了计 数器计数时的初值为零，通过延时模块的延迟作用，使CLR信号到来的时间早于开始计数 端的ON信号到来的时间。EVEN端口输出的脉冲的上升沿同时使计数器2模块开始计数，使数器2模块停止 计数。通过延时模块的延迟作用，使CLR信号先于开始计数端ON信号到来，保证了计数器 计数时的初值为零。计数器1和计数器2的输出信号由锁存器锁存，锁存信号由奇偶脉冲判别模块模 块提供，ODD端口输出的脉冲给计数器2对应的锁存器提供锁存信号，EVEN端口给计数器1 对应的锁存器提供锁存信号。由减法器完成两锁存器输出信号的减法运算，运算启动信号 由单片机提供，启动运算的时间间隔由单片机控制，时间间隔大小可由单片节根据传感器 响应速度调节。也可将ODD端发出的脉冲信号直接送入单片10接口，单片机判别到相邻时 间间隔所代表的脉冲数已经锁存至双锁存器后，发出减法运算启动指令。由于该传感器响 应速度较慢，要等红外接收管转至和红外发射管相对位置时才能响应，为避免出现传感器 尚未响应而计数器溢出的情况，必须给计数器以足够的容量。实施例中采用25M由源晶振
作为外部时钟，采用32位计数器，则计满所用时间为-171.8S，该时间间隔可
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以保证同步电机带动光电接收管完成响应。当减法运算完成后由FPGA通知单片机取数，单 片机通过口线读入32位二进制结果。单片机将读入的减法器输出量乘以计数器1 (计数器 2)的CLK脉冲周期，得到相邻脉冲间隔时间的差值，并由公式1计算出角位移。
权利要求
一种双电机无扰动切换混合驱动半闭环精密定位系统，其特征是包括滑台底座，滑台底座上装直线滑动导轨，直线滑动导轨上装滑台，在直线滑动导轨的左右两侧分别设置驱动滑台在滑动导轨上运动的超声波电机和步进电机，超声波电机与角位测量装置连接。
2.根据权利要求1所述的双电机无扰动切换混合驱动半闭环精密定位系统，其特征 是超声波电机经第一弹性膜片联轴器与和滑台连接的滚珠丝杆连接，滚珠丝杆上装滚珠 螺母；步进电机经第二弹性膜片联轴器与依靠轴承支撑的联轴连接，联轴与滚珠螺母连接， 滚珠螺母通过角接触轴承与螺帽座固定连接，螺母座与滑台固定连接。
3.根据权利要求2所述的双电机无扰动切换混合驱动半闭环精密定位系统，其特征 是超声波电机与第一电机支架由螺钉紧固连接，第一电机支架与丝杆支撑轴承的轴承座 固定连接，丝杆支撑轴承的轴承座与滑台底座固定连接；步进电机与第二电机支架固定连 接，第二电机支架与滑台固定连接。
4.根据权利要求1、2或3所述的双电机无扰动切换混合驱动半闭环精密定位系统， 其特征是角位测量装置包括第一转盘、第二转盘，第一转盘与超声波电机输出轴同心连 接，第二转盘与微型同步电机同心连接，第二转盘随微型同步电机一起转动，微型同步电机 与超声波电机的轴心线在同一条水平线上，第一转盘、第二转盘呈同心形式，红外发射管固 定安装在第一转盘上，红外发射管红外光束中轴线在第一转盘上的投影经过第一转盘的圆 心，红外接收管固定安装在第二转盘上，红外接收管中轴线在第二转盘上的投影经过第二 转盘的圆心，红外接收管与第二转盘圆心的距离大于红外发射管与第一转盘圆心的距离， 红外发射管的中轴线与第一转盘的夹角等于红外接收管中轴线与第二转盘的夹角。
5.根据权利要求1、2或3所述的双电机无扰动切换混合驱动半闭环精密定位系统，其 特征是电机控制系统采用FPGA辅助单片机的形式，通过FPGA发出的PWM波控制超声波电 机和步进电机驱动器，PWM波的周期由比较控制模块控制，PWM占空比由比较控制模块、计 数控制模块和置数控制模块共同确定。
6.根据权利要求1、2或3所述的双电机无扰动切换混合驱动半闭环精密定位系统，其 特征是角位移检测装置接口电路采用FPGA辅助单片机的形式，由比较器将红外接收管的 输出信号转换为脉冲，由奇偶校验模块完成相邻输出脉冲的区分，由计数器和锁存器完成 相邻脉冲时间间隔的计算和锁存，由减法器完成两个相邻脉冲的时间间隔之差的计算，计 算结果送单片机处理得到角位移大小。
全文摘要
本发明公开了一种双电机无扰动切换混合驱动半闭环精密定位系统，包括滑台底座，滑台底座上装直线滑动导轨，直线滑动导轨上装滑台，在直线滑动导轨的左右两侧分别设置驱动滑台在滑动导轨上运动的超声波电机和步进电机，超声波电机与角位测量装置连接。本发明结构合理，克服超声波电机使用寿命短的缺点，可实现精密定位过程中双电机无扰动切换。
文档编号H02K11/00GK101820203SQ20101011338
公开日2010年9月1日 申请日期2010年1月26日 优先权日2010年1月26日
发明者华亮, 吴晓, 吴晓新, 堵俊, 张齐, 李智, 羌予践, 顾菊平, 黄建斌 申请人:南通大学