[发明专利]一种无接触式粗精动叠层定位系统及其运动控制方法

权利要求书

1.一种无接触式粗精动叠层定位系统，其特征在于：该控制系统包括定位装置、位置测量装置、驱动装置和控制单元；

所述的定位装置包括基架、一个微动台和两个对称布置在微动台两侧的粗动台，两个粗动台之间、粗动台与微动台之间无机械连接；

所述的位置测量装置包括：

1）一个激光尺，用于测量微动台质心沿Y轴的绝对位置；

2）两个光栅测量装置，每个光栅测量装置包括一个光栅尺和一个读数头，用于测量粗动台沿Y轴方向的位移；

3）七个电涡流传感器，其中：

第一电涡流传感器和第二电涡流传感器安装在第一粗动台上，布置于一条沿Y轴的直线上，用于测量微动台沿X轴与粗动台的相对位置，第一和第二电涡流传感器测量值的差动作为微动台绕Z轴的转角；

第三电涡流传感器安装在第一粗动台上，测量第一粗动台与微动台之间沿Y轴方向的相对位置；第四电涡流传感器安装在第二粗动台上，测量第二粗动台与微动台之间沿Y轴方向的相对位置；

第五电涡流传感器和第六电涡流传感器安装在第一粗动台上，且位于一条沿Y轴的直线上，第七电涡流传感器安装在第二粗动台上，且与第五电涡流传感器位于一条沿X轴的直线上；该三个电涡流传感器用于测量微动台沿Z轴的绝对位置，第五电涡流传感器和第六电涡流传感器测量值的差动作为微动台绕X轴的转角，第五电涡流传感器和第七电涡流传感器测量值的差动作为微动台绕Y轴的转角；

所述驱动装置包括：

1）十个音圈电机

微动台包括四个沿Y轴方向驱动的音圈电机、两个沿X轴方向驱动的音圈电机和四个沿Z轴方向驱动的音圈电机；第一音圈电机、第二音圈电机、第五音圈电机的线圈组件固定在第一粗动台上，永磁体组件固定在微动台上，第三音圈电机、第四音圈电机、第六音圈电机的线圈组件固定在第二粗动台上，永磁体组件固定在微动台上；

第七音圈电机、第八音圈电机、第九音圈电机、第十音圈电机结构相同，包括外磁环、内磁环、圆柱线圈组件、重力平衡磁柱；外磁环与内磁环的轴线沿Z轴方向，外磁环与内磁环充磁方向相同，沿径向方向且由圆环外表面指向圆心；圆柱线圈位于内磁环与外磁环之间，绕线轴线沿Z轴方向；磁柱的轴线沿Z轴方向，充磁方向沿Z轴正方向；第七音圈电机、第八音圈电机的圆柱线圈组件固定在第一粗动台上，第九音圈电机、第十音圈电机的圆柱线圈组件固定在第二粗动台上；

2）两个直线电机

两个直线电机分别用于驱动第一粗动台和第二粗动台；

所述控制单元包括含有控制程序的工控机、计数卡、A/D卡、D/A卡和驱动器，计数卡采集光栅尺和激光尺的增量信号，A/D卡采集电涡流传感器的信号，计数卡和A/D卡将采集到的信号输入至工控机，工控机以所述信号作为位置反馈信号对微动台以及粗动台进行控制，控制指令通过D/A卡输出至驱动器，驱动力输出电流给电机，实现微动台以及粗动台的运动。

2.一种如权利要求1所述的无接触式粗精动叠层定位系统的运动控制方法，其特征在于所述控制方法包括如下步骤：

1）在伺服周期开始，设定微动台的六自由度位移量，其中x_d为沿X轴的位移量，y_d为沿Y轴的位移量，z_d为沿Z轴的位移量，θ_xd为绕X轴的转角位移量，θ_yd为绕Y轴的转角位移量，θ_zd为绕Z轴的转角位移量；然后将计数卡采集的激光尺信号和A/D卡采集的电涡流传感器信号作为微动台控制环路的反馈信号，将A/D卡采集的电涡流传感器信号作为粗动台控制环路的反馈信号；

2）根据设定的微动台六自由度位移量以及反馈信号求解每个音圈电机相应出力，其中第一音圈电机、第二音圈电机、第三音圈电机和第四音圈电机控制微动台沿Y方向移动和绕Z轴旋转的自由度，第五音圈电机和第六音圈电机控制微动台沿X方向移动的自由度，第七音圈电机、第八音圈电机、第九音圈电机和第十音圈电机控制微动台沿Z方向移动、绕X轴旋转和绕Y轴旋转的自由度，电机输出力按以下公式计算：

F301=F302=kp301ey+kd301e·y+c301·e·y+a301ey|e·y+ey|+b301+k301eθz+k301e·θz]]>

F303=F304=kp303ey+kd303e·y+c303·e·y+a303ey|e·y+ey|+b303-k303eθz-k303e·θz]]>

F305=F306=kp305ex+kd305e·x+c305·e·x+a305ex|e·x+a305ex|+b305]]>

F307=kp307ez+kd307e·y+c307·e·z+a307ez|e·z+a307ey|+b307+k307eθx+k307e·θx+k307eθy+k307e·θy]]>

F308=kp308ez+kd308e·z+c308·e·z+a308ez|e·z+a308ez|+b308+k308eθx+k308e·θx-k308eθy-k308e·θy]]>

F309=kp309ez+kd309e·z+c309·e·z+a309ez|e·z+a309ez|+b309-k309eθx-k309e·θx+k309eθy+k309e·θy]]>

F3010=kp3010ez+kd3010e·z+c3010·e·z+a3010ez|e·z+a3010ez|+b3010-k3010eθx-k3010e·θx-k3010eθy-k3010e·θy]]>

其中：F₃₀₁为第一音圈电机输出力，F₃₀₂为第二音圈电机输出，F₃₀₃为第三音圈电机输出力，F₃₀₄为第四音圈电机输出力，F₃₀₅为第五音圈电机输出力，F₃₀₆为第六音圈电机输出，F₃₀₇为第七音圈电机输出力，F₃₀₈为第八音圈电机输出力，F₃₀₉为第九音圈电机输出力，F₃₀₁₀为第十音圈电机输出力；

k_p301、k_p303、k_p305、k_p307、k_p308、k_p309、k_p3010、k_d301、k_d303、k_d305、k_d307、k_d308、k_d309、k_d3010、c₃₀₁、c₃₀₃、c₃₀₅、c₃₀₇、c₃₀₈、c₃₀₉、c₃₀₁₀、a₃₀₁、a₃₀₃、a₃₀₅、a₃₀₇、a₃₀₈、a₃₀₉、a₃₀₁₀、b₃₀₁、b₃₀₃、b₃₀₅、b₃₀₇、b₃₀₈、b₃₀₉、b₃₀₁₀、k₃₀₁、k₃₀₃、k₃₀₅、k₃₀₇、k₃₀₈、k₃₀₉、k₃₀₁₀为控制器比例系数；

e_y=y_d-y，y_d为微动台沿Y轴方向目标位置，y为激光尺反馈信号，为e_y对时间的一阶导数；e_x=x_d-x，x_d为微动台沿X轴的目标位置，x为反馈信号，为e_x对时间的一阶倒数；e_z=z_d-z，z_d为微动台沿Z轴的目标位置，z为反馈信号，为e_z对时间的一阶倒数；θ_xd为微动台绕X轴的目标位置，θ_x为反馈信号，为对时间的一阶倒数；θ_yd为微动台绕Y轴的目标位置，θ_y为反馈信号，为对时间的一阶倒数；θ_zd为微动台绕Z轴的目标转角，θ_z为反馈信号，为对时间的一阶倒数；

粗动台仅具有y方向的自由度，其控制系统要保持粗动台与微动台在y方向的相对位置不变，设第一粗动台与微动台相对位置保持y_cd1不变，第二粗动台与微动台相对位置保持y_cd2不变。在两个粗动台的运动控制方法中，第一粗动台以第一音圈电机和第二音圈电机的输出力作为前馈，第三电涡流传感器信号为微动台与第一粗动台之间的位置偏差，以该偏差为反馈实现第一粗动台沿Y轴的运动；第二粗动台以第三音圈电机和第四音圈电机的输出力作为前馈，第四电涡流传感器信号为微动台与第二粗动台之间的位置偏差，以该偏差为反馈实现第二粗动台沿Y轴的运动，粗动台直线电机输出力按照以下公式计算：

F1001=F302+F301+kp1001ey1001+kd1001e·y1001+c1001·e·y1001+a1001ey1001|e·y1001+a1001ey1001|+b1001]]>

F1002=F304+F303+kp1002ey1002+kd1002e·y1002+c1002·e·y1002+a1002ey1002|e·y1002+a1002ey1002|+b1002]]>

其中：F₁₀₀₁为第一粗动台直线电机输出力、F₁₀₀₂为第二粗动台直线电机输出力；k_p1001、k_p1002、k_d1001、k_d1002、c₁₀₀₁、c₁₀₀₂、a₁₀₀₁、a₁₀₀₂、b₁₀₀₁、b₁₀₀₂为控制器比例系数；e_y1001=y_cd1-y_c1，y_cd1为第一粗动台与微动台目标相对位置，y_c1第三电涡流传感器反馈信号；为e_y1001第三电涡流传感器信号对时间的导数；

e_y1002=y_cd2-y_c2，y_cd2为第二粗动台与微动台目标相对位置，y_c2第四电涡流传感器反馈信号；为e_y1002对时间的导数；

3）根据求解的每个驱动电机的输出力得到每个电机的控制指令，该控制指令由D/A卡进行数模转换后输入至驱动器，驱动器成比例地输出电流驱动相应电机，进而实现微动台以及粗动台的运动。