專利名稱：高速/高加速下的微力控制平臺的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微力控制平臺，具體是一種高速/高加速下的微力控制平臺。用于機電控制設備領域。
背景技術：
高速/高加速微力控制平臺是研究在高速高加速運動狀態(tài)下的微力控制的一個機電控制系統(tǒng)，完成兩個重要的目標實現(xiàn)在高速行動下的無過大的沖擊力的力接觸控制和微力的整定控制。同傳統(tǒng)的機器人下的力控制相比有著很大的不同負載在高速/高加速的運動狀態(tài)下，控制時需要避免高加速度下帶來慣性力的影響；系統(tǒng)控制周期要短，控制系統(tǒng)要能夠實時響應測量的數(shù)據(jù)，能夠快速運算復雜的控制算法；同時，驅動系統(tǒng)能夠提供高加速度的驅動能力等。
高速/高加速運動狀態(tài)下微力控制研究集中在微電子封裝領域，經(jīng)對現(xiàn)有技術的檢索發(fā)現(xiàn)美國專利號6685083，專利名稱Ultrasonic vibration mode for wire bonding(超聲振動式的引線鍵合)。該專利的高速高加速微力控制系統(tǒng)是“一個二節(jié)的振動系統(tǒng)，包括一個信號發(fā)生器和一個壓電式變送器”，“由信號發(fā)生器產(chǎn)生的電場作用到壓電變送器上產(chǎn)生變送器的振動”，力控制的驅動方式是“在變送器做圓或者橢圓的振動時，振動的能量被施加給引線鍵合頭用形成連接時的力”。這是一種通過電場施加到變送器上，導致變送器振動的方式來實現(xiàn)高速/高頻下的微力控制。電場—變送器震動—引線鍵合頭—力。這種控制方式在一定的程度上能夠實現(xiàn)在高速高加速下的微力控制。但是，采用振動而不是直接控制驅動力來實現(xiàn)微力控制，會造成微力控制系統(tǒng)復雜性，同時系統(tǒng)能夠高頻下振動，這樣會使控制系統(tǒng)地彈性系數(shù)大、剛度小。如果控制時考慮到控制系統(tǒng)的振動固有屬性和柔性，很難準確的駕馭壓電變送器振動，導致被控制力波動性大，微力控制的重復性、精度不足。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對上述技術中存在的不足和缺陷，提供一種高速/高加速下的微力控制平臺。使其微力控制的重復性、精度好，可以用于研究有限超調沖擊力和高速接觸下的微力控制、微力的整定控制。本發(fā)明直接采用一臺永磁直線電機作為力控制的驅動力，運動的負載質量塊可以沿著導軌做高頻的往復運動，接觸點上安裝個高精度力傳感器。這樣系統(tǒng)結構彈性系數(shù)小，剛度大，驅動力直接可作用到接觸點上，易于力控制。同時，設計一款與此系統(tǒng)配套的高速運動控制卡，該卡具有進行高速的運算能力，滿足力控制時算法的復雜性和實時性要求。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明按功能分為三個部分控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、測試系統(tǒng)。其連接關系為控制系統(tǒng)是負責整個系統(tǒng)的運作的，它的輸出作為控制信號接入到驅動系統(tǒng)，驅動系統(tǒng)為整個系統(tǒng)提供動能，在控制信號的作用下，按一定的規(guī)則運動。測量系統(tǒng)連接到驅動系統(tǒng)，監(jiān)視運動狀態(tài)，并把監(jiān)視結果反饋到控制系統(tǒng)，這三個部分從而構成一個閉環(huán)的系統(tǒng)。
控制系統(tǒng)采用主、從式控制結構，控制系統(tǒng)包括一臺工控機(上位機)、高速運動控制卡(下位機)、其連接關系為工控機(上位機)，主要用于系統(tǒng)的總體規(guī)劃和顯示，高速運動控制卡(下位機)具體負責高速的運動下的微力控制，通過ISA總線連接于工控機(上位機)，因此，工控機和控制卡可以實時交換數(shù)據(jù)。高速運動控制卡(下位機)采用快速32位的數(shù)字信號處理器作為中央處理器，可以實現(xiàn)快速的運算，40MHz的晶振作為它的時鐘基頻。在數(shù)字信號處理器的數(shù)據(jù)總線和地址總線上，外接兩片16位寄存器和兩片16位閃存儲存器，它們與數(shù)字信號處理器構成一個可支持獨立運算的系統(tǒng)。同時，在數(shù)字信號處理器的數(shù)據(jù)總線和地址總線上外接一片模數(shù)轉換器和數(shù)模轉換器，來實現(xiàn)模擬和數(shù)字信號之間的轉換。數(shù)字信號處理器的數(shù)據(jù)總線上接入一個32位的解碼器，在解碼器的時鐘引腳上接入一個80MHz晶振作為計數(shù)的時鐘信號，實現(xiàn)32位的正反計數(shù)。在高速運動控制卡中，設有一塊雙端口寄存器，其中一個端口連接到數(shù)字信號處理器的數(shù)據(jù)總線上，另一端口連接到ISA總線上，它作為數(shù)據(jù)的緩存區(qū)域，實現(xiàn)上位機和下位機的數(shù)據(jù)交換；數(shù)據(jù)總線上的一塊邏輯電路作為控制信號處理，接入到數(shù)字信號處理器的控制信號上，協(xié)調整個系統(tǒng)時序的運行。
驅動系統(tǒng)提供了系統(tǒng)的能量和驅動力和整個系統(tǒng)的承載的平臺，包括永磁直線電機和電機驅動器、電源、基座、滑塊、導軌?；潭ㄔ诘孛嫔希峁┙o整個系統(tǒng)一個水平穩(wěn)定的平臺。在基座的同一個方向上，安裝永磁直線電機和導軌，這樣永磁直線電機的次級在電磁力的驅動下可以相對基座沿導軌方向運動，同時在永磁直線電機的次級上固定一個滑塊。讓它和永磁直線電機的次級一起可作高速高加速運動，滑塊的作用是提供給系統(tǒng)一個可運動的承載平臺；電源接入到電機驅動器上，提供整個系統(tǒng)的能量，電機驅動器的三相電流輸出，按照順序接入到永磁直線電機上，用來驅動電機的運動；同時，高速運動控制卡的數(shù)模轉換器的輸出信號的接入到電機驅動器上，用為控制信號用來控制電機的運動。
測試系統(tǒng)主要用來感知和測試運動過程中的各種運動特征量，實現(xiàn)較好性能的控制。按照測量的對象，又可分為力測試系統(tǒng)和位置測試系統(tǒng)。力測量系統(tǒng)中包含有一個高精度微力傳感器，其中，微力傳感器固定到滑塊上，和滑塊一起運動，它的輸出信號可簡單直接接入到數(shù)模轉換器，以此可用來測試運動過程中的接觸力和沖擊力，構成控制系統(tǒng)的力反饋環(huán)節(jié)；位置測試系統(tǒng)中包含一個光電編碼器、電平轉換芯片和4倍頻邏輯電路。其中，在平行于導軌的地方，安裝一個光電編碼器用來感知到位置信息，它的輸出接入到一片電平轉換芯片，形成信號電壓特征的變化，再接入到一片4倍頻邏輯電路，輸出信號為方向信號和計數(shù)信號，最后把此信號接入到高速運動控制卡的解碼器中，用來測試運動過程中的位置，構成控制系統(tǒng)的位置環(huán)節(jié)。
本發(fā)明采用直線電機作為整個系統(tǒng)的動力驅動，可以提供較大的驅動力，系統(tǒng)具有高速度和高加速度的運動學特征，可以實現(xiàn)很高頻率下往復的運動。同時，力控制時的驅動力直接由驅動器提供，而不是采用震動式結構，整個系統(tǒng)的控制模型簡單，降低了控制的復雜性，實現(xiàn)精確的微力控制。采用高速運動控制卡，作為系統(tǒng)控制的下位機，高速運動控制卡有著較強的運算能力，它能夠快速實時的處理力和位移的反饋信息，同時高速高加速運動控制卡的設計體現(xiàn)了一個開放性，可以向該卡加載各種不同力控制的算法，為在高速高加速度運動下，研究微力控制算法，提供了一個較好的開放性平臺，這種設計的驅動系統(tǒng)，比傳統(tǒng)的旋轉式電機驅動或是振動式驅動相比有著更好的運動學和動力學特征，可以較好的完成高速高加速的運動狀態(tài)，易于實現(xiàn)微力控制。本發(fā)明可移植到微電子封裝線上，有著巨大的商業(yè)應用前景。


圖1是本發(fā)明平臺結構示意2是高速運動控制卡的結構示意3是位置測試系統(tǒng)示意圖與邏輯關系示意圖具體實施方式
如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明包括控制系統(tǒng)1、驅動系統(tǒng)2、測試系統(tǒng)3?？刂葡到y(tǒng)1負責整個系統(tǒng)的運作，它的輸出作為控制信號接入到驅動系統(tǒng)2，驅動系統(tǒng)2為整個系統(tǒng)提供動能，在控制信號的作用下規(guī)則運動。測試系統(tǒng)3連接到驅動系統(tǒng)，監(jiān)視運動狀態(tài)，并把監(jiān)視結果反饋到控制系統(tǒng)1，這三個部分從而構成一個閉環(huán)的系統(tǒng)。
控制系統(tǒng)1采用主、從式控制結構，具體包括一臺工控機(上位機)4，用于系統(tǒng)全局控制的優(yōu)化和各種控制數(shù)據(jù)的交換；性能為PIII 886GHz、內存為256MB，采用DOS系統(tǒng)。高速運動控制卡(下位機)5通過ISA總線6與工控機(上位機)相聯(lián)。
高速運動控制卡5主要完成具體的控制算法和工控機4進行控制信息交換。所以高速運動控制卡5的設計要能夠實時反應各種采集的來數(shù)據(jù)，同時要能夠快速運算復雜的力控制算法。高速運動控制卡5中的中央處理器采用TI公司的TMS320C32型號的數(shù)字信號處理器17數(shù)字信號處理器外接40MHz的晶振18，處理器的一個運算周期為25ns；數(shù)字信號處理器對外形成32位的數(shù)據(jù)總線19和24位的地址總線20，在此數(shù)字信號處理器數(shù)據(jù)總線19和地址總線20上外掛兩片16位寄存器21，用于高速與動控制卡高速運算時的程序存儲的地方；同時，在數(shù)字信號處理器數(shù)據(jù)總線19和地址總線20上外掛2片16位閃存儲存器22，在無電能的情況下，保存運行的程序和各種設定的參數(shù)；在此數(shù)字信號處理器數(shù)據(jù)線和地址總線上外掛一片AD669，16位并行數(shù)模轉換器23，其中數(shù)模轉換器23輸出正負10V范圍的模擬信號，接入到電機驅動11器的輸入端。模擬信號電壓的正負代表電機的運行的方向，電壓值的大小對應著永磁直線電機運動的快慢或位移的遠近。在此數(shù)據(jù)總線18和地址總線20上外掛一片AD7676，16位并行模數(shù)轉換器24，接入到力傳感器，用來快速采集力傳感器的信息。光電編碼器25接入到一個32位的解碼器26，它外接一個80MHz晶振27，作為基準時鐘和控制信號實現(xiàn)運動位置測量。在此數(shù)據(jù)總線低16位接入到一片CY7C025，16位雙端口寄存器28，同時它的另一端接入到ISA總線6上，作為數(shù)據(jù)的緩存區(qū)域，采用數(shù)據(jù)互鎖的方法實現(xiàn)高速運動控制卡與上微機實時，準確的控制數(shù)據(jù)和控制命令交換；數(shù)據(jù)總線上的邏輯電路29是由一片的可編程邏輯陣列來實現(xiàn)，接入到數(shù)字信號處理器控制信號上，協(xié)調總線上的運行時序。
驅動系統(tǒng)2提供了系統(tǒng)的能量和驅動力和整個系統(tǒng)的承載的平臺，包括永磁直線電機10和電機驅動器11、電源12、基座13、導軌14、滑塊15?；?3固定到地面上，提供給整個系統(tǒng)一個水平穩(wěn)定的平臺。在基座13的同一個方向上，安裝永磁直線電機10和導軌14，這樣永磁直線電機的次級16在電磁力的驅動下可以相對基座13沿導軌方向運動，同時在永磁直線電機的次級16上固定一個滑塊15。讓它和永磁直線電機的次級16一起可作高速高加速運動，滑塊15的作用是提供給系統(tǒng)一個可高速高加速運動的承載平臺；電源12接入到電機驅動器11上，提供整個系統(tǒng)的能量，永磁直線電機10，工作行程為200m，電機的三線交流電w，v，u連接電機驅動器11。在此電機驅動器11的控制下，永磁直線電機10可運行在加速度為0-10G，速度為0-1m/s的范圍內運動；高速運動控制卡5的數(shù)模轉換器24的輸出信號接入到電機驅動器11上，作為電機驅動器11的控制輸入信號，控制永磁直線電機10運動的方向和速度的大小。
測試系統(tǒng)3分為力測試系統(tǒng)和位置測試系統(tǒng)。力測試系統(tǒng)比較簡單，包含一個高精度力傳感器7，固定在運動滑塊8上，它的輸出可以簡單接入數(shù)據(jù)采集器9，可以用來精確的測量接觸力和沖擊力，作為力反饋信號用于力控制，使系統(tǒng)能夠進行力的閉環(huán)控制；位置測試系統(tǒng)中包含一個光電編碼器25、電平轉換芯片30和4倍頻邏輯電路32。位置測試系統(tǒng)結構如圖1、3所示在平行于導軌的地方，安裝一個光電編碼器25與基座上，用來感知到位置信息，它輸出的位置信號是兩路相位差為90度的雙極性脈沖信號(A+，A-，B+，B-)，接入到TI公司生產(chǎn)的MC3486，電平轉換芯片30芯片的雙極性的輸入端，雙極性脈沖信號被轉換為5V電壓的方波信號(A相、B相)輸出，再接入到一片4倍頻邏輯電路31，形成計數(shù)器的計數(shù)輸入信號(Count)和方向控制信號(Direct)，它邏輯關系見圖3。輸出信號直接對應接入到高速與動控制卡中的解碼器26。當方向控制信號(Count)是高電平時，表示永磁直線電機10的正向運動，測量的位置為增量式計數(shù)。當方向控制信號(Count)為低電平，表示永磁直線電機10反方向運動，測量的位置為減少式計數(shù)。在時鐘信號(Clock)的控制下，這樣可精確的檢測出電機運動的位置，測量位移的為精度0.1um。也可對位置作一階或二階差分運算。求解出速度和加速度運動特征。
權利要求
1.一種高速/高加速下的微力控制平臺，包括控制系統(tǒng)(1)、驅動系統(tǒng)(2)、測試系統(tǒng)(3)，控制系統(tǒng)(1)的輸出端接入到驅動系統(tǒng)(2)，測試系統(tǒng)(3)連接到驅動系統(tǒng)(2)，并把結果反饋到控制系統(tǒng)(1)，這三個部分構成一個閉環(huán)的系統(tǒng)，其特征在于，控制系統(tǒng)(1)采用主、從式控制結構，包括工控機(4)、高速運動控制卡(5)，高速運動控制卡(5)通過ISA總線(6)與工控機(4)相聯(lián)，高速運動控制卡(5)采用快速32位的數(shù)字信號處理器作為中央處理器(17)，40MHz的晶振作為它的時鐘基頻，在數(shù)字信號處理器(17)的數(shù)據(jù)總線(19)和地址總線(20)上，外接兩片16位寄存器(21)和兩片16位閃存儲存器(22)，它們與數(shù)字信號處理器(17)構成一個支持獨立運算的系統(tǒng)，同時，在數(shù)字信號處理器(17)的數(shù)據(jù)總線(19)和地址總線(20)上外接一片模數(shù)轉換器(23)和數(shù)模轉換器(24)，數(shù)字信號處理器的數(shù)據(jù)總線(19)上接入一個32位的解碼器(26)，在解碼器(26)的時鐘引腳上接入一個80MHz晶振(27)作為計數(shù)的時鐘信號，在高速運動控制卡(5)中，設有一塊雙端口寄存器(28)，其中一個端口連接到數(shù)字信號處理器(17)的數(shù)據(jù)總線(19)上，另一端口連接到ISA總線(6)上，數(shù)據(jù)總線(19)上的一塊邏輯電路(29)作為控制信號處理，接入到數(shù)字信號處理器(17)的控制信號上；驅動系統(tǒng)(2)包括永磁直線電機(10)和電機驅動器(11)、電源(12)、基座(13)、導軌(14)、滑塊(15)，基座(13)固定在地面上，在基座(13)的同一個方向上，設置永磁直線電機(10)和導軌(14)，同時在永磁直線電機(10)的次級(16)上固定一個滑塊(15)，電源(12)接入到電機驅動器(11)上，電機驅動器(11)的三相電流輸出按照順序接入到永磁直線電機(10)上，高速運動控制卡(5)的數(shù)模轉換器(25)的輸出信號接入到電機驅動器(11)上。
2.根據(jù)權利要求1所述的高速/高加速下的微力控制平臺，其特征是，測試系統(tǒng)(3)分為力測試系統(tǒng)和位置測試系統(tǒng)，力測量系統(tǒng)中包含一個高精度微力傳感器(7)，微力傳感器(7)固定到滑塊(15)上，它的輸出直接接入數(shù)據(jù)采集器(9)，位置測試系統(tǒng)中包含一個光電編碼器(25)、電平轉換芯片(30)和4倍頻邏輯電路(31)，光電編碼器(25)平行于導軌(14)設置，它的輸出接入到電平轉換芯片(30)，電平轉換芯片(30)再接入到4倍頻邏輯電路(31)，4倍頻邏輯電路(31)接入到高速運動控制卡(5)的解碼器(26)。
全文摘要
一種高速/高加速下的微力控制平臺，用于機電控制設備領域。本發(fā)明的控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、測試系統(tǒng)構成一個閉環(huán)的系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用主、從式控制結構，高速運動控制卡與工控機相聯(lián)，高速運動控制卡的數(shù)字信號處理器的數(shù)據(jù)總線和地址總線上外接寄存器和閃存儲存器，它們與數(shù)字信號處理器構成支持獨立運算的系統(tǒng)，同時還外接模數(shù)轉換器和數(shù)模轉換器，數(shù)據(jù)總線上接入解碼器，解碼器的時鐘引腳上接入80MHz晶振，高速運動控制卡中有雙端口寄存器，數(shù)據(jù)總線上的邏輯電路接入到數(shù)字信號處理器上，驅動系統(tǒng)包括永磁直線電機和電機驅動器、電源、基座、導軌、滑塊。本發(fā)明機械結構簡單，能實現(xiàn)高頻下的往復運動，微力控制的重復性、精度好。
文檔編號G05B15/02GK1595314SQ20041002520
公開日2005年3月16日 申請日期2004年6月17日 優(yōu)先權日2004年6月17日
發(fā)明者殷躍紅, 方立 申請人:上海交通大學