随着现代机电系统的发展,如微电子制造设备、数控机床和光学检测系统等机电系统,为了提高生产效率通常需要实现高速直线运动。同时,随着社会进入微纳米技术时代,这些设备和系统需要具有微米或纳米级的运动定位精度。因此,配备先进控制系统的高速高精度运动平台成为我国高端装备制造业的基础,对于其发展起着关键决定性作用。而运动平台的高速度和高精度的矛盾问题,是当前高速高精度运动平台研发的关键难题。研究并解决运动平台在高速度运动下,高精度的运动定位问题,对我国在高端制造装备中的自主化和产业化具有重要意义。由于受现有的加工制造条件以及控制系统的限制,在高速高精度运动平台中,存在一些误差因素,使得运动定位精度下降,限制了运动平台的性能。本文针对高速高精度运动平台中常见的两种驱动平台(即以滚珠丝杠+旋转电机为动力的间接驱动平台和以直线电机为动力的直接驱动平台)的几何误差及非线性力产生的误差,开展误差分析及精度补偿方法的研究。对这些误差的来源和特性做了详细分析,对于由误差带来的定位误差增大、定位精度下降和重复定位精度降低等问题做了阐述。针对这些误差,研究并设计了相应的控制算法,以补偿平台的运动定位精度。通过实验研究,验证了所开发的高速高精度运动平台可实现高速运动下的高精度定位。本文主要工作及研究内容如下:1.面向高速高精度运动平台中常见的两种驱动平台不同的机构特点,分别设计了间接驱动平台和直接驱动平台两种具体的高速高精度运动平台并搭建了物理平台。间接驱动平台以旋转电机为输出动力来源,通过联轴器与滚珠丝杠连接,滚珠丝杠的旋转运动带动工作台的运动。直接驱动平台以直线电机为动力,省略了中间连接机构,工作台固定在其初级上,从而直接带动工作台运动。2.针对高速高精度运动平台极易存在的几何误差问题,利用激光干涉仪测量系统,对直接驱动平台的几何误差进行了测量分析工作,并根据测量的数据值,建立了几何误差插值计算模型。通过误差补偿系统对几何误差进行了补偿。实验结果显示,在补偿前的定位误差值超过±15μm,而在补偿后的误差值下降到不超过± 4μm,双向定位精度由A=42.188μm提高到A=9.413μm,双向重复定位精度由R=13.823μm提高到R =8.893μm。实验数据显示,所采用的补偿系统及补偿方法能有效提高系统的定位精度。3.针对高速高精度的间接驱动平台的特点,建立了此平台的动态模型,包括永磁交流同步伺服电机、滚珠丝杠力传动机构和动态摩擦力的模型。提出了基于对非线性摩擦力补偿的自适应鲁棒控制算法,对于常见的点对点运动轨迹(包括高速和低速两种状态)和正弦运动轨迹做了跟踪对比实验。实验表明,在实验速度为1.26m/s(物理平台理论最大速度为1.5m/s)的高速下,此算法对于非线性摩擦力引起的误差起到了有效的补偿作用,使平台定位精度达到微米级。4.研究了由直线电机驱动的高速高精度直接驱动平台,建立了直线电机d-q坐标系下的数学模型。重点分析了直线电机所特有的端部效应问题,给出了考虑端部效应的直线电机模型。在对传统矢量控制算法和直接转矩控制算法分析的基础上,提出一种基于端部效应补偿的自适应鲁棒位置/推力跟踪控制算法,并设计了相应控制器。因为结合了矢量控制的宽调速范围及连续性和直接转矩控制的快速转矩响应特性,此方法具有快响应以及控制的平稳性特点。通过仿真分析和实验对比,此方法对于直线电机由端部效应引起的非线性力定位误差有一定的补偿作用。5.在对非线性电磁力、摩擦力、定位力和几何误差等分析建模的基础上,提出了基于非线性力误差及几何误差综合补偿的自适应鲁棒控制算法,并在直接驱动平台进行了算法验证实验。由于受到行程(全程仅330mm)及物理限制(理论最大速度1.2m/s,加速度为11.25m/s2),实验选取的最高速度设为1m/s,最大加速度为10m/s2。实验结果显示,所提算法可明显提升系统的几何定位精度,双向定位精度提高到A=2.936μm,双向重复定位精度提高到R=2.211μm,定位误差范围降低到(-1)μm-1.5μm,基本达到光栅尺反馈编码器的分辨率1μm,实现了高速高精度的定位效果。