基于無(wú)槽無(wú)鐵芯直線驅(qū)動(dòng)器的多自由度直接驅(qū)動(dòng)精密微動(dòng)平臺(tái)研究.pdf

1、多自由度微動(dòng)平臺(tái)是一種適用于精確定位運(yùn)動(dòng)的直接驅(qū)動(dòng)型執(zhí)行器,可以廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體光刻、精密數(shù)控加工、納米表面形貌測(cè)量、物理隧道探測(cè)等領(lǐng)域,可以提供高精密定位與精確運(yùn)動(dòng),具有良好的應(yīng)用前景。在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“兩自由度Halbach型永磁體陣列及其在高性能伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用研究”(50407008)的資助下,本文從該型微動(dòng)平臺(tái)的磁場(chǎng)計(jì)算、磁力與磁力矩計(jì)算、數(shù)學(xué)模型、優(yōu)化設(shè)計(jì)、電流激勵(lì)控制策略、控制器設(shè)計(jì)、仿真分析等方面展開(kāi)了研究,探索了

2、該型微動(dòng)平臺(tái)的一系列關(guān)鍵理論和技術(shù)問(wèn)題,試制了微動(dòng)平臺(tái)的樣機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),為該型微動(dòng)平臺(tái)的深入研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
　　 論文主要的研究成果包括如下幾個(gè)方面:
　　 1)對(duì)微動(dòng)平臺(tái)定子繞組磁場(chǎng)和動(dòng)子永磁磁場(chǎng)展開(kāi)了系統(tǒng)的分析。運(yùn)用傅里葉級(jí)數(shù)方法,獲得了該類(lèi)微動(dòng)平臺(tái)定子與動(dòng)子磁場(chǎng)的二維解析表達(dá)式。利用磁荷法對(duì)三維永磁磁場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,與ANSYS有限元仿真結(jié)果的對(duì)比表明,二維解析解與三維數(shù)值解具有很高的精度,為進(jìn)一步

3、的研究奠定了基礎(chǔ)。
　　 2)利用磁共能法建立了多邊激勵(lì)機(jī)電裝置磁力計(jì)算的一般公式,提出了永磁體等效虛擬電流的概念(不同于永磁體的等效電流模型),對(duì)磁力計(jì)算的一般公式進(jìn)行改進(jìn),以適用于包含永磁體的磁力計(jì)算,可以分析磁力基波及磁力脈動(dòng)。利用三維磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果,分別研究了直線驅(qū)動(dòng)器的橫向與縱向端部效應(yīng)對(duì)磁力的影響。為微動(dòng)平臺(tái)的數(shù)學(xué)建模和優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
　　 3)建立了此類(lèi)驅(qū)動(dòng)器的通用設(shè)計(jì)方法,以單元驅(qū)動(dòng)模塊組合的方式,通

4、過(guò)逐步設(shè)計(jì)方法可以確定驅(qū)動(dòng)器的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)尺寸。提出了基于單位磁力的最小熱損優(yōu)化方法,通過(guò)優(yōu)化匹配定子繞組與動(dòng)子永磁體的結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系,優(yōu)化定子電流層高度,減小無(wú)效電流層引起的能量損耗,可以有效的降低熱損值。同時(shí),也給出基于最大力能密度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,為驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)化提供了另一種選擇方案。
　　 4)建立了N相直線驅(qū)動(dòng)器在定子坐標(biāo)系與動(dòng)子坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型;提出一種新的N相系統(tǒng)的派克變換關(guān)系,并可以運(yùn)用廣義逆矩陣方法,對(duì)N相系統(tǒng)的派克變

5、換矩陣進(jìn)行簡(jiǎn)化,以降低計(jì)算量,有利于實(shí)時(shí)控制。利用N相系統(tǒng)派克變換矩陣統(tǒng)一了定子與動(dòng)子坐標(biāo)系下的磁力方程。
　　 5)分別研究了協(xié)控激勵(lì)模式、多極激勵(lì)模式的磁力矩計(jì)算方法,結(jié)合磁力計(jì)算公式,可以寫(xiě)出動(dòng)子剛體運(yùn)動(dòng)的完整動(dòng)力學(xué)方程。運(yùn)用協(xié)控激勵(lì)理論與小信號(hào)分析方法,建立了協(xié)控模式下的工作點(diǎn)狀態(tài)方程。引入多級(jí)激勵(lì)理論,從理論上論證了系統(tǒng)是可控的,利用廣義逆矩陣?yán)碚?可以確定滿足期望磁力磁力矩條件下的激勵(lì)電流解,并對(duì)解的攝動(dòng)性進(jìn)行了分析