基于無槽無鐵芯直線驅(qū)動器的多自由度直接驅(qū)動精密微動平臺研究.pdf

1、多自由度微動平臺是一種適用于精確定位運動的直接驅(qū)動型執(zhí)行器,可以廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體光刻、精密數(shù)控加工、納米表面形貌測量、物理隧道探測等領(lǐng)域,可以提供高精密定位與精確運動,具有良好的應(yīng)用前景。在國家自然科學(xué)基金項目“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,本文從該型微動平臺的磁場計算、磁力與磁力矩計算、數(shù)學(xué)模型、優(yōu)化設(shè)計、電流激勵控制策略、控制器設(shè)計、仿真分析等方面展開了研究,探索了

2、該型微動平臺的一系列關(guān)鍵理論和技術(shù)問題,試制了微動平臺的樣機和運動控制系統(tǒng),為該型微動平臺的深入研究和開發(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方面:
　　 1)對微動平臺定子繞組磁場和動子永磁磁場展開了系統(tǒng)的分析。運用傅里葉級數(shù)方法,獲得了該類微動平臺定子與動子磁場的二維解析表達式。利用磁荷法對三維永磁磁場進行數(shù)值計算,與ANSYS有限元仿真結(jié)果的對比表明,二維解析解與三維數(shù)值解具有很高的精度,為進一步

3、的研究奠定了基礎(chǔ)。
　　 2)利用磁共能法建立了多邊激勵機電裝置磁力計算的一般公式,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),對磁力計算的一般公式進行改進,以適用于包含永磁體的磁力計算,可以分析磁力基波及磁力脈動。利用三維磁場計算結(jié)果,分別研究了直線驅(qū)動器的橫向與縱向端部效應(yīng)對磁力的影響。為微動平臺的數(shù)學(xué)建模和優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。
　　 3)建立了此類驅(qū)動器的通用設(shè)計方法,以單元驅(qū)動模塊組合的方式,通

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

5、換矩陣進行簡化,以降低計算量,有利于實時控制。利用N相系統(tǒng)派克變換矩陣統(tǒng)一了定子與動子坐標系下的磁力方程。
　　 5)分別研究了協(xié)控激勵模式、多極激勵模式的磁力矩計算方法,結(jié)合磁力計算公式,可以寫出動子剛體運動的完整動力學(xué)方程。運用協(xié)控激勵理論與小信號分析方法,建立了協(xié)控模式下的工作點狀態(tài)方程。引入多級激勵理論,從理論上論證了系統(tǒng)是可控的,利用廣義逆矩陣理論,可以確定滿足期望磁力磁力矩條件下的激勵電流解,并對解的攝動性進行了分析