对称差动式六自由度磁浮微动调姿平台的分析与研究

发布时间：2020-11-10 15:17

　　 多自由度微动调姿平台应用十分广泛,近年来半导体微电子电路制造、精密超精密加工、航空航天、精密微操控等领域的发展,对高精度微动定位调姿平台的行程、定位精度、响应速度、环境兼容性等提出了更高的要求。传统的定位平台驱动由于技术瓶颈难以突破,越来越无法满足各领域的需求,限制了相关领域的发展。采用磁浮驱动原理驱动的微动平台由于具有无接触、零摩擦、无需润滑、不存在爬行、迟滞等优良特性,使得磁浮驱动成为高精度定位平台驱动的理想方案。尤其在航空航天领域,其良好的真空兼容、无污染的特性优势突出,近年来受到了学术界和工业界的广泛关注,已成为微动调姿技术的主要研究方向之一。本课题以航空航天领域调姿平台和半导体制造装备光刻机磁浮平台为应用背景,基于本课题的设计要求和技术指标,综合考虑国内外六自由度微动平台的各种不同驱动原理和构型方式,提出一种由两自由度磁浮作动器集成实现的对称差动式六自由度磁浮微动调姿平台系统。针对磁浮微动调姿系统的需求,首先开展磁浮作动器的设计研究,依据对作动器大行程、小型化、集成化、模块化和轻量化的要求,设计一种两自由度的磁浮作动器。通过建立空间磁场模型和作动器驱动力模型,建立关于作动器结构参数的多目标优化函数,并利用基因遗传算法对作动器的结构参数进行优化设计。对结构参数优化后的两自由度磁浮作动器,首先利用Maxwell-3D电磁有限元分析软件开展基本特性分析,得到作动器驱动力常数在全运动域内的波动仿真结果。分别开展热分析以及电、热、力耦合作用下的多场分析,得到空气对流换热和真空辐射散热工况下温度、应力、变形仿真结果。根据作动器对称差动式的布局方式,进行调姿平台的六自由度解耦,建立六自由度磁浮微动平台的动力学方程,研究驱动力分配和电流分配方案,提出一种重力补偿和驱动力分配多解问题的解决方案。针对单自由度磁悬浮系统,设计了ITAE指标最优的PID控制器和准滑动模态的滑模变结构控制器,并在Simulink中完成了仿真对比分析。研制六自由度磁浮微动调姿平台原理样机,并以垂向悬浮为例开展功能性验证试验。开展了作动器在全运动空间的力学特性验证试验,对全运动空间内作动器驱动力常数进行了辨识标定;基于Simulink Real-Time搭建作动器单自由度闭环控制系统,完成控制算法验证与磁浮闭环控制系统定位精度、响应速度等性能验证与分析,试验结果表明搭建的闭环磁浮系统实现了15μm的定位精度。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V441
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题来源及研究的目的和意义
        1.1.1 课题来源
        1.1.2 研究目的和意义
    1.2 微动调姿平台的分类
    1.3 磁浮平台国内外研究现状与分析
        1.3.1 国外磁悬浮微动平台研究现状
        1.3.2 国内磁悬浮微动平台研究现状
        1.3.3 国内外研究现状简析
    1.4 课题主要研究内容
第2章 两自由度磁浮作动器的设计与仿真分析
    2.1 引言
    2.2 磁浮作动器工作设计要求
        2.2.1 磁浮作动器工作原理
        2.2.2 作动器设计指标
        2.2.3 作动器总体结构设计
    2.3 永磁体空间磁场建模与仿真
        2.3.1 永磁体空间磁场解析模型的建立
        2.3.2 空间磁场有限元仿真分析
    2.4 磁浮作动器结构参数设计与优化
        2.4.1 作动器结构参数计算
        2.4.2 作动器尺寸参数优化
    2.5 作动器多场仿真分析
        2.5.1 磁浮作动器热分析
        2.5.2 作动器力电热场多场分析
        2.5.3 作动器驱动力特性仿真分析
    2.6 本章小结
第3章 六自由度微动调姿平台动力学建模与控制器设计分析
    3.1 引言
    3.2 作动器布局与自由度解耦
        3.2.1 作动器布局设计
        3.2.2 平台驱动力分配模型与多自由度解耦
    3.3 六自由度磁浮微动平台动力学模型的建立
        3.3.1 微动平台坐标系的建立与坐标变换
        3.3.2 平动自由度动力学模型
        3.3.3 转动自由度动力学模型
        3.3.4 六自由度磁浮微动平台状态空间模型
    3.4 解耦的单自由度磁浮系统控制器设计
        3.4.1 基于ITAE指标最优的PID控制
        3.4.2 滑模变结构控制器设计仿真
        3.4.3 控制器仿真结果对比分析
    3.5 本章小结
第4章 磁浮作动器及微动调姿平台试验验证与分析
    4.1 引言
    4.2 原理样机基本参数
    4.3 磁浮作动器特性试验验证
        4.3.1 作动器力-电流特性验证
        4.3.2 全运动域内驱动力常数辨识标定
        4.3.3 作动器开环响应速度试验分析
    4.4 作动器闭环控制试验
        4.4.1 作动器闭环控制系统的搭建
        4.4.2 控制算法控制性能试验验证
    4.5 六自由度磁浮微动平台功能性试验验证
    4.6 本章小结
结论
参考文献
致谢

【参考文献】

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本文编号：2878076