零刚度磁悬浮系统支承特性分析及控制

发布时间：2020-10-27 14:38

　　 面向IC制造的超精密运动台面临着宽频域、微幅/超微幅振动控制带来的挑战,零刚度磁悬浮利用永磁体间作用力形成六自由度低刚度及重力补偿能力,配合电磁力主动控制而成为一种适合于超精密微动台的隔振支承新形式,然而其支承特性变化规律与调控方法尚有待深入研究。本文通过对国内外技术的研究,分析了零刚度生成原理,进行了磁场建模与结构参数影响分析,提出了一种改进的零刚度磁悬浮支承方案,设计开发了支承控制系统,进行了实验验证,并进一步研究了基于该支承的磁悬浮微动台动力学特性、联合仿真建模及振动抑制控制技术。本文完成的主要工作有:首先介绍了零刚度磁悬浮支承的结构,分析得出了工作区域内动子磁场径向分量沿轴向线性变化的规律。基于毕奥-萨伐尔定律、椭圆积分方法和洛伦兹力方程建立了电磁场、电磁力的数学模型,分析了动子永磁阵列环厚度和定子永磁环尺寸的影响,得出了动子永磁阵列环不等厚、定子偏置的设计方案,计算了结构参数并研制了实验样机,搭建实验平台测试表明其轴向力保持不变而轴向刚度降低约4倍,达到10N/m,隔振性能、工作范围均有改善。针对磁悬浮支承轴向单自由度控制,建立了电流、速度、位置环伺服控制模型,计算了各环路的PID控制参数,仿真分析了控制器的有效性;基于NI系统和磁悬浮支承样机搭建了伺服控制实验台,完成了基于LabVIEW的控制框图设计,通过磁悬浮支承的单自由度伺服控制验证了伺服控制效果。介绍了采用零刚度支承的磁悬浮微动台结构及工作原理,针对磁悬浮微动台柔性振动抑制问题,建立了磁悬浮微动台有限元模型,进行了结构模态分析,获得了具有柔性特性的动力学模型,提出了四个磁浮支承的前馈输入整形结合模态力约束解耦的振动抑制方案,建立了动力学与控制联合仿真模型,仿真分析表明有效抑制了磁悬浮微动台一阶模态的柔性振动和运动残余振动。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH703.8
【部分图文】：

（b）wi=wo（c）wi图 2-7 三种动子永磁阵列方案的气隙磁场磁阵列环厚度对中心气隙磁场的影响，采用解析法对的气隙磁场进行解析，取辅助线轴向位置[-5,5]mm合出不同动子永磁阵列环方案的磁场径向分量变化，wi<wo和 wi=wo的磁场径向分量变化率的变化大于变化。这说明 wi>wo的动子永磁阵列环磁场径向分数，则磁场径向分量沿轴向更具有线性变化特性，符

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文即定子永磁环厚度应该小于 4mm，同时定子永磁环有[-1,1]mm 的工作区间，则定永磁环高度应该小于 6mm。采用解析法可以得到不同定子永磁环高度和宽度的轴力和轴向刚度，如图 2-12 所示，图中 h 是定子永磁环高度，t 是定子永磁环厚度单位是 mm。

子永磁环均由瓦片永磁体组成。经分析，采用少量瓦片永磁体粘合成永磁环会导致轴向力下降，而瓦片永磁体数量过多会导致永磁环粘合难度大，最终采用的永磁环由八个幅度为45°的瓦片状永磁体粘合组成。粘接好的动子和定子实物图如图2-17所示。（a）粘接好的动子 （b）粘接好的定子图 2-17 动子和定子实物图基于粘接好的动子和定子搭建零刚度磁悬浮支承静态性能测试实验平台，如图 2-18 所示。在行程范围内整个动子每移动 0.1mm 时力的变化非常小，变化量大小在0.001N 左右， 因此需要一个高精度的力传感器来保证轴向力的准确性。而支承提供了 40N 左右的静态轴向力，大量程的力传感器受精度限制无法精确读出该实验平台的力变化数据，已知动子自重 6.7N，故在动子上固连一个 30N 的配重块，采用日本MTO 公司型号为 CD17 的称重测力传感器
【参考文献】

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本文编号：2858656