夹层结构磁悬浮纳米定位平台结构设计与控制方法研究

发布时间：2017-04-02 03:15

  本文关键词：夹层结构磁悬浮纳米定位平台结构设计与控制方法研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：伴随着传统制造产业向纳米制造产业的发展,为了满足各种纳米制造的实验要求,同时适应微纳米器件的组装及测量、微纳米级机电系统的研究和应用,以及光纤对接、半导体检测、纳米三坐标测量机对于基础平台的研究需求,迫切地需要一种可用于纳米加工、组装、测量及大规模生产的大行程高精度纳米制造平台。本文研究的基于Halbach永磁阵列和平面线圈的双层驱动、夹层结构共平面的大行程磁悬浮纳米精度二维定位平台,实现大行程二维运动,利用纳米精度激光干涉仪检测运动精度并构成控制回路,搭载涡流阻尼系统改善控制品质,采用平面线圈优化垂直方向的位置精度,使用非线性控制理论对XY方向进行解耦控制。全文主要研究内容如下:(1)系统结构设计研究在精密运动及测量系统中,机械结构对系统精度的影响占据大部分比例。为了满足大行程纳米定位要求,需要对系统机械结构分析和优化。因此,本文研究的大行程磁悬浮纳米精度二维定位平台采用双层驱动、夹层结构形式的电磁系统,X、Y方向的驱动共同作用于移动平台上,构成共平面结构消除阿贝误差带来的影响,将运动平台拆分为移动平台+工作平台,细化平台功能,减小平台体积,对称结构的移动平台与工作平台采用柔性支撑连接,克服工作状态下平台热分布不均匀的缺点,保证系统纳米定位精度的获得。(2)磁悬浮定位平台驱动方式及电磁研究本文采用基于Halbach永磁阵列和平面线圈的永磁直线电机双层驱动方式,平台上层同方向的1组2个吸力型直线电机和平台下层另一方向的1组2个斥力型直线电机共同作用,悬浮定位平台并驱动其实现非接触、无摩擦和磨损的运动。为了使绕组线圈的几何精度误差不影响定位系统在垂直方向的精度,要求线圈平面具有很高的平面度,而传统环形线圈的制作工艺使其无法达到较高的几何精度。本文提出采用平面线圈构建直线电机定子绕组,研究平面线圈的设计理论,对平面线圈的可加工性、多层线圈的可行性、回流线设计以及加工制作工艺进行研究和实验,实现线圈高平面度精度,进而建立平面线圈的设计理论。此外,分析线圈结构、电磁场分布、驱动电流、热量产生等关系,优化线圈参数,根据驱动能力要求,分析磁阵列及线圈的数量及配置,建立垂直悬浮力和水平驱动力方程并进行有限元分析,对电磁系统的各项参数进行优化设计,确定最佳工作点。(3)永磁涡流阻尼器研究针对大行程磁悬浮纳米精度二维定位平台基本属于无阻尼系统,阻尼比小、系统控制困难,本文提出在磁悬浮定位平台系统中搭载非接触式永磁涡流阻尼器,提升系统控制品质,增加系统控制稳定性。在分析几种阻尼装置优缺点的基础上,确定采用钕铁硼永磁体研究设计涡流阻尼器,利用解析法和有限元法进行研究分析,并提出将永磁涡流阻尼器看成系统的未建模干扰项,以简化系统控制。(4)控制系统研究磁悬浮系统为非线性强耦合系统,其非线性和耦合性又交互影响,针对本文提出的全新双层驱动、夹层结构电磁系统,采用非线性控制理论,研究磁悬浮系统的非线性解耦控制,分别进行基于泰勒展开式的近似线性化和基于微分几何的精确线性化研究,给出反馈线性化控制律的离散化处理方法,指出基于微分几何的精确线性化方法和空间矢量控制方法的关系。精确反馈线性化结合现代控制理论及方法,实现精确解耦控制。构建基于双DSP+FPGA的磁悬浮定位平台控制系统,将微分几何精确线性化方法分别与PID控制和滑膜变结构控制相结合用于位置环控制,并进行研究。通过对磁悬浮定位平台结构、电磁关系及控制系统的研究,初步实现了预期目标,证明了本文研究的夹层结构磁悬浮纳米定位平台可行性。
【关键词】：大行程高精度 磁悬浮定位平台 双层驱动夹层结构 平面线圈 永磁涡流阻尼器
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH703;TB383.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-21
• 第1章 绪论21-49
• 1.1 研究背景及选题意义21-24
• 1.2 国内外精密定位平台的研究现状24-30
• 1.2.1 国外精密定位平台的研究现状24-27
• 1.2.2 国内精密定位平台的研究现状27-30
• 1.3 直线运动驱动方式及国内外直线电机的研究现状30-38
• 1.3.1 直线运动驱动方式30-32
• 1.3.2 国内外直线电机的研究现状32-38
• 1.3.2.1 直线电机的发展史32-33
• 1.3.2.2 国内外直线电机的研究现状33-38
• 1.4 国内外大行程高精度磁悬浮定位平台及控制方法的研究现状38-44
• 1.4.1 国外大行程高精度磁悬浮定位平台的研究现状38-41
• 1.4.2 国内大行程高精度磁悬浮定位平台研究现状41-42
• 1.4.3 国内外磁悬浮定位控制方法的研究现状42-44
• 1.5 磁悬浮定位平台研究存在的问题44
• 1.6 本文的研究内容与主要研究方法44-46
• 1.7 本文的组织结构46-48
• 1.8 本文的主要创新点48-49
• 第2章 磁悬浮定位平台的结构设计49-71
• 2.1 系统总体结构设计研究49-52
• 2.2 直线电机结构研究52-53
• 2.3 系统各部件结构设计研究53-69
• 2.3.1 双层驱动的夹层结构53-56
• 2.3.2 移动平台56-58
• 2.3.3 工作平台58
• 2.3.4 柔性支撑58-66
• 2.3.5 永磁涡流阻尼器66-67
• 2.3.6 位移传感器的选择与安装67-69
• 2.4 本章小结69-71
• 第3章 磁悬浮定位平台的电磁研究71-117
• 3.1 永磁直线电机的研究71-108
• 3.1.1 永磁阵列的研究71-92
• 3.1.1.1 动子材料及磁场分析研究71-80
• 3.1.1.2 Halbach永磁阵列的理论仿真分析80-87
• 3.1.1.3 Halbach永磁阵列的参数设计与分析87-92
• 3.1.2 平面线圈的研究92-104
• 3.1.2.1 通电线圈及绕组方式的研究92-94
• 3.1.2.2 平面线圈绕组的电磁场理论分析94-98
• 3.1.2.3 平面线圈的参数设计及电磁热有限元分析98-104
• 3.1.3 Halbach永磁直线电机的电磁力理论及有限元分析104-108
• 3.1.3.1 电磁力理论分析104-106
• 3.1.3.2 电磁力有限元分析106-108
• 3.2 永磁涡流阻尼器的研究108-113
• 3.2.1 结构及工作原理109
• 3.2.2 磁场分布及有限元分析109-113
• 3.2.2.1 永磁涡流阻尼器磁场分布109-110
• 3.2.2.2 永磁涡流阻尼器有限元分析110-113
• 3.3 系统总体电磁热分析113-115
• 3.3.1 系统总体的电磁分析113-114
• 3.3.2 系统总体的热分析114-115
• 3.4 本章小结115-117
• 第4章 磁悬浮定位平台的动力学模型线性化研究117-135
• 4.1 坐标变换117-124
• 4.1.1 坐标变换的基本原理117-119
• 4.1.2 克拉克变换及其逆变换119-122
• 4.1.3 派克变换及其逆变换122-124
• 4.2 磁悬浮定位平台的系统建模124-134
• 4.2.1 永磁直线电机的模型分析124-125
• 4.2.2 基于近似线性化方法的磁悬浮定位平台动力学模型分析125-129
• 4.2.3 基于精确线性化方法的磁悬浮定位平台动力学模型分析129-134
• 4.2.3.1 无外加阻尼器磁悬浮定位平台线性化动力学模型130-132
• 4.2.3.2 有外加阻尼器磁悬浮定位平台线性化动力学模型132-133
• 4.2.3.3 反馈线性化控制律的离散化133-134
• 4.2.3.4 精确线性化与空间矢量控制的关系134
• 4.3 本章小结134-135
• 第5章 磁悬浮定位平台的控制系统构建135-159
• 5.1 空间矢量脉冲宽度调制技术研究135-141
• 5.1.1 SVPWM基本原理136-139
• 5.1.2 SVPWM法则推导139-141
• 5.2 控制系统的软硬件设计研究141-156
• 5.2.1 基于双DSP和FPGA的数字控制方案研究141-145
• 5.2.1.1 控制器设计需求分析与设计142-143
• 5.2.1.2 DSP及FPGA研究143-145
• 5.2.2 功率驱动器的研究145-146
• 5.2.3 传感器数据接.电路和信号处理研究146-155
• 5.2.3.1 电流传感器146-152
• 5.2.3.2 位移传感器152-155
• 5.2.4 上位机通信模块研究155-156
• 5.3 本章小结156-159
• 第6章 磁悬浮定位平台的控制系统研究及仿真实验分析159-179
• 6.1 磁悬浮定位平台的控制系统研究159-170
• 6.1.1 磁悬浮定位平台反馈通道建模159
• 6.1.1.1 电流环反馈通道159
• 6.1.1.2 位置环反馈通道159
• 6.1.2 磁悬浮定位平台电流环控制159-162
• 6.1.2.1 电流环的最优控制160-162
• 6.1.2.2 电流环的比例控制162
• 6.1.3 磁悬浮定位平台的微分几何PID控制162-167
• 6.1.4 磁悬浮定位平台的微分几何变结构控制167-170
• 6.2 磁悬浮定位平台的控制实验与结果分析170-177
• 6.2.1 控制系统参数及组成170-171
• 6.2.2 位置初始化171-172
• 6.2.3 实验的测试内容172-173
• 6.2.4 PID控制器定位实验173-176
• 6.2.5 滑模控制器定位实验176-177
• 6.3 本章小结177-179
• 结论与展望179-183
• 参考文献183-191
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单191-193
• 致谢193

  本文关键词：夹层结构磁悬浮纳米定位平台结构设计与控制方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：281786