發(fā)布時(shí)間：2020-11-10 15:17

　　 多自由度微動(dòng)調(diào)姿平臺(tái)應(yīng)用十分廣泛,近年來(lái)半導(dǎo)體微電子電路制造、精密超精密加工、航空航天、精密微操控等領(lǐng)域的發(fā)展,對(duì)高精度微動(dòng)定位調(diào)姿平臺(tái)的行程、定位精度、響應(yīng)速度、環(huán)境兼容性等提出了更高的要求。傳統(tǒng)的定位平臺(tái)驅(qū)動(dòng)由于技術(shù)瓶頸難以突破,越來(lái)越無(wú)法滿足各領(lǐng)域的需求,限制了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。采用磁浮驅(qū)動(dòng)原理驅(qū)動(dòng)的微動(dòng)平臺(tái)由于具有無(wú)接觸、零摩擦、無(wú)需潤(rùn)滑、不存在爬行、遲滯等優(yōu)良特性,使得磁浮驅(qū)動(dòng)成為高精度定位平臺(tái)驅(qū)動(dòng)的理想方案。尤其在航空航天領(lǐng)域,其良好的真空兼容、無(wú)污染的特性優(yōu)勢(shì)突出,近年來(lái)受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注,已成為微動(dòng)調(diào)姿技術(shù)的主要研究方向之一。本課題以航空航天領(lǐng)域調(diào)姿平臺(tái)和半導(dǎo)體制造裝備光刻機(jī)磁浮平臺(tái)為應(yīng)用背景,基于本課題的設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo),綜合考慮國(guó)內(nèi)外六自由度微動(dòng)平臺(tái)的各種不同驅(qū)動(dòng)原理和構(gòu)型方式,提出一種由兩自由度磁浮作動(dòng)器集成實(shí)現(xiàn)的對(duì)稱差動(dòng)式六自由度磁浮微動(dòng)調(diào)姿平臺(tái)系統(tǒng)。針對(duì)磁浮微動(dòng)調(diào)姿系統(tǒng)的需求,首先開(kāi)展磁浮作動(dòng)器的設(shè)計(jì)研究,依據(jù)對(duì)作動(dòng)器大行程、小型化、集成化、模塊化和輕量化的要求,設(shè)計(jì)一種兩自由度的磁浮作動(dòng)器。通過(guò)建立空間磁場(chǎng)模型和作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力模型,建立關(guān)于作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù),并利用基因遺傳算法對(duì)作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后的兩自由度磁浮作動(dòng)器,首先利用Maxwell-3D電磁有限元分析軟件開(kāi)展基本特性分析,得到作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力常數(shù)在全運(yùn)動(dòng)域內(nèi)的波動(dòng)仿真結(jié)果。分別開(kāi)展熱分析以及電、熱、力耦合作用下的多場(chǎng)分析,得到空氣對(duì)流換熱和真空輻射散熱工況下溫度、應(yīng)力、變形仿真結(jié)果。根據(jù)作動(dòng)器對(duì)稱差動(dòng)式的布局方式,進(jìn)行調(diào)姿平臺(tái)的六自由度解耦,建立六自由度磁浮微動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)方程,研究驅(qū)動(dòng)力分配和電流分配方案,提出一種重力補(bǔ)償和驅(qū)動(dòng)力分配多解問(wèn)題的解決方案。針對(duì)單自由度磁懸浮系統(tǒng),設(shè)計(jì)了ITAE指標(biāo)最優(yōu)的PID控制器和準(zhǔn)滑動(dòng)模態(tài)的滑模變結(jié)構(gòu)控制器,并在Simulink中完成了仿真對(duì)比分析。研制六自由度磁浮微動(dòng)調(diào)姿平臺(tái)原理樣機(jī),并以垂向懸浮為例開(kāi)展功能性驗(yàn)證試驗(yàn)。開(kāi)展了作動(dòng)器在全運(yùn)動(dòng)空間的力學(xué)特性驗(yàn)證試驗(yàn),對(duì)全運(yùn)動(dòng)空間內(nèi)作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力常數(shù)進(jìn)行了辨識(shí)標(biāo)定;基于Simulink Real-Time搭建作動(dòng)器單自由度閉環(huán)控制系統(tǒng),完成控制算法驗(yàn)證與磁浮閉環(huán)控制系統(tǒng)定位精度、響應(yīng)速度等性能驗(yàn)證與分析,試驗(yàn)結(jié)果表明搭建的閉環(huán)磁浮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了15μm的定位精度。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：V441
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 課題來(lái)源及研究的目的和意義
        1.1.1 課題來(lái)源
        1.1.2 研究目的和意義
    1.2 微動(dòng)調(diào)姿平臺(tái)的分類(lèi)
    1.3 磁浮平臺(tái)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與分析
        1.3.1 國(guó)外磁懸浮微動(dòng)平臺(tái)研究現(xiàn)狀
        1.3.2 國(guó)內(nèi)磁懸浮微動(dòng)平臺(tái)研究現(xiàn)狀
        1.3.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀簡(jiǎn)析
    1.4 課題主要研究?jī)?nèi)容
第2章 兩自由度磁浮作動(dòng)器的設(shè)計(jì)與仿真分析
    2.1 引言
    2.2 磁浮作動(dòng)器工作設(shè)計(jì)要求
        2.2.1 磁浮作動(dòng)器工作原理
        2.2.2 作動(dòng)器設(shè)計(jì)指標(biāo)
        2.2.3 作動(dòng)器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    2.3 永磁體空間磁場(chǎng)建模與仿真
        2.3.1 永磁體空間磁場(chǎng)解析模型的建立
        2.3.2 空間磁場(chǎng)有限元仿真分析
    2.4 磁浮作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化
        2.4.1 作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算
        2.4.2 作動(dòng)器尺寸參數(shù)優(yōu)化
    2.5 作動(dòng)器多場(chǎng)仿真分析
        2.5.1 磁浮作動(dòng)器熱分析
        2.5.2 作動(dòng)器力電熱場(chǎng)多場(chǎng)分析
        2.5.3 作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力特性仿真分析
    2.6 本章小結(jié)
第3章 六自由度微動(dòng)調(diào)姿平臺(tái)動(dòng)力學(xué)建模與控制器設(shè)計(jì)分析
    3.1 引言
    3.2 作動(dòng)器布局與自由度解耦
        3.2.1 作動(dòng)器布局設(shè)計(jì)
        3.2.2 平臺(tái)驅(qū)動(dòng)力分配模型與多自由度解耦
    3.3 六自由度磁浮微動(dòng)平臺(tái)動(dòng)力學(xué)模型的建立
        3.3.1 微動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)系的建立與坐標(biāo)變換
        3.3.2 平動(dòng)自由度動(dòng)力學(xué)模型
        3.3.3 轉(zhuǎn)動(dòng)自由度動(dòng)力學(xué)模型
        3.3.4 六自由度磁浮微動(dòng)平臺(tái)狀態(tài)空間模型
    3.4 解耦的單自由度磁浮系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)
        3.4.1 基于ITAE指標(biāo)最優(yōu)的PID控制
        3.4.2 滑模變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計(jì)仿真
        3.4.3 控制器仿真結(jié)果對(duì)比分析
    3.5 本章小結(jié)
第4章 磁浮作動(dòng)器及微動(dòng)調(diào)姿平臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證與分析
    4.1 引言
    4.2 原理樣機(jī)基本參數(shù)
    4.3 磁浮作動(dòng)器特性試驗(yàn)驗(yàn)證
        4.3.1 作動(dòng)器力-電流特性驗(yàn)證
        4.3.2 全運(yùn)動(dòng)域內(nèi)驅(qū)動(dòng)力常數(shù)辨識(shí)標(biāo)定
        4.3.3 作動(dòng)器開(kāi)環(huán)響應(yīng)速度試驗(yàn)分析
    4.4 作動(dòng)器閉環(huán)控制試驗(yàn)
        4.4.1 作動(dòng)器閉環(huán)控制系統(tǒng)的搭建
        4.4.2 控制算法控制性能試驗(yàn)驗(yàn)證
    4.5 六自由度磁浮微動(dòng)平臺(tái)功能性試驗(yàn)驗(yàn)證
    4.6 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
致謝

【參考文獻(xiàn)】

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