本文關(guān)鍵詞：夾層結(jié)構(gòu)磁懸浮納米定位平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制方法研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：伴隨著傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)向納米制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,為了滿足各種納米制造的實(shí)驗(yàn)要求,同時適應(yīng)微納米器件的組裝及測量、微納米級機(jī)電系統(tǒng)的研究和應(yīng)用,以及光纖對接、半導(dǎo)體檢測、納米三坐標(biāo)測量機(jī)對于基礎(chǔ)平臺的研究需求,迫切地需要一種可用于納米加工、組裝、測量及大規(guī)模生產(chǎn)的大行程高精度納米制造平臺。本文研究的基于Halbach永磁陣列和平面線圈的雙層驅(qū)動、夾層結(jié)構(gòu)共平面的大行程磁懸浮納米精度二維定位平臺,實(shí)現(xiàn)大行程二維運(yùn)動,利用納米精度激光干涉儀檢測運(yùn)動精度并構(gòu)成控制回路,搭載渦流阻尼系統(tǒng)改善控制品質(zhì),采用平面線圈優(yōu)化垂直方向的位置精度,使用非線性控制理論對XY方向進(jìn)行解耦控制。全文主要研究內(nèi)容如下:(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計研究在精密運(yùn)動及測量系統(tǒng)中,機(jī)械結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)精度的影響占據(jù)大部分比例。為了滿足大行程納米定位要求,需要對系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化。因此,本文研究的大行程磁懸浮納米精度二維定位平臺采用雙層驅(qū)動、夾層結(jié)構(gòu)形式的電磁系統(tǒng),X、Y方向的驅(qū)動共同作用于移動平臺上,構(gòu)成共平面結(jié)構(gòu)消除阿貝誤差帶來的影響,將運(yùn)動平臺拆分為移動平臺+工作平臺,細(xì)化平臺功能,減小平臺體積,對稱結(jié)構(gòu)的移動平臺與工作平臺采用柔性支撐連接,克服工作狀態(tài)下平臺熱分布不均勻的缺點(diǎn),保證系統(tǒng)納米定位精度的獲得。(2)磁懸浮定位平臺驅(qū)動方式及電磁研究本文采用基于Halbach永磁陣列和平面線圈的永磁直線電機(jī)雙層驅(qū)動方式,平臺上層同方向的1組2個吸力型直線電機(jī)和平臺下層另一方向的1組2個斥力型直線電機(jī)共同作用,懸浮定位平臺并驅(qū)動其實(shí)現(xiàn)非接觸、無摩擦和磨損的運(yùn)動。為了使繞組線圈的幾何精度誤差不影響定位系統(tǒng)在垂直方向的精度,要求線圈平面具有很高的平面度,而傳統(tǒng)環(huán)形線圈的制作工藝使其無法達(dá)到較高的幾何精度。本文提出采用平面線圈構(gòu)建直線電機(jī)定子繞組,研究平面線圈的設(shè)計理論,對平面線圈的可加工性、多層線圈的可行性、回流線設(shè)計以及加工制作工藝進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)線圈高平面度精度,進(jìn)而建立平面線圈的設(shè)計理論。此外,分析線圈結(jié)構(gòu)、電磁場分布、驅(qū)動電流、熱量產(chǎn)生等關(guān)系,優(yōu)化線圈參數(shù),根據(jù)驅(qū)動能力要求,分析磁陣列及線圈的數(shù)量及配置,建立垂直懸浮力和水平驅(qū)動力方程并進(jìn)行有限元分析,對電磁系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,確定最佳工作點(diǎn)。(3)永磁渦流阻尼器研究針對大行程磁懸浮納米精度二維定位平臺基本屬于無阻尼系統(tǒng),阻尼比小、系統(tǒng)控制困難,本文提出在磁懸浮定位平臺系統(tǒng)中搭載非接觸式永磁渦流阻尼器,提升系統(tǒng)控制品質(zhì),增加系統(tǒng)控制穩(wěn)定性。在分析幾種阻尼裝置優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,確定采用釹鐵硼永磁體研究設(shè)計渦流阻尼器,利用解析法和有限元法進(jìn)行研究分析,并提出將永磁渦流阻尼器看成系統(tǒng)的未建模干擾項(xiàng),以簡化系統(tǒng)控制。(4)控制系統(tǒng)研究磁懸浮系統(tǒng)為非線性強(qiáng)耦合系統(tǒng),其非線性和耦合性又交互影響,針對本文提出的全新雙層驅(qū)動、夾層結(jié)構(gòu)電磁系統(tǒng),采用非線性控制理論,研究磁懸浮系統(tǒng)的非線性解耦控制,分別進(jìn)行基于泰勒展開式的近似線性化和基于微分幾何的精確線性化研究,給出反饋線性化控制律的離散化處理方法,指出基于微分幾何的精確線性化方法和空間矢量控制方法的關(guān)系。精確反饋線性化結(jié)合現(xiàn)代控制理論及方法,實(shí)現(xiàn)精確解耦控制。構(gòu)建基于雙DSP+FPGA的磁懸浮定位平臺控制系統(tǒng),將微分幾何精確線性化方法分別與PID控制和滑膜變結(jié)構(gòu)控制相結(jié)合用于位置環(huán)控制,并進(jìn)行研究。通過對磁懸浮定位平臺結(jié)構(gòu)、電磁關(guān)系及控制系統(tǒng)的研究,初步實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo),證明了本文研究的夾層結(jié)構(gòu)磁懸浮納米定位平臺可行性。
【關(guān)鍵詞】：大行程高精度 磁懸浮定位平臺 雙層驅(qū)動夾層結(jié)構(gòu) 平面線圈 永磁渦流阻尼器
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH703;TB383.1
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-21
• 第1章 緒論21-49
• 1.1 研究背景及選題意義21-24
• 1.2 國內(nèi)外精密定位平臺的研究現(xiàn)狀24-30
• 1.2.1 國外精密定位平臺的研究現(xiàn)狀24-27
• 1.2.2 國內(nèi)精密定位平臺的研究現(xiàn)狀27-30
• 1.3 直線運(yùn)動驅(qū)動方式及國內(nèi)外直線電機(jī)的研究現(xiàn)狀30-38
• 1.3.1 直線運(yùn)動驅(qū)動方式30-32
• 1.3.2 國內(nèi)外直線電機(jī)的研究現(xiàn)狀32-38
• 1.3.2.1 直線電機(jī)的發(fā)展史32-33
• 1.3.2.2 國內(nèi)外直線電機(jī)的研究現(xiàn)狀33-38
• 1.4 國內(nèi)外大行程高精度磁懸浮定位平臺及控制方法的研究現(xiàn)狀38-44
• 1.4.1 國外大行程高精度磁懸浮定位平臺的研究現(xiàn)狀38-41
• 1.4.2 國內(nèi)大行程高精度磁懸浮定位平臺研究現(xiàn)狀41-42
• 1.4.3 國內(nèi)外磁懸浮定位控制方法的研究現(xiàn)狀42-44
• 1.5 磁懸浮定位平臺研究存在的問題44
• 1.6 本文的研究內(nèi)容與主要研究方法44-46
• 1.7 本文的組織結(jié)構(gòu)46-48
• 1.8 本文的主要創(chuàng)新點(diǎn)48-49
• 第2章 磁懸浮定位平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計49-71
• 2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計研究49-52
• 2.2 直線電機(jī)結(jié)構(gòu)研究52-53
• 2.3 系統(tǒng)各部件結(jié)構(gòu)設(shè)計研究53-69
• 2.3.1 雙層驅(qū)動的夾層結(jié)構(gòu)53-56
• 2.3.2 移動平臺56-58
• 2.3.3 工作平臺58
• 2.3.4 柔性支撐58-66
• 2.3.5 永磁渦流阻尼器66-67
• 2.3.6 位移傳感器的選擇與安裝67-69
• 2.4 本章小結(jié)69-71
• 第3章 磁懸浮定位平臺的電磁研究71-117
• 3.1 永磁直線電機(jī)的研究71-108
• 3.1.1 永磁陣列的研究71-92
• 3.1.1.1 動子材料及磁場分析研究71-80
• 3.1.1.2 Halbach永磁陣列的理論仿真分析80-87
• 3.1.1.3 Halbach永磁陣列的參數(shù)設(shè)計與分析87-92
• 3.1.2 平面線圈的研究92-104
• 3.1.2.1 通電線圈及繞組方式的研究92-94
• 3.1.2.2 平面線圈繞組的電磁場理論分析94-98
• 3.1.2.3 平面線圈的參數(shù)設(shè)計及電磁熱有限元分析98-104
• 3.1.3 Halbach永磁直線電機(jī)的電磁力理論及有限元分析104-108
• 3.1.3.1 電磁力理論分析104-106
• 3.1.3.2 電磁力有限元分析106-108
• 3.2 永磁渦流阻尼器的研究108-113
• 3.2.1 結(jié)構(gòu)及工作原理109
• 3.2.2 磁場分布及有限元分析109-113
• 3.2.2.1 永磁渦流阻尼器磁場分布109-110
• 3.2.2.2 永磁渦流阻尼器有限元分析110-113
• 3.3 系統(tǒng)總體電磁熱分析113-115
• 3.3.1 系統(tǒng)總體的電磁分析113-114
• 3.3.2 系統(tǒng)總體的熱分析114-115
• 3.4 本章小結(jié)115-117
• 第4章 磁懸浮定位平臺的動力學(xué)模型線性化研究117-135
• 4.1 坐標(biāo)變換117-124
• 4.1.1 坐標(biāo)變換的基本原理117-119
• 4.1.2 克拉克變換及其逆變換119-122
• 4.1.3 派克變換及其逆變換122-124
• 4.2 磁懸浮定位平臺的系統(tǒng)建模124-134
• 4.2.1 永磁直線電機(jī)的模型分析124-125
• 4.2.2 基于近似線性化方法的磁懸浮定位平臺動力學(xué)模型分析125-129
• 4.2.3 基于精確線性化方法的磁懸浮定位平臺動力學(xué)模型分析129-134
• 4.2.3.1 無外加阻尼器磁懸浮定位平臺線性化動力學(xué)模型130-132
• 4.2.3.2 有外加阻尼器磁懸浮定位平臺線性化動力學(xué)模型132-133
• 4.2.3.3 反饋線性化控制律的離散化133-134
• 4.2.3.4 精確線性化與空間矢量控制的關(guān)系134
• 4.3 本章小結(jié)134-135
• 第5章 磁懸浮定位平臺的控制系統(tǒng)構(gòu)建135-159
• 5.1 空間矢量脈沖寬度調(diào)制技術(shù)研究135-141
• 5.1.1 SVPWM基本原理136-139
• 5.1.2 SVPWM法則推導(dǎo)139-141
• 5.2 控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計研究141-156
• 5.2.1 基于雙DSP和FPGA的數(shù)字控制方案研究141-145
• 5.2.1.1 控制器設(shè)計需求分析與設(shè)計142-143
• 5.2.1.2 DSP及FPGA研究143-145
• 5.2.2 功率驅(qū)動器的研究145-146
• 5.2.3 傳感器數(shù)據(jù)接.電路和信號處理研究146-155
• 5.2.3.1 電流傳感器146-152
• 5.2.3.2 位移傳感器152-155
• 5.2.4 上位機(jī)通信模塊研究155-156
• 5.3 本章小結(jié)156-159
• 第6章 磁懸浮定位平臺的控制系統(tǒng)研究及仿真實(shí)驗(yàn)分析159-179
• 6.1 磁懸浮定位平臺的控制系統(tǒng)研究159-170
• 6.1.1 磁懸浮定位平臺反饋通道建模159
• 6.1.1.1 電流環(huán)反饋通道159
• 6.1.1.2 位置環(huán)反饋通道159
• 6.1.2 磁懸浮定位平臺電流環(huán)控制159-162
• 6.1.2.1 電流環(huán)的最優(yōu)控制160-162
• 6.1.2.2 電流環(huán)的比例控制162
• 6.1.3 磁懸浮定位平臺的微分幾何PID控制162-167
• 6.1.4 磁懸浮定位平臺的微分幾何變結(jié)構(gòu)控制167-170
• 6.2 磁懸浮定位平臺的控制實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析170-177
• 6.2.1 控制系統(tǒng)參數(shù)及組成170-171
• 6.2.2 位置初始化171-172
• 6.2.3 實(shí)驗(yàn)的測試內(nèi)容172-173
• 6.2.4 PID控制器定位實(shí)驗(yàn)173-176
• 6.2.5 滑�？刂破鞫ㄎ粚�(shí)驗(yàn)176-177
• 6.3 本章小結(jié)177-179
• 結(jié)論與展望179-183
• 參考文獻(xiàn)183-191
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單191-193
• 致謝193

  本文關(guān)鍵詞：夾層結(jié)構(gòu)磁懸浮納米定位平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制方法研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：281786