磁悬浮微动工作台的理论分析和控制方法研究

摘要

在超精密加工、微电子工程、纳米科技等精密工程领域，需要高精密的微运动，因此高性能的微动工作台是这些领域中的重要仪器设备。论文系统地阐述了国内外微动工作台的发展概况和发展趋势，在参考现有微动工作台的基础上，构造了一种基于交直流混合驱动的磁悬浮式微动工作台，以实现大范围、高精度和∈自由度的微运动。 本论文分别建立了直流驱动和交流驱动的动力学模型。对于直流驱动部分，根据电学和力学原理，推导出直流驱动的非线性数学模型，在平衡点处做线性化处理后，建：立了单质点直流驱动的动力学模型；对于交流部分，本文对交流驱动的磁场进行分析，利用麦克斯韦应力张量法推导出交流绕组产生驱动力与电流的关系，为设计、分析及控制提供参考，通过 Ansoft 软件进行有限元电磁场仿真，得到交流绕组所需电流、悬浮气隙等控制参数。 对应用于磁悬浮式微动工作台控制系统中的多种控制方式和手段进行总结，提出将H∞控制方法引入磁悬浮式微动工作台的控制。本文利用H∞控制理论的混合灵敏度方法，根据磁悬浮式微动工作台受到扰动情况选择合适的加权函数，设计出能使其稳定且具有良好鲁棒性的H∞控制器。并针对磁悬浮式微动工作台设计了传统的PD和PID控制器。在传统的PD和PID控制与H∞控制下，通过理论、仿真和实验结果分析，对磁悬浮式微动工作台的稳定性、动态品质和鲁棒性等指标进行比较，证明H∞控制方法对于提高其性能品质和克服模型误差的影响方面具有优越性，同时对于抑制不确定性扰动有良好的效果。 本文在分析磁悬浮式工作台的构成及工作原理的基础上，提出了利用MATLAB/xPC方法实现对磁悬浮式微动工作台实时控制的构想。确定了利用MATLAB RTW实时工具箱构建一个实时控制平台的方法，将Simulink生成的仿真模型下载到实时内核中运行，驱动外部硬件设备，实现对磁悬浮式微动工作台的控制，通过实验验证该方法的可行性。

目录

文摘

英文文摘

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第一章综述

1.1课题研究的背景和意义

1.2微动工作台研究现状

1.2.1柔性铰链式微动工作台

1.2.2滚动导轨式微动工作台

1.2.3平行弹簧导轨式微动工作台

1.2.4滑动导轨式微动工作台

1.2.5气浮式微动工作台

1.2.6磁悬浮式微动工作台

1.2.7各种微动工作台性能总结

1.3国内外磁悬浮技术现状

1.3.1国外磁悬浮技术现状

1.3.2国内磁悬浮技术现状

1.4磁悬浮控制方法的现状与发展趋势

1.4.1非线性控制

1.4.2智能控制系统

1.4.3系统识别

1.4.4鲁棒控制

1.5论文研究内容和主要工作

1.6课题来源及论文组织结构

1.7本章小结

第二章磁悬浮式微动工作台的理论分析与建模

2.1磁悬浮式微动工作台工作原理

2.2电磁铁悬浮模型及特性分析

2.3 Halbach永磁阵列和交流绕组模型及特性分析

2.3.1 Halbach永磁阵列

2.3.2 Halbach永磁阵列的磁场分析

2.3.3定子绕组磁场分析

2.3.4合成磁场分析

2.3.5单组永磁阵列和定子绕组产生的电磁力

2.3.4四组绕组和永磁阵列产生的电磁力和力矩

2.3.5磁悬浮式微动工作台建模

2.4本章小节

第三章磁悬浮式微动工作台控制器的设计和仿真

3.1磁悬浮式微动工作台控制系统的工作原理

3.2磁悬浮式微动工作台传统控制器设计

3.2.1 PD控制器

3.2.2 PID控制器

3.3 H∞控制器的设计

3.3.1 H∞控制理论简述

3.3.2磁悬浮式微动工作台H∞控制理论

3.3.3电流型磁悬浮式微动工作台的H∞控制

3.3.4 H∞控制器的仿真结果

3.3本章小结

第四章基于MATLAB的磁悬浮式微动工作台控制策略的实现

4.1 Matlab软件的简介

4.1.1 Simulink仿真系统

4.1.2 RTW(Real-time workshop)工作方式

4.2选用此软件的缘由

4.3实时控制方式

4.4数控磁悬浮式微动工作台的实现

4.4.1硬件构成

4.4.2实时控制软件研究

4.5数控磁悬浮式微动工作台的悬浮实验条件和分析

4.5.1实验条件的获得

4.5.2实验结果

4.5.2实验结果分析

4.6本章小结

第五章总结与展望

5.1 工作总结

5.2展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文和获得的科研成果