新型微直线电机电磁优化及高精度位置检测研究

摘要

微机电系统（Micro Electro-Mechanical Systems，MEMS）需要其驱动器具有大行程、高精度、高响应速度等特点。由于直线电机无需利用传动装置进行运动转换，相比于旋转电机具有定位精度高，响应速度快，动子加速度大等优点，正好满足微机电系统中对微驱动器的要求。本文针对适用于微机电系统中的新型微直线电机开展研究，主要研究内容如下：　　首先详细介绍微直线电机的结构与工作原理，将直线电机等效为旋转电机后推导其数学模型，为电机电磁优化研究奠定基础；　　然后从动子和定子进行电磁优化设计，分析动子永磁体材料选取，采用毕奥-萨伐尔定律推导动子磁场分布解析式，探究动子块状永磁体垂直方向分量的磁场分布与永磁体尺寸参数的关系；利用Maxwell对本文提出的新型微直线电机进行电磁建模仿真，对微直线电机电磁性能进行分析。重点从电机永磁体厚度、蛇形绕组线圈尺寸、绕组间相距、气隙长度等参数对电机开展研究，探究基于以上参数的微直线电机优化方法；确定微直线电机的基本尺寸，通过仿真验证该电机参数的选取能否满足电机的设计要求；　　接着对比电机位置获取的不同方法，针对微直线电机在实际应用中空间限制提出采用隧道磁阻（Tunnel Magneto Resistance，TMR）传感器检测动子运动过程中磁场的变化，并解码电机动子的位置信号；通过改变微直线电机动子位置获得对应的TMR传感器输出电压大小，确定TMR传感器选用的数目和安装位置；介绍反向传播（Back Propagation，BP）神经网络和粒子群优化（Particle Swarm Optimization，PSO）算法的基本原理，提出采用改进粒子群算法优化BP神经网络（Improved Particle Swarm Optimization for Back Propagation neural network，IPSOBP）对动子位置解码方式；　　最后分析精细微加工的主要方法，针对微直线电机的结构特点制定新型微直线电机加工路线。针对微直线电机搭建实验平台，测试电机实际运行状况。通过硬件电路设计和Simulink代码生成完成电机位置闭环控制，验证本文提出的位置解码算法有效性。

目录

1 绪 论

1.1 课题背景和研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要内容

2 微直线电机数学模型建立

2.1 引言

2.2 微直线电机基本结构及工作原理

2.3 微直线电机数学模型

2.4 小结

3 微直线电机电磁优化研究

3.1 引言

3.2 微直线电机动子优化研究

3.2.1 动子永磁体材料分析

3.2.2 电机动子磁场解析

3.2.3 永磁体厚度对电机推力输出的影响

3.3 微直线电机定子绕组优化研究

3.3.1 蛇形绕组横截面大小对电机推力输出影响

3.3.2 两相绕组间距对电机性能影响

3.4 微直线电机气隙长度优化研究

3.5 微直线电机电磁仿真

3.6 小结

4 微直线电机位置检测

4.1 引言

4.2 TMR位置传感器安装位置确定

4.2.1 隧道磁阻传感器原理

4.2.2 TMR传感器测试及选型

4.3.1 BP神经网络

4.3.2 改进粒子群算法

4.3.3 IPSOBP算法流程

4.3.4 IPSOBP神经网络算法设计

4.3.5 IPSOBP神经网络位置解码结果分析

4.4 小结

5 微直线电机样机制备及测试

5.1 引言

5.2 微加工方法简介

5.2.1 硅片清洗

5.2.2 硅的热氧化

5.2.3 薄膜沉积工艺

5.2.4 图形化掩膜版的制作

5.2.5 图形光刻

5.2.6 刻蚀工艺

5.3.1 动子加工

5.3.2 定子加工

5.4.1 电机测试平台搭建

5.4.2 电机测试结果分析

5.5 TMR传感器位置检测系统实验测试

5.6 小结

6 总结与展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C. 学位论文数据集

致谢