磁场同步跟随式电磁悬浮微驱动器的驱动方法研究

摘要

随着微/纳米科学技术的快速发展，在微机电系统、生物工程、分子原子操纵等领域中，迫切需要具有高操作精度的微运动系统。与传统的微驱动器相比，电磁悬浮式微驱动器具有单一驱动模式能实现多自由度、大范围运动的突出优点，因此在精密仪器加工、医学等领域拥有着巨大的市场潜力和广阔的应用前景。
　　 本论文首先介绍了电磁悬浮式微驱动器的原理并进行了运动状态分析；再通过设计驱动电路为微驱动器提供合适的功率来驱动微驱动器进行多自由度微运动；最后为了使微驱动器在运动过程中保持稳定，设计了同步跟随电路通过快速改变通电模式达到磁场同步跟随，实现微驱动器的跟随微运动。在理论分析方面，应用傅立叶级数表示法、矢量磁位法和麦克斯韦张量法对磁场同步跟随原理进行分析，建立电磁悬浮式微驱动器特征参数的数学模型，得出了悬浮驱动力、电流和气隙的理论关系曲线。在驱动方面，本论文采用了线性功率放大的电压驱动方案，并设计了以PA12A为核心的驱动电路，经过实验和误差分析，该驱动电路无论在性能方面还是长时间工作方面都优于以LM1875为核心的电流型放大驱动电路，具体表现在负载稳定度、输出纹波、电流线性度等方面有着良好的效果。在同步跟随方面，本论文采用了多路同步触发控制方案，将CPLD同步触发电路与变压器同步触发电路进行了理论比较，在相同的条件下，CPLD同步触发具有更高的灵活性、结构简单等优点。本论文采用了CPLD同步触发，无论在响应速度上，还是在触发的同步性都能满足电磁悬浮式微驱动器的需要。
　　 最后，经过对电磁悬浮式微驱动器进行了驱动能力测试实验和平动实验，得出了悬浮驱动力、电流、气隙的关系曲线，拟合后与理论分析吻合良好，验证了电磁悬浮式微驱动器理论分析的正确性和同步跟随驱动设计的可行性，从而为进一步的精确运动控制打下了良好的基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 综述

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 微驱动器的原理及分类

1.2.1 电磁式驱动技术

1.2.2 非电磁式驱动技术

1.3 微驱动器研究现状

1.3.1 国外微驱动器研究现状

1.3.2 国内微驱动器研究现状

1.3.3 电磁悬浮式微驱动器的介绍

1.4 论文研究内容和主要工作

1.5 课题来源及组织结构

1.6 本章小结

第二章 电磁悬浮式微驱动器的理论分析

2.1 电磁悬浮式微驱动器的结构及工作原理

2.1.1 电磁悬浮式微驱动器结构

2.1.2 电磁悬浮式微驱动器工作原理

2.2 电磁悬浮式微驱动器的磁场分析

2.2.1 悬浮永磁阵列磁场分析

2.2.2 驱动导线阵列磁场分析

2.2.3 合成磁场及受力分析

2.3 电磁悬浮式微驱动器的运动分析

2.3.1 电磁悬浮式微驱动器的平动分析

2.3.2 电磁悬浮式微驱动器的转动分析

2.4 本章小结

第三章 电磁悬浮式微驱动器的驱动电路设计

3.1 电磁悬浮式微驱动器的驱动要求

3.2 电磁悬浮式微驱动器的驱动方案选择及电路设计

3.2.1 驱动方案选择

3.2.2 功率芯片的选择

3.2.3 驱动电路设计

3.2.4 反馈电路对放大电路性能的影响

3.3 试验及结果分析

3.4 本章小结

第四章 电磁悬浮式微驱动器的同步跟随设计

4.1 电磁悬浮式微驱动器的同步跟随要求

4.2 电磁悬浮式微驱动器的同步跟随方案选择及电路设计

4.2.1 同步跟随方案选择

4.2.2 同步跟随电路芯片选择

4.2.3 同步跟随电路设计

4.2.4 同步跟随软件设计及仿真

4.3 实验及结果分析

4.3.1 触发电流影响分析

4.3.2 同步信号触发影响分析

4.4 本章小结

第五章 电磁悬浮式微驱动器的实验研究

5.1 实验系统构成

5.2 实验结果及数据分析

5.2.1 驱动能力实验及分析

5.2.2 平动实验及分析

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文创新点

6.2 工作总结

6.3 展望

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文