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《武汉大学》 2016年
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基于洛伦茨执行器的多轴磁悬浮定位系统设计与研究

徐逢秋  
【摘要】:在超精密制造领域,例如半导体加工、生物工程和航空航天零件制造,其控制、加工和装配精度均在微纳米级,因此,需要具有相应精度等级的定位装置以保证其精度。传统的定位装置无法摆脱机械传动机构内在的摩擦力,从而造成了运动精度低、运动自由度受限等缺点;现有的以压电材料为执行器的微动装置能够在多个运动方向上同时达到纳米级的定位精度,但仍存在运动行程小、响应速度慢等缺点。当前,磁悬浮定位技术被认为是实现高定位精度、大运动行程、多运动自由度、高响应频率的有效手段。洛伦茨执行器作为一种直流驱动式运动执行器,具有优异的可控性、良好的运动分辨率以及灵活的设计结构,十分适合为磁悬浮系统提供精确可控的动力。因此,本文开展了洛伦茨执行器在多轴磁悬浮定位系统中的应用研究,重点研究了基于洛伦茨执行器的多轴磁悬浮定位系统设计和仿真方法,所取得的研究成果主要包括以下四个方面。(1)提出了一种针对柱型洛伦茨执行器的输出磁力计算方法,并将其应用于磁悬浮系统控制器设计中以保障系统的工作指标。本文基于洛伦茨积分获得执行器输出磁力表达式,采用数值积分进行求解,实现了柱型洛伦茨执行器磁力-位置特性计算。以柱型洛伦茨执行器为运动执行器设计了单轴磁悬浮系统,通过解算得到的磁力-位置特性选择系统中运动部件的运行范围,使磁悬浮系统具有开环稳定性,同时将计算模型应用于磁悬浮系统的线性化,获得了理想的控制效果。实测结果表明,所提出的洛伦茨执行器磁力计算方法具有良好的求解精度,所设计的单轴磁悬浮系统的稳态和动态性能十分优异。(2)提出了一种结构紧凑的多轴磁悬浮定位系统驱动设计方法,使定位系统在mm级的运动行程内获得了μm级的定位精度。本文采用八个结构完全一致的柱型洛伦茨执行器提供竖直浮力和水平推力,实现了悬浮平台的运动控制;利用三个涡流位移传感器和三个激光位移传感器构成传感系统,实现了磁悬浮平台空间中位置与姿态测量;结合各执行器的磁力模型和空间布局获得本磁悬浮系统的电流动力转换矩阵,在控制器中实现了各驱动单元间的运动解耦。实验结果表明,系统在2mm×2mm×2mm的运动范围以及80mrad×80mrad×40mrad的旋转范围内,实现了水平和竖直方向上2.8μm与4μm的运动分辨率,以及水平和竖直方向上110μrad与80μrad的旋转分辨率;通过给出的对照实验,表明所提出的多轴磁悬浮系统设计方法能够使系统的工作性能得到显著提高。(3)提出了一种针对洛伦茨执行器输出特性的并行化仿真方法,以兼顾仿真效率和仿真精度。本文通过等效磁荷法、高斯数值积分、空间坐标变换获得了洛伦茨执行器输出磁力的通用计算模型,实现了洛伦茨执行器在不同运动状态下的动力特性求解。基于本模型固有的良好并行性,通过具有大规模并行化程序执行能力的图像处理器(GPU)配置计算模型,获得了显著的加速效果。实测结果表明,相比北于采用有限元或者边界元法求解磁力模型的商用软件或程序开发包,所提出的并行化磁力模型在获得相同仿真精度、通用性和鲁棒性的前提下,在仿真效率上具有极大的提升。(4)提出了一种针对磁悬浮系统的硬件在环仿真模型,以实现多轴磁悬浮系统配套控制器的在线仿真测试。本文利用此前提出的执行器磁力模型计算方法,结合FPGA中并行化及流水线式程序执行模式,使仿真过程中单个采样点的计算周期小于100μs;结合电路计算单元和运动状态解算单元,构建了能够与实际控制器相连的单轴磁悬浮系统和六自由度磁悬浮平台实时数学模型,实现了控制器的硬件在环仿真。测试中,通过比较仿真模型的输出结果与磁悬浮系统的实际运行效果,证明所构建的硬件在环仿真方法能够准确反映控制器的实际工作情况。本文针对洛伦茨执行器在磁悬浮定位系统中的应用展开了深入研究,在磁悬浮定位系统的设计和仿真方法上,取得了一定的研究成果。这些研究成果对超精密加工中配套定位装置的研制,以及商用软件中针对多轴磁悬浮系统驱动单元和控制器仿真方法的完善,具有很好的实用价值与理论意义。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TH703;TP273

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