磁悬浮式微动工作台的设计与建模研究

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在超精密加工、微电子工程、纳米科技等精密工程领域,往往需要精密的微运动,因此高性能的微动工作台是该领域中的重要仪器设备。本论文对现有微动工作台的运动范围、定位精度、运动自由度等性能指标进行分析比较,提出了一种交直流混合驱动的磁悬浮式微运动新方法,设计了一种新型的磁悬浮式微动工作台,实现了运动平台大范围6自由度微运动和恒高度微运动。 本论文进行了磁悬浮式微动工作台总体设计、Halbach永磁阵列设计、定子绕组设计、电磁铁设计、运动平台设计和驱动电路设计。然后在此基础上进行了Halbach永磁阵列的磁场分析、定子绕组的磁场分析以及两者合成的磁场分析,并采用麦克思维应力张量法推导出了交流绕组产生驱动力与电流的关系,并计算出四个直流电磁铁产生的电磁力与电流关系,最后对该磁悬浮式微动工作台进行了建模研究。 针对磁悬浮式微动工作台的开环不稳定性,分别设计了超前滞后控制器和PID控制器应用在工作台水平方向微运动控制中,利用Matlab软件对其进行了仿真,仿真结果表明PID控制器的性能明显优于超前滞后控制器,说明PID控制策略适合该磁悬浮式微动工作台的运动控制。 最后,本论文在开环状态下进行了该磁悬浮式微动工作台的稳定性试验和一维微运动试验。稳定性试验结果表明该磁悬浮式微动工作台在平衡位置处可以实现稳定,稳定误差小于2.77mm;一维微运动试验结果表明该磁悬浮式微动工作台在x方向上50mm运动范围内平均运动速度为56.1mm/s,与理论分析值64mm/s基本相吻合;造成以上运动误差较大的主要原因是由于工作台模型本身的开环不稳定性。磁悬浮式微动工作台的稳定性试验和一维微运动试验初步验证了本论文设计的磁悬浮式微动工作台的可行性。
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