电磁悬浮微驱动器的设计与控制方法研究

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本论文依托于国家自然科学基金项目《面向微操作的电磁悬浮式空间微运动方法及其理论研究》(No.60575055),设计了一种基于磁场同步跟随原理的电磁悬浮式微驱动器,解决了悬浮单元与驱动单元之间的耦合和运动稳定性较低的问题,并对控制方法做了详细的理论与实验研究。   首先本论文在综述国内外电磁驱动器的研究现状的基础上,构建了在一个机构中集驱动、测量和控制于一体的磁悬浮微驱动新方法。其次分析了同步跟随的实现原理,对竖直模块和水平模块的磁场和驱动力进行了理论分析。结合力学模型以及多自由度运动时的力学关系,推导出竖直模块和水平模块的力学方程和数学模型,为后续的仿真分析提供了对象。   针对电磁悬浮微驱动器需要实现快速高精度运动的要求,提出了一种基于最大值原理的模糊PID控制方法(Fast-Fuzzy-PID,简称FFPID),该方法具有模糊控制器动态性能较好、PID控制器精度高的优点,使驱动器具有较好的快速跟踪能力。为了实现高稳定性的要求,将H∞控制理论引入到磁悬浮驱动器的控制,根据系统受到扰动情况选择合适的加权函数,设计出能使该系统稳定且具有良好鲁棒性的H∞控制器。在仿真环境下对两种控制方法在阶跃、方波驱动信号的作用下进行跟踪实验和抗干扰实验,验证了FFPID对连续变化信号具有较好的跟踪特性,H∞能保证系统有较好的稳定性。   利用高性能的DSP处理芯片、高精度的传感器、数据采集卡和基于虚拟仪器的上位机测量监控软件开发了一套具有闭环控制实时显示的测量控制系统。在这套系统中完成了不同控制算法的信号跟踪实验、平面定位实验、抗干扰以及负载能力试验。通过比较分析实验数据,得出FFPID跟踪方波信号的调节时间比Hoo控制方法少0.4s,稳态误差少0.13mm,稳态时H∞控制方法对干扰信号的响应小于FFPID控制方法0.16mm,并且在0.8mm-2.25mm之间具有较好的驱动能力。实验结果总结出驱动器的性能特征和控制算法的特点,为今后微驱动器确定较优的控制方法提供了依据。
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