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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,需要高精密的微运动,因此高性能的微动工作台是这些领域中的重要仪器设备。论文系统地阐述了国内外微动工作台的发展概况和发展趋势,在参考现有微动工作台的基础上,构造了一种基于交直流混合驱动的磁悬浮式微动工作台,以实现大范围、高精度和∈自由度的微运动。
本论文分别建立了直流驱动和交流驱动的动力学模型。对于直流驱动部分,根据电学和力学原理,推导出直流驱动的非线性数学模型,在平衡点处做线性化处理后,建:立了单质点直流驱动的动力学模型;对于交流部分,本文对交流驱动的磁场进行分析,利用麦克斯韦应力张量法推导出交流绕组产生驱动力与电流的关系,为设计、分析及控制提供参考,通过 Ansoft 软件进行有限元电磁场仿真,得到交流绕组所需电流、悬浮气隙等控制参数。
对应用于磁悬浮式微动工作台控制系统中的多种控制方式和手段进行总结,提出将H∞控制方法引入磁悬浮式微动工作台的控制。本文利用H∞控制理论的混合灵敏度方法,根据磁悬浮式微动工作台受到扰动情况选择合适的加权函数,设计出能使其稳定且具有良好鲁棒性的H∞控制器。并针对磁悬浮式微动工作台设计了传统的PD和PID控制器。在传统的PD和PID控制与H∞控制下,通过理论、仿真和实验结果分析,对磁悬浮式微动工作台的稳定性、动态品质和鲁棒性等指标进行比较,证明H∞控制方法对于提高其性能品质和克服模型误差的影响方面具有优越性,同时对于抑制不确定性扰动有良好的效果。
本文在分析磁悬浮式工作台的构成及工作原理的基础上,提出了利用MATLAB/xPC方法实现对磁悬浮式微动工作台实时控制的构想。确定了利用MATLAB RTW实时工具箱构建一个实时控制平台的方法,将Simulink生成的仿真模型下载到实时内核中运行,驱动外部硬件设备,实现对磁悬浮式微动工作台的控制,通过实验验证该方法的可行性。