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电磁驱动微运动 程动平 B09340207 叶园徽 B09340224 裘晨曦 B09340216 洪兴超 B09340209 什么是电磁驱动？ l 电磁驱动式微动台是靠电磁力直接驱动的，通过控制线圈中电流 的大小来控制电磁力的大小，从而带动工作台产生相应的精密微位移 。由于电磁微动台是电磁驱动单元和并联机构相融合的产物，通过控 制电磁驱动元件，可实现微动台的精密运动。由于磁力的非接触性， 可以达到很高的精度。 l 当在通电螺线管内部插入铁芯后，铁芯被通电螺线管的磁场磁化。磁 化后的铁芯也变成了一个磁体，这样由于两个磁场互相叠加，从而使 螺线管的磁性大大增强。为了使电磁铁的磁性更强，通常将铁芯制成 蹄形。但要注意蹄形铁芯上线圈的绕向相反，一边顺时针，另一边必 须逆时针。如果绕向相同，两线圈对铁芯的磁化作用将相互抵消，使 铁芯不显磁性。另外，电磁铁的铁芯用软铁制做，而不能用钢制做。 否则钢一旦被磁化后，将长期保持磁性而不能退磁，则其磁性的强弱 就不能用电流的大小来控制，而失去电磁铁应有的优点。 目前电磁驱动工作台按其工作维数可以分为如下： 一维电磁微驱动装置：当中目前主要是利用基于洛仑兹力 的音圈电机作为微动驱动器。音圈电机的行程为毫米级， 闭环控制精度可以达到纳米级，非常适于小行程超精密运 动驱动。 二维电磁微驱动装置：主要是靠电磁驱动单元 的组合驱动，平面支撑主要靠气浮或磁浮实现。类似于平 面电机，但与平面电机有着本质的不同之处是，不存在明 显的齿槽效应，该类型机构主要应用于芯片光刻机、 光 纤对接装置和精密光学仪器中。 三维电磁微驱动装置： 与二维机构的工作原理类似，其多自由度的运动是靠多个 驱动单元共同作用完成，该机构在半导体加工、显微镜扫 描、微装配和快速成型等领域有着重要的应用。 电磁驱动应用实例 圆形电磁驱动台 磨床圆形强力电磁吸盘 工作台 新型电磁驱动器 电感传感器的信号采集电路和基 于AD698的电感传感器信号调理 电路电磁微运动的实现方法 l 电磁铁通电使铁芯磁化，吸引运动机构移动。运 动机构的移动（运动范围0-5mm）改变了电感传 感器的空气间隙从而改变电感值。电感值的变化 会在信号处理电路上用输出电压表现出来。测得 的电压变化量接入A/D转换片，转换后得到的数 字量送入单片机处理并显示结果。这样就可以把 电磁驱动铁芯的实际位移测量出来，将所要得到 的位移与实际需要量进行比较后送 PID控制部分 根据得到的电压信号来判断实际位移量是否符合 预想值并进行调节，精度为1微米。最后控制电磁 铁的来对实际位移量来调节 l电磁铁的引力公式为 l l 式中B为电磁场磁通密度 l 为导磁率 l S为磁极截面面积 l电磁铁引力： l线圈电流与磁通密度关系为 l l N为线圈的匝数 l 为磁路长度 l o磁性材料导磁率 l 空气导磁率 l D为空气隙长度 l I为电流强度 l 由于 l l 则 l 改变电流后空气隙长度发生变 化，衔铁发生移动从而实现了 微位移运动 磁致伸缩式微位移机构 l 它的工作原理如图11所示。微动台用片簧支撑 ，在微动台的端部固定强磁体，它与磁致伸缩棒 之间有一定的间隙，通过改变线圈中的电流强度 ，改变对工作台的吸引力，从而达到微位移的目 的。其精度可达亚微米。 该机构具有结构简单 紧凑、重复精度高、无间隙、刚性好、传动惯量 小、工作稳定性好等优点;但在磁场作用下伴有发 热，故微动精度不高。它适用于精确位移调整、 切削刀具的磨损补偿、温度变形补偿及自动调节 系统等 运动范围 l 由公式 工作台被磁铁吸引而移动的距离正比于 （NI）的平方，当电流逐渐增大时气隙d就越来越小， 磁通量增大吸引力也显著增大。当达到某一临界值时 ，工作台就会突然与电磁铁发生碰撞，此临界值可由 课本式（5-14）导出： l d初始空气隙长度。 l 当 时，发生碰 撞，则 l 由上式得出 l 即当工作台移动达到初始间隙的1/3时，被 吸向磁极。为此在设计时，应考虑到工作台 运动到初始间隙的1/3时，在磁通路中磁通 量达到饱和，即可以避免相撞。在磁饱和条 件下，公式 不再适用 l 在上述条件下磁路阻力比气隙阻力大的多，自然， 磁阻 不能忽略。随磁饱和产生，磁阻 增大，工作台移动量减小若将开始磁饱和时的磁通 量的大小定为 l 由公式 和公式 得出 ，当产生磁饱和时，整个磁性物质的长度等于气隙 长度 ，B和NI几乎成线性关系，定为范 围可以扩大。磁芯环路的形状设计成锥形，增大dS 的同时，磁通量也增大，这样B和NI的关系就是线 性关系。 l图5-29所示，为一利用磁泄漏装置，当电 流-磁力增大，磁极吸引工作台，使其间隙 变小，则磁极磁阻减小，结果磁通量增大 ，使磁饱和磁性盘里的磁通量饱和，其磁 阻和通过磁化极的磁泄露增大。结果，无 论电流增大多少，只有通过磁性的磁泄漏 增加，而吸引工作台的磁通量不会增加多 少，从而使力学特性得到调节，避免发生 碰撞。 运动精度 l 由于电磁驱动台的驱动是以磁场为介质的，因此磁场的分析和设计是电磁微 动台整体结构设计的前提。尽管 目前学者已经对磁场分析、电磁力计算等重 要问题进行了相关研究， 但是还未形成一套完整的电磁微动台磁场分析 和设 计的理论。特别是对边端效应、局部饱和 、推力波动等影响定位性能的重要 因素，以及如何实现长行程、大推力和高响应等问题都值得深入研究。 微动 台的结构是电磁驱动单元和位置检测单元安装的主体，是微动台稳定工作的 基础。现有的电磁微动台在 设计上虽然也以质量轻、结构紧凑、工艺性好和 便于控制等为设计准则， 但在如何保证质心驱动、散热和减少磁力耦合等方 面考虑不够，因此鉴于上述方面设计更加合理和 新颖的结构是提高工作台性 能的重要途径之一。 电磁式微动台除了本身结构之外，其定位精度和响应 速度，主要是靠控制系统来完成的。现今的电磁力的控制系统大多基于电流 控制模式，在这种控制模式中忽略了线圈电感对电流变化的抑制作用，若线 圈中电流的变化过于剧烈时，系统中实际电流与参考电流之间将出现较大误 差，影响定位精度 。因此，为获得高性能的电磁力控制系统，必须从电磁力 的电压方程出发建立更能准确体现微动台电磁特性的数学模型，以设计电磁 微动台的控制系统。除此之外，可充分借鉴其他的控制原理和方法，如矢量 控制理论、推力脉动抑制方法等 精度，稳定速度和气隙的关 系 当不考虑饱和特性时，随精度和定位范围的确定 ，则合适的稳定速度和气隙长度也确定了。当公 式可得到的移动距离的变化量和电流变化量之比 为 当电流变化速度为 (A为常 数），精度为K时，则 l 将 带入上式，得 电流变化速度I/A和气隙d变化量之间的关系如图5-30。 在 1um10mm之间，精度K为0.0um10um。为提高精度，应采取较 高的电流变化精度。 参考文献 l1微型泵与电磁驱动 l0:8000/rewriter/SD/http/vvv9rbhdmbdchqdbs9bnl/science/article/pii/ S0262176204004110 l2在设计电磁驱动器操作条件下的高振动 l/detail/detail.aspx?tablename=SSJDTEMP_U&filename=SSJD1 21030002356&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYyRGsySUNUdFFRazZsdmJvMUJGQXl nV0s5Wk83ejN1aVp5OVc4WXV6eUtROGpLTWd3PQ= l3电磁驱动系统的机器鱼 l/detail/detail.aspx?tablename=SSJDLAST2012_U&filename=SS JD120821003601&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYyRGsySUNUdFFRazZsdmJvMUJG QXlnV0s5Wk83ejN1a l4研究对于电磁场成微波干燥设备 l/detail/detail.aspx?tablename=SJDJ_U&filename=SJDJ000381 778&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYyRGsySUNUdFFRazZsdmJvMUJGQXlnV0s5Wk8 3ejN1aVp5OVc4WXV6eUtROGpLTWd3PQ= l 5电磁波的影响和热场的干燥过程的草药在微波场和热空气 l /detail/detail.aspx?tablename=SJDJ_U&filename=SJD J000381779&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYyRGsySUNUdFFRazZsdmJvM UJGQXlnV0s5Wk83ejN1aVp5OVc4WXV6eUtROGpLTWd3P l 6电磁污染和我们的健康 l /detail/detail.aspx?tablename=SJDJ_U&filename=SJD J000382509&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYyRGsySUNUdFFRazZsdmJvM UJGQXlnV0s5Wk83ejN1aVp5OVc4WXV6eUtROGpLTWd3PQ l 7高频电磁场归纳Lipocalin 2表达 l /detail/detail.aspx?tablename=SJDJ_U&filename=SJD J000383974&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYyRGsySUNUdFFRazZsdmJvM UJGQXlnV0s5Wk83ejN1aVp5OVc4WXV6eUtROGpLTWd3PQ l 8分析研究的配方电磁波散射行为对圆柱形状的介电材料 l /detail/detail.aspx?tablename=SJDJ_U&filename=SJD J000390255&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYyRGsySUNUdFFRazZsdmJvM UJGQXlnV0s5Wk83ejN1aVp5OVc4WXV6eUt l 9数值模拟的电磁感应加热过程热疗法 l /detail/detail.aspx?tablena me=SJDJ_U&filename=SJDJ000300651&uid=W EEvREcwSlJHSldTTEYyRGsySUNUdFFRazZsd mJvMUJGQXlnV0s5Wk83ejN1aVp5OVc4WXV6 eUtROGpLTW l 10电磁场在生物组织对象 /detail/detail.aspx?tablena me=SJDJ_U&filename=SJDJ000563878&uid=W EEvREcwSlJHSldTTEYyRGsySUNUdFFRazZsd mJvMUJGQXlnV0s5Wk83ejN1aVp5OVc4WXV6 eUtROGpL l /view/99f62a3e5727a5e9 856a61be.html l 电磁驱动微小型机器人控制系统的研究 l /view/0c02c6094a73027 68e9939fc.html l 磁悬浮式微动工作台驱动方案的设计与实现 l /view/ac18c730a32d737 5a417803a.html l 电磁驱动在微小驱动方面的应用 l /view/18d2390403d8ce2f 00662364.html l 电磁驱动与控制研究室介绍 l /view/3452e1f74693daef5ef73df9.html l 电磁驱动电容式振动微机械陀螺接口电路研究 l /view/207f3f4d