（控制理论与控制工程专业论文）直线电机驱动6dof磁悬浮平台控制的研究.pdf

沈阳工业丈学硕士学位论文 摘要 磁悬浮平台是一种微机电装置，广泛应用于半导体微细加工、电路板制造、微组 装系统、光刻、高速贴片等场合，涉及到机械、电子、光学、传感与测量、伺服驱动 和自动控制许多关键技术。磁悬浮平台控制的研究对生产高性能的晶片、半导体具有 重要意义。 本文介绍一种新型的磁悬浮平台，应用多变量非线性的逆系统理论，对直线电动 机驱动的磁悬浮平台这一多变量、非线性、强耦合的对象通过状态反馈线性化实现动 态推力解耦控制，使其成为三个子系统，同时借助干扰观测器对扰动实现抑制；对悬 浮控制采用带有输入解耦的h 。控制。在高精度的6 自由度定位平台中，采用三套直 线伺服驱动装置，由于动子的负载不总是对称以及难以预料的一些不确定性的扰动， 使各自由度的驱动装置之间产生耦合，且悬浮控制与水平推力控制之间相互影响，导 致系统成为一个复杂的被控对象。对于这样一个复杂的控制对象，要想对其实现准确 的控制，满足快速精密定位的要求，必须对推力各自由度进行动态解耦和悬浮的精确 控制。而逆系统方法可以通过状态反馈线性化，实现对多变量、强耦合的非线性系统 实现动态解耦线性化。但由于外部扰动及模型参数的摄动造成了实际对象的解耦模型 与名义解耦模型间产生差异，难以达到理想的解耦效果。因此，本文在解耦的基础上 设计了干扰观测器进行补偿，这种方法易于应用到实际工程中。磁悬浮控制部分采用 具有输入解耦的参数不确定性h 。控制，来抑制参数摄动对控制的影响，保汪悬浮高度 的精确控制。 仿真实验结果表明，采用针对推力部分应用逆系统方法，对6 自由度直线驱动磁 悬浮平台推力的控制进行状态反馈解祸控制，并用干扰观测器来补偿扰动；和针对悬 浮部分采用基于输入解祸的参数不确定性。控制方案。使系统具有良好的动态、静 态性能和鲁棒性。其控制精度满足高精度制造领域要求，对今后磁悬浮平台的控制研 究提供了一些观点。 关键词：动态解耦控制，干扰观测器，参数摄动，状态反馈，鲁棒控制 沈阳工业大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho fc o n t r o l 6d o fp l a n a rm a g n e t i cs u s p e n s i o ns t a g e d r i v e nb yl i n e a rm o t o r a b s t r a c t p l a n a rm a g n e t i cs u s p e n s i o ns t a g ei so n ei n i c r o - e l e c t r o m e c h a n i c a la p p a r a t u s ，w h i c hi s w i d e l yu s e d i ns e m i - c o n d u c t o rp r o c e s s i n g ，c i r c u i tb o a r dm a n u f a c t u r i n g , m i c r o a s s e m b l i n g s y s t e ma n ds oo n m a n yc r i t i c a lt e c h n i q u e s ，s u c ha sm e c h a n i c s ，e l e c t r o n i c s ，o p t i c s ，s e r v o d r i v i n ga n da u t o m a t i cc o n t r o l ，a r ec o n c e r n e di nt h ep l a n a rm a g n e t i cs u s p e n s i o ns t a g e t h e r e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r eo fp l a n a rm a g n e t i cs u s p e n s i o ns t a g eh a sav e r yi m p o r t a n tm e a n i n g f o rm a n u f a c t u r eo f h i g hp e r f o r m a n c ec r y s t a lp l a t ea n ds e m i c o n d u c t e r an o v e lp l a n a rm a g n e t i cs u s p e n s i o ns t a g eh a sb e e np r e s e n t e di nt h i st h e s i s ，ad e c o u p l i n g c o n t r o la p p r o a c hb a s e do nd y n a m i ci n v e r s i o nh a su s e df o rp r o p u l s i o no fp l a n a rm a g n e t i c s u s p e n s i o ns t a g es y s t e mt h a ti san o f l l i n e a r , m u l t i v a r i a b l ea n ds t r o n gc o u p l i n gs y s t e m s ot h i s m e t h o dm a k e st h ec o m p l i c a t e ds y s t e ms i m p l i c i t ya n dl i n e a r , t h ed i s t u r b a n c eh a sb e e n s 哪i p 】删b yu s i n gt h ed i s t u r b a n c eo b s e r v e r ar o b u s tc o n t r o lh a su s e df o rt h es u s p e n s i o no f p l a n a rm a g n e t i cs u s p e n s i o ns t a g e i ns i xf l e e d o mp o s i t i o n e ds t a g eo f h i g hp r e c i s i o n ，t h r e es e t s o fl i n es e r v od r i v i n g 印p a r a t u sa r ea d o p t e d f o rt h el o a d so fm o v e r sa r en o to f t e ns y m m e t r i c a l a n ds o m eu n e x p e c t e dd i s t u r b a n c e ，t h ed r i v i n ga p p a r a t u so fe a c hf r e e d o mi sc o u p l e dw i t ht h e o t h e r s ，a n dt h ei n t e r a c t i o n a lb e t w e e ns u s p e n s i o na n dp r o p u l s i o n ，w h i c hm a k e st h es y s t e m b e c o m eac o m p l e xc o n t r o l l e dp l a n t a st os u c ha c o m p l e xp l a n t , t h ed y n a m i cd e c o u p l i n gf o r e a c hf r e e d o mm u s tb ed o n es oa st oa t t a i nt h ea c c u r a t ec o n t r o la n ds a r i s f yt h er e q u e s to fq u i c k a n dp r e c i s ep o s i t i o n i n g t h em e t h o do fi n v e r s es y s t e mc a nr e a l i z et h ed y n a m i cd e c o u p l i n gf o r t h es y s t e mo f m u l t i v a r i a t ea n di n t e n s i v ec o u p l i n gb ys t a t ef e e d b a c kl i n e a r i z a t i o n h o w e v e r , f o r t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ed e c o u p l i n gm o d eo fp r a c t i c a lp l a n ta n dt h en o m i n a ld e c o u p l i n g m o d ec a u s e db yo u t e ri n t e r f e r e n c ea n dp e r t u r b a t i o no fm o d e lp a r a m e t e r s ，i d e a ld e c o u p l i n gi s d i f f i c u l tt oa t t a i n s o ，o nt h eb a s i so fd e c o u p l i n g , d i s t u r b a n c eo b s e r v e ri sd e s i g n e dt op r o c e e d c o m p e n s a t i o n t h i sm e t h o di sa p p l i c a b l ef o rt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ar o b u s t c o n t r o lw i t hi n p u td e c o u p l i n gi su s e di nt h ec o n t r o l l i n gp a r to f t h em a g n e t i cs u s p e n s i o n 2 沈阳工业大学硕士学位论文 i nt h i st h e s i s ，t h em e t h o do fi n v e r s es y s t e mi sa d o p t e dt or e a l i z ed e e n u p l i n gc o n t r o lf o r p r o p u l s i o no ft h ep l a n a rm a g n e t i cs u s p e n s i o ns t a g eo fs i xf r e e d o ma n dl i n ed r i v i n g , a n da tt h e s a i t l et i m e ，t h ed i s t u r b a n c e0 b s e r v e ri su s e dt oc o m p e n s a t ed i s t u r b a n c e s ar o b u s tc o n t r o lw i t h d e c o u p l i n gi su s e df o rs u s p e n s i o no fp l a n a rm a g n e t i cs u s p e n s i o ns t a g e ，t h o s er e s u l to f s i m u l a t i o ns h o w st h a tt h es y s t e mh a sg o o dd y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c ea n dr o b u s tc h a r a c t e r t h e s es c h e m e sm e e t st h er e q u e s to fh i g h - p e r f o r m a n c ec o n t r o ld o m a i na n dp r o v i d e ss o m e v i e w p o i n tf o rc o n t r o lo f p l a n a rm a g n e t i cs u s p e n s i o ns t a g e k e yw o r d s ：d y n a m i cd e c o u p l i n gc o n t r o l ，d i s t u r b a n c eo b s e r v e ，p a r a m e t e rp e r t u r b a t i o n ， r o b u s tc o n t r 0 1 3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：镯镓孝日期：坞，弓 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：办j 锤君 、i 导师签名：碰垒笸堕曰期：堕：三：1 2 沈阳_ t 业大学硕士学位论文 1 绪论 磁悬浮平台是一种微机电装置，广泛应用于半导体微细加工、电路板制造、微组 装系统、高速贴片等场合。由于悬浮控制和水平推力控制之间相互影响，使各自由度 的驱动装置之间产生耦合和诸多不确定性，这就有必要研究新的高精度定位理论和实 现方法。逆系统理论、h 。控制、干扰观测器等对其具有很强的针对性。 1 1 课题研究的目的、意义及动态 1 1 1 目的 研究的目的就是要解决磁悬浮平台这一微机电装置，如何实现快速、高精密定位 理论和实现问题。由于t 型动子的位置、负载不总是对称以及悬浮高度受动子位置的 影响，使各自由度的驱动装置之间产生耦合，将导致工作接触点的偏移，破坏定位精 度。因此，高精度定位仍然是精密定位平台领域中的重大研究课题。 1 1 2 意义 进入二十世纪九十年代以来，以信息高速公路为主要代表的信息革命浪潮推动着 世界电子产业的快速发展，成为带动世界经济增长的战略性产业。其中以集成电路为 主的微电子制造业无疑是信息产业的核心和基础其技术水平的高低和产业规模大小 已经成为衡量一个国家信息工业的发展及综合国力的重要标志，直接影响到各国国民 经济信息化的进程。 微电子制造领域的众多专用设备融纳了当代诸多高科技领域的最新技术成果，涉 及到光学、电子、机械、计算机、信息处理、传感与测量、伺服驱动和自动控制等高 科技术方面的许多关键技术。例如光学导光稳光调制控制技术、精密传动与快速精密 定位技术、模拟电子高速控制技术以及专用软件设计技术等等【1 1 。为解决其中的关键 技术之一精密传动号决速精密定位及控制技术，各种类型的一维、二维或多维机 械精密定位平台相继问世了，并大量地应用在专用设备上。但随着信息技术的发展和 产品性能的日渐完美，微电子制造业不仅对加工设备性能如定位精度和速度提出了越 来越高的要求，而且对生产制作环境同样提出了越来越严格的要求。如i c 芯片的生 产加工要求在超洁净的环境下进行。接触式的机械平台，有的虽然能满足定位精度的 沈阳工业大学硕士学位论文 要求，但由于接触引起机械摩擦，动态响应迟钝，定位时间长，不能满足高速、高效 率的定位要求，影响设备生产效率的提高。且由于摩擦产生金属粉尘或为减小摩擦而 采用油脂润滑等带来了粉尘及油脂污染，严重影响了微电子产品的质量 2 。所以，机 械定位平台已无法满足严格的超洁净环境要求。并因为摩擦引起磨损，逐渐降低了设 备的使用精度，缩短了设备的使用寿命，增加了维护更新等费用昂贵。为了消除因摩 擦而引起的各种不利影响，人们设计了气悬浮平台，以气压悬浮支撑替代接触刚性支 撑。但实践表明气悬浮平台存在着支撑刚度较小的主要缺点，以致平台承载能力和抗 冲击能力降低，大大地限制了平台的定位精度。综合分析考虑机械、气悬浮平台的优 缺点，提出了磁悬浮平台的研究设计工作。 1 1 3 研究动态 在悬浮平台的研究中，在国外只有少数发达国家如荷兰、美国等进行了这方面的 研究可设计，并取得一定的成果。例如美国北卡来罗纳大学精密测量中心和麻省理工 学院机械工程系联合研制了六自由度的精密运动工作台，它依靠六个电磁致动器和六 个电容传感器的合理配置，提供控制力和位移反馈，该工作台能实现三维六自由度的 精密运动。重三公斤的平台悬浮于油中以增加电磁支撑的性能，由于工作原理的需 要，工作台被安置于一个方盒内，仅允许其有1 0 0 t m 的立体运动空间。之后，麻省理 工学院设计了世界上第一个四个直线电机驱动的磁浮工作台 3 】，它可以实现六个自由 度精密运动，最大行程为5 0 m m 5 0 m m 。1 9 9 8 年荷兰d e l f t 大学设计了一个三个直线 电机驱动的磁浮平台，最大行程为1 6 0 m m 1 6 0 r a m 。 国内的科研院所在利用电压元件的高分辨率和柔性铰链机构的压电式工作台进 行了研究。清华大学精密仪器及机械学系研制的亚微米弹性微位移工作台。1 ，分别控 制两个压电致动器的变形，获得x 方向和y 方向的微位移，实验结果表明工作台的定 位精度达0 0 3 9 m ：天津大学精密仪器与光电子工程学院也研制了类似的系统，定 位精度达到了0 0 1 9 m 。但由于压电元件的变形有限，所以行程范围小。而对于磁悬 浮平台的研究才刚刚起步，清华大学精密仪器与机械学系及吉林大学与中科院进行了 磁悬浮平台的结构研究，具体的控制方案尚未见到报告。 沈阳工业大学硕上学位论文 1 2 精密定位平台的种类 1 2 1 直线电机驱动的定位平台 由永磁体阵列和多相位电磁线圈组成的直线电机同样利用电磁力驱动，并具有很 高的位移分辨率。不同的是直线电机的行程要远大于单相电磁线圈驱动。因此，直线 电机式工作台可实现大范围运动。 一维直线电机式工作台，l i n e a rd r i v e s 公司开发了一维直线电机式工作台。 电磁元件以特殊的序列排列在管子中组成工作台的定子，在整个运动范围内形成一系 列永久的径向电磁场。柱状的线圈安装在柱状的套管内形成了工作台的动子。当电流 通过线圈时，在定子的长度方向上产生推力。直线电机的速度从几毫米秒至几米秒 可调，负载可达几公斤至几百公斤。 利用m e m s 技术制作线圈，可以得到非常微小的直线电机。在硅基底上制作2 5 z m 厚的金线圈作为定子，在两排线圈的通道中安放永磁铁作为动子。永磁铁的尺寸为 0 7 m m x l 7 r n m o 9 m m 。直线电机的输出力为1 8 2 # n ，并能获得2 4 c m s 的速度。 二维直线电机式工作台，直线电机式工作台也可以设计成二维运动一体化的工作 台。驻友重工公司开发的直线电机驱动的x y 工作台具有快速运动响应“”，2 5 4 m m 的步进运动只需3 7 m s 就可使定位误差在1 0 “m 以内，快速响应对于激光加工和半导 体生产是非常关键的。 为了实现平面内的转动而研制了三自由度的二维直线电机式工作台。定位工作台 由三个空气轴承垫在底板上导向，通过合成三个直线电机的驱动力而产生三个自由度 ( x y 0 ) 的运动。工作台重5 9 k g ，它在x 和y 方向上均具有3 0 m m 的行程。激光干涉仪 用作工作台的定位反馈。实验测得工作台在x 、y 和口方向上的定位分辨率分别为 l j 7 r i m 、9 r i m 和o 1 0 4 # r a d ，最大速度为1 5 0 m m s ，频响宽度为1 0 5 h z 。 三维直线电机式工作台，麻省理工学院设计了一个高精度的电磁悬浮工作台，它 是世界上第一个只用单个电磁悬浮运动件，既实现六自由度精密运动又具有大幅 ( 5 0 m r n x5 0 m r n ) 平面运动能力的磁悬浮工作台。工作台的关键部件是在无接触的情况 下，提供悬浮力和驱动力的直线电机。通过调整四个直线电机的作用力，可对工作台 进行六自由度的精确控制。四个直线电机的合力与重5 5 8 k g 平台的重力相平衡。工 沈阳t 业大学硕士学位论文 作台没有外部导线与平台相连，在x 和y 方向上对称，机械结构十分简单。平台没有 热耗散而使热变形最小。在x 和y 方向上，工作台的定位噪声均低于5 n m 。工作台的 加速度大于1 9 。工作台在z 方向有4 0 0 # m 的行程，在三个轴向均有毫弧度级的转动 范围，这一定位系统被应用于半导体制造的光刻中。 1 2 2 摩擦驱动式工作台 摩擦驱动式定位平台的原理是合理，有效的利用物体问的静摩力进行驱动，也可 以实现超精度定位。运动原理如图1 1 示，当摩擦轮转动时，通过摩擦轮与摩擦杆之 间的摩擦力带动摩擦杆沿着摩擦轮的切线方向运动。 擦杆 摩擦轮 图1 1 摩擦轮驱动示意图 一维摩擦驱动工作台，c h a o 等人设计了利用气体支撑的摩擦轮驱动工作台。工作 台在5 0 n m 、5 0 0 h m 和l o m m 的步进运动方式下。定位精度均优于1 5 r i m 。m e k i d 研制的 摩擦驱动工作台重l o o k g ，通过液压支撑，工作台的行程为2 2 0 m m 。直线工作台的定位 精度可达1 6 n m ，最大速度为l o m s 。 二维摩擦驱动工作台，i b m 公司设计了利用三个摩擦轮驱动的x y e 工作台，可用 于电子束光刻。通过连接在同一工作平台上的三个摩擦杆运动的合成，工作台在x 、y 和口方向分别具有2 6 0 m m 、2 l o m m 和0 1 ”的行程，最大速度可达2 5 0 m m s ，定位精度 为0 0 4 t i n 。 利用扭轮摩擦驱动，有学者研制了具有埃级分辨率的扭轮摩擦驱动器。与一般的 摩擦驱动不同的是扭轮摩擦驱动的驱动轴和破驱动轴并非正交，而是形成一个很小的 角度，因此它的导程可小于0 1 m m ，十分适合于超精密定位。摩擦驱动将a c 伺服电机 沈阳工业大学硕士学位论文 的旋转运动转化为静压导轨导向的工作台的直线运动。 的定位分辨率为0 2 n m ，行程为几百毫米。 1 2 3m e m s 工作台 硅微加工技术制造的精密工作台既有微机械结构， 统( m e m s ) 的典型应用。 步进定位的实验表明，工作台 又有集成电路，属于微机电系 一维m e m s 工作台，利用微加工工艺制造出如图1 2 所示的运动电极阵列和固定 电极阵列。通过改变固定电极和运动电极问的电压，可以改变它们之间的吸引力或排 斥力，由此带动与运动电极相连的平台产生运动，l e e 等人研制的一维m e m s 工作台 重2 8 x 1 0 。k g ，当外加电压为1 4 0 v 时，工作台的位移为1 2 7 # i n ，共振频率为 i 2 7 k b z 。 l li l l li ii i i l i l l i l i i i i l l i | l il | i i l | i l i li l | | 运动 周定电极阵列 图1 2 皿淞工作台的工作原理 极阵列 二维m e m s 工作台，康奈尔大学电子工程系研制了基于m e m s 技术的二维微动工作 台。用垂直的铝电极侧壁进行驱动，在5 4 5 v 电压下，x y 工作台在x 或y 方向上的 位移为1 8 “m 。在直流偏置电压为l o v ，交流电压峰峰值为2 0 v ，频率为1 0 5 k h z 的 电压驱动下，工作台以0 6 肛m 的振幅谐振。工作台大小为3 4 0 肛m 3 4 0 肛m ，重 6 2 l o k 。 1 2 1 4 各类平台的特点 直线电机式微位移机构运动精度高，响应快，可达到瞬时的高加速度和减速度。 但是直线电机成本较高、控制系统复杂。摩擦驱动带负载能力强，有较高的运动精 沈阳工业大学硕士学位论文 度和较大的直线运动范围，但结构相对复杂，不易小型化。m e m s 工作台体积小，且可 与控制电路集成。但带负载能力和行程是m e m s 工作台突出的不足。 1 3 直线电机驱动的磁悬浮平台的优点 1 3 1 直线驱动的优点 机床、微电子生产等进给系统采用的直线电机直接驱动与原旋转电动机传动方式 的最大区别是取消了从电动机到工作台之间的一切机械中间传动环节，正由于这种 “零传动”方式，带来了原旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和优点。但也带来 了新的矛盾和问题。 直线电机直接驱动的主要优点暇9 】： 1 、高速响应性。丝杠等机械传动机构的取消使整个闭环伺服系统的动态响应性 能大大提高。直线电机用于机床、微电子生产进给的驱动中，提高高速切削的最大进 给速度和微电子的生产效率。 2 、高精度性机械传动链的取消消除了机械速度变换机构所带来的一些不良影响， 如摩擦、机械后冲、弹性变形等对系统伺服性能的影响。同时实现了伺服系统全闭环 控制，可大大提高系统的定位精度。 3 、行程长度不受限制。通过串联直线电机的定子，就可无限延长动子的行程长 度。 直线电机直接驱动所带来的主要问题： 直线电机直接驱动在具有上述优点的同时，也存在一些需要解决的问题。 l 、负载扰动问题。采用直线电机直接驱动方式时，工作台负载( 工件重量、切削 力等) 的变化将毫无缓冲地作用在直线伺服系统上，影响系统的伺服性能。这对控制系 统的鲁棒性提出了更高的要求。 2 、发热问题。由于直线电动机安装在散热条件较差的设备内部，极易使温度升 高。同时直线电机的绕组、铁芯贴在设备的导轨上，温升严重时将引起设备导轨的热 变形。所以在直线电机驱动的设备进给系统中，解决好散热问题至关重要。 沈阳工业大学硕士学位论文 3 、隔磁问题。由于直线电动机磁场是敞开式的，而且电机安装在设备工作台附 近，工件、铁屑和工具等磁性材料很容易被该磁场吸住，而妨碍正常工作。因此，隔 磁防护仍不能忽视 4 、垂直进给时的自重问题。当直线电动机用于垂直进给机构时，由于存在动子 自重，必须解决好直线电机断电时的自锁问题和通电工作时重力加速度的影响。 直线伺服进给比旋转电机+ 滚珠丝杠方式具有更高的动态响应能力和优良特性， 是当前的一种发展趋势。在本研究中，我们拟采用直线伺服进给直接传动方案并取消 导轨，采用磁悬浮支撑，这将会给直线驱动带来一次新的变革。 1 3 2 悬浮驱动的优点 磁悬浮定位平台是利用电磁原理将平台稳定地悬浮在空中。与支撑部件没有机 械接触，因而消除了摩擦和磨损，由此相应地克服了机械平台存在的主要缺点。从理 论上分析，没有摩擦等阻尼因素作用，运动平台可以定位在任意精确位置，且具有更 高的激励响应频率。与气悬浮平台相比，它能设计获得更大的系统支撑刚度。因为磁 悬浮系统刚度仅与线圈电流和控制器设定增益有关。由此也克服了气浮平台承载能力 及抗冲击能力低的缺点。所以，磁悬浮定位平台既能实现快速精密定位，大幅度提高 设备的生产率，又能满足超洁净制造环境要求，具有非常显著的优点。 1 4 课题研究的主要内容 1 4 1 理论基础 l 、在查阅、分析国内外资料的基础上，对磁悬浮平台系统及精密定位问题进行 了综述。 2 、建立被控对象的数学模型。 3 、分析对被控对象的数学模型的特点。 4 、学习逆系统理论和鲁棒控制理论的原理与应用。 5 、学习干扰观测器的设计与应用。 6 、进行统仿真研究。采用m a t l a b 软件对系统进行仿真，验证所提出方案的合 理有效性。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 4 ，2 研究方法 1 、水平运动控制：假设t 型动子的悬浮高度保持恒定，建立水平运动的数学模 型，分析模型的特点，应用多变量非线性的逆系统理论，对直线电动机驱动的磁悬浮 平台这一多变量、非线性、强耦合的对象通过状态反馈线性化实现动态解耦控制，使 其成为三个子系统。同时借助干扰观测器对扰动进行补偿实现完全抑制。仿真结果表 明，这种控制方案有良好的动态、静态特性和鲁棒性。 2 、悬浮高度的控制：悬浮位置的精度是驱动定位精度的前提和保障，由于动子 运动的不对称性以及一些不确定性的扰动，使动子的位置又直接影响悬浮控制，导致 悬浮控制系统成为一个具有输入耦合的、变参数的被控对象。针对含有输入耦合、参 数摄动的复杂系统，采用一种先在输入解耦基础上，然后再对扰动采取。鲁棒控制 方法，最后实现对悬浮位置、摆角的闭环控制。该种方法易于工程实现和构成闭环系 统。仿真结果表明，这种控制方案有较好的动态、静态特性及鲁棒性。 以上的研究遵循的思路是：提出一个问题，解决一个问题，完善一步；再提出一 个问题，再解决一个问题，再完善一步。循序渐进，臻于完善。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 磁悬浮定位平台的结构和原理 2 1 磁悬浮定位平台的驱动原理 2 1 1 磁悬浮的原理 带磁物体同性相斥，异性相吸。根据不同的结构布置，可以采用不同的磁悬浮工 作原理。目前，在磁悬浮列车设计方面，既有采用斥力型磁悬浮原理，也有采用吸力 型磁悬浮原理。悬浮原理不同，其技术特征办不相同。 斥力型悬浮一般利用低温超导技术。超导体具有抗磁效应( 即m e i s s n e r - o c h s e n f l d e f f e c t s ) ，可获得比常导电磁铁大出数倍数量级的足够高强的磁通密度，产生强大的磁 场斥力足以把物体高高悬浮起来，悬浮间隙可达1 0 0 - 一2 0 0i n i n ，适合用以实现高速运 行。且速度越快磁斥力越大，获得的悬浮间隙亦越大，磁阻力越小。如日本研制的超 导磁悬浮列车运行速度高达5 0 0 5 5 0 k m h 。但制造成本极为昂贵。 吸力型磁悬浮系统组成和功能如图2 1 所示。电磁铁固定，铁磁体作为平台被悬 放大器 电磁线圈 p 督闭 磊面习磁是浮动台口传感器 。r 一 图2 1 电磁铁固定式吸力型磁悬浮系统 浮。电磁铁缠绕常导线圈，与铁磁体及州隙形成了闭合磁路。通电后在涮隙内产生磁 吸力。当磁吸力与物体重力平衡时，物体可以悬浮在空中。但要使物体实现稳定悬 浮，就必须根据物体的悬浮状态连续不断地调节磁场。这可以通过可控电磁铁来实 现。传感器检测出平台偏离参考点的位移，作为控制器的微处理器将检测的位移信号 变换成控制信号，然后功率放大器将控制信号转换成控制电流，控制电流修正电磁铁 中产生的磁力，保持磁力与物体重力相等，从而维持物体的悬浮位置稳定不变。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 1 2 线性驱动的原理 现有设备上的定位平台一般以旋转电机为动力，通过丝杠、齿条或皮带等接触传 动形式驱动平台运动。这些传统传动机构都不可避免地存在着间隙和摩擦。而间隙和 摩擦是影响机构设备精度的主要因素。通过预载可以消除间隙，但却增大了摩擦，即 以牺牲另一方为代价。同时消除间隙又减小摩擦对传统传动机构是难以做到的。最近 较为先进的平台则已经使用线性电机实现无接触驱动，消除了机构传动中的间隙。但 平台直接安装在导轨平面上，所以严格地说，这种结构并不是完全无机械接触驱动 的。只有在悬浮的基础上，采用线性电机才可以实现完全无接触驱动。 把旋转电机的定子和转子沿径向切开并拉直展平，如图2 2 所示，旋转电机就变 成线性电机了。定子称为初级；转子称为次级。转子的旋转运动就变成了次级的线性运 动( 当初级固定时) ，或初级的线性运动( 当次级固定时) 。当物体与运动的次级或初级相 连即可实现线性驱动。 定子 国 转子 旋转电机 次极 臣盈冱冱兹z 囫 r n l w r r m t 哪 初级 直线电机 图2 2 旋转电机展开为直线电机 按照仞、次级的相对长度，线性电机一般分为短次级和短仞级两种型式。短次缎 型式是把电机定子三相交流绕组或永磁磁铁铺设在整个导轨面上，作为固定初级，控 制线路系统联结在初级上；次级可由一小块铝板组成或者可以直接把金属平台用来作为 次级。长度方向与初级相比很短，重量相对很轻，有利于减小往复线性运动时的惯 性。短初级型式则是把一块次级板固定在导轨上，或直接把导轨面作为次级；初级较 短，上面铺没激磁感应线圈，控制线路系统联结在初级上并随初级移动而移动。初级 沈阳工业大学硕士学位论文 重量相对较重，运动时磺性自然相对较大一些，从快速精密定位和精度角度来考虑是 不利的。 2 2 磁悬浮定位平台的结构 2 2 16 d o f 磁悬浮平台实验装置的结构 通过选择l 形，可以做成许多样的结构。如图2 3 这样的结构。对于这样的结构 可以实现水平面运动。但由于这样的结构只有两个支撑点，因而在运动的稳定性方面 较差。 图2 3l 形磁浮平台的结构图 为了改善运动的稳定性，采用如图2 4 这样的结构。 图2 4t u 形磁浮平台的结构图 沈阳工业人学硕士学位论文 其中：1 左端悬浮线霞：2 右端悬浮线圈；3 定子铁心；4 端部悬浮线圈5 动子铁心；6 铝架：7 永久磁铁。 动子结构图如图2 5 示。 图2 5 动子结构图 悬浮的工作原理是通过改变悬浮线圈的电流大小来改变悬浮磁场的强度，这样在 t 形动子与u 形动子相交处t 形动子上下的磁力线的数将改变( 如图2 4 中所示) ，而产 生向上的吸力，这样通过调节电流的大小可以改变悬浮的高度。 推力的工作原理是当t 形动子的线圈通电后，产生电流，该电流与磁场相作用产 生电磁力，推动t 形动子运动。 2 2 2 动子式结