（测试计量技术及仪器专业论文）电磁悬浮微驱动器的设计与控制方法研究.pdf

浙江理工大学硕十学位论文 摘要 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( n o 6 0 5 7 5 0 5 5 ) ，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p i d 控制方法( f a s t f u z z y - p i d ，简称f f p i d ) ，该方法具有模糊 控制器动态性能较好、p i e ) 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 o o 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 o o 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f f p i d 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d s p 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f f p i d 跟踪方波信号的调节时间比h o o 控制方法少0 4 s ，稳态误差少0 1 3 m m ，稳态时h o o 控制方法对干扰信号的响 应小于f f p i d 控制方法o 1 6 m m ，并且在0 8 m m 一2 2 5 m m 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。 关键字：磁悬浮；微驱动器；模糊p i d ；h o o 控制；控制系统 n i d e s i g no fae l e c t r o m a g n e t i cl e v i t a f i o nm i c r o a c t u a t o ra n di t sc o n t r o lm e t h o d a b s t r a c t t h i st h e s i si sap a r to ft h e e l e c t r o m a g n e t i cl e v i t a t i o nm i c r om o t i o nm e t h o d o r i e n t e dm i c r o m a n i p u l a t i o na n di t st h e o r e t i c a l r e s e a r c h ( p r o j e c t o fn s f c ， n o 6 0 5 7 5 0 5 5 ) an o v e le l e c t r o m a g n e t i cl e v i t a t i o nm i c r o a c t u a t o rb a s e do nt h e s y n c h r o n o u st r a c k i n gm a g n e t i cf i e l dt h e o r yi sp r o p o s e d t h ep r o b l e m so fc o u p l i n g a n dl o w s t a b i l i t yo fm o t i o nt h a te x i tb e t w e e nl e v i t a t i o nu n i ta n dd r i v eo n ea l er e s o l v e d , a n dt h ec o n t r o lt h e o r i e sa r er e s e a r c h e da n d e x p e r i m e n t e d b a s e do nt h ec u r r e n ts i t u a t i o n si nh o m ea n da b r o a d ，ae l e c t r o m a g n e t i cl e v i t a t i o n m i c r o m o t i o nm e t h o di s p r e s e n t e di no n es t r u c t u r ew i t hd r i v e ，m e a s u r e m e n ta n d c o n t r 0 1 t h es y n c h r o n o u s t r a c k i n gm a g n e t i cf i e l dt h e o r yi sa n a l y z e d ，a n dt h em a g n e t i c f i e l df o r c eo fl e v i t a t i o nu n i ta n dd r i v eo n ea r er e s e a r c h e d a c c o r d i n gt o t h ef o r c e r e l a t i o n s h i p sf r o mm e c h a n i c a lm o d e la n dm u l t i d e g r e eo ff r e e d o mm o t i o n ，t h e d y n a m i c a le q u a t i o n sa n dm a t h e m a t i cm o d e l sa r ed e r i v e d t h e s ep r o v i d et h et a r g e t s f o rt h es i m u l a t i o n a i m i n ga t t h ef a s ta n dh i g h p r e c i s i o nr e q u i r e m e n t so ft h i sa c t u a t o r , t h e f a s t - f u z z y - p i d ( f f p i d ) c o n t r o lt h e o r yi sp r o p o s e d ，w h i c hb a s e so nt h em a x i m u m t h e o r y t h ec o n t r o l l e ri n c l u d e ss t r o n g p o i n tf r o mf u z z y - c o n t r o l l e ra n dp i dc o n t r o l l e r , a n dm a k e st h ea c t u a t o rh a v eb e r e ra b i l i t yo ft r a c i n g i no r d e rt or e a l i z et h es t r o n g s t a b i l i t y , t h ea d v a n c e dh o o c o n t r o lm e t h o di si n t r o d u c e dt ot h em i c r o a c t u a t o r b a s e d o nt h em i x e ds e n s i t i v i t yo fh 。o c o n t r o lt h e o r y , t h ew e i g h t i n gf u n c t i o n sa r es e l e c t e d d u et ot h ed i s t u r b a n c e so ft h em i c r o a c t u a t o r t h eh o oc o n t r o l l e ri s d e s i g n e dt h a tc a n s t a b i l i z et h em i c r o a c t u a t o r t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r ed o n eu n d e r s i n ，s t e pa n d q u a r t e rs i g n a l s r r e s u l t ss h o wt h a tt h ef f p i dh a sb e t t e rt r a c i n ga b i l i t ya n dh o o c o n t r o l l e rh a sa d v a n t a g e so fb e a e r s t a b i l i t y w i t ht h eh i 曲a b i l i t yd s p c h i p ，h i g hp r e c i s i o ns e n s o r s ，d a t ac o l l e c t o r sa n dv i r t u a l s o f t w a r e ，t h ec l o s el o o pc o n t r o ls y s t e mo fr e a l t i m em e a s u r e m e n ta n dd i s p l a yi s c o n s t r u c t e d t h e t r a c i n g ，p o s i t i o n ，a n t i - j a m m i n ga n dl a d e ne x p e r i m e n t su n d e r d i f f e r e n tc o n t r o lm e t h o d sa r ep e r f o r m e di nt h es y s t e m a f t e ra n a l y z i n gt h ed a t a ，t h e i v 浙江理工大学硕士学位论文 f f p i di ss h o r t e rt h a nh o 4 sa n do 13 r a mi nr i s i n gt i m ee r r o ra n d s t e a d ys t a t ee r r o r t h eh i sb e t t e rt h a nf f p i do 16 m mi nt h er e s p o n s eo fi n t e r r u p ts i g n a l ，a n dh a s 9 0 0 dd r i v ea b i l i t yb e t w e e n0 8 m m - 2 2 5 m m r e s u l t ss h o wt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e a c t u a t o ra n dc o n t r o lt h e o r i e s ，a n dp r o v i df o u n d a t i o nf o rh o wt oc h o o s et h eb e t t e r c o n t r o lm e t h o d k e yw o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cl e v i t a t i o n ；m i c r o a c t u a t o r ；f u z z y - p i dc o n t r o l ；h o o c o n t r o l ；c o n t r o ls y s t e m v 浙江理工大学硕士学位论文 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的 内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：f 荮、翠 日期：2 口口 年弓月9 日 浙江理工大学硕士学位论文 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权浙江理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后使用本版权书。本 学位论文属于 不保密口 。 学位论文作者签名：傍、军 日期：p 口c 7 年罗月7 日 梅妒 乜竹月 门v 7 7 ： 年 名反一 签 彤 彳 教 ， 导 期 指 臣 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景和意义 第一章综述 随着微纳米科学技术的快速发展，在微机电系统、生物工程、分子原子操 纵等领域中，迫切需要具有纳米级操作精度的微操作机器人系统m 】。在微操作 机器人系统中，微驱动器负责完成微操作器( 如微探针、微吸管、微夹持器) 在 三维空间中的精密运动和末端位置姿态调整，是实施微操作的关键部件，其性能 的优劣直接关系到微操作的成败，为了实现高精度的微操作，必须具备高运动精 度和定位精度的微驱动器。因此，微驱动器技术是微操作机器人系统的核心技术， 已成为国内外研究的重要方向，属微系统的前沿研究领域。 1 2 微驱动器分类和驱动原理 微驱动器可将不同控制信号变为微小动作以实现某种功能，因而成为微机械 研究的重要课题。概括国内外微机电系统领域所涉及的微驱动器技术6 。0 1 ，典型 分类有：1 静电驱动裂1 1 - 1 5 】；2 压电驱动烈1 6 1 7 】；3 磁致伸缩驱动器【1 8 】；5 微 电磁驱动器【1 9 之1 1 。下面介绍各类微驱动技术： 1 2 1 静电微驱动器 静电驱动器是利用电荷间的吸引力和排斥力的相互作用驱动电极而产生平 移或旋转的运动方式。常见的静电驱动方式有：划痕驱动方式( s d a ) 、梳状电 极方式和平行板电容方式等。 划痕驱动结构。划痕驱动驱动器( s d a ：s c r a t c hd r i v ea c t u a t o r ) 是由多晶硅 平板和下电极衬底组成，二者之间有一层绝缘层，如图1 1 所示。多晶硅平板的 一端有一个垂直的衬板( b u s h i n g ) ，它由脉冲电压驱动。当多晶硅平板和衬底之 间加脉冲电压时，在静电力的作用下多晶硅平板发生变形，在平板向下变形的同 时，衬板被向前挤出一步，当电压撤掉时，在前边的衬板与衬底的摩擦比在后面 的平板与衬底的摩擦大，因此，多晶硅平板向前移动了一小步。s d a 驱动器平 均每步的位移非常小，一般为2 0 3 0 n m ，这样精确的位移对于驱动光学元件是 非常理想的。 浙江理工大学硕十学位论文 向驱动 主要由 s t m i o n m ，f ”b m o t , a h e a m m 图1 2 梳状电撮的结构示意图 折叠粱的两端由锚柱固定在村底上，当在梁各极板之间施加电压时，在静电 力的作用下，可动梳状电极向固定电极方向运动，使支撑梁发生形变，从而带动 其它元件发生运动。梳状电极微驱动器受限于设计与移动距离，但响应速度较快。 y r 逝 一多。 e 二二二三= 二二二 9jl = _ “脚i ，。 j _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ - - “ ， 图1 3 平行板电容驱动的模型 平行板电容结构。平行板电容驱动是较为简单的静电驱动方式，一般为垂直 结构，制作工艺简单，驱动力较大。平行板电容结构的基本模型如图13 所示， 一一笋譬黔 r一唑巴淼焉匪季一震薹誉耳霪誊蓬， 电的电 嚣一 浙江理工大学硕上学位论文 下电极板固定，上电极板为可动部分。当上下电极之间施加驱动电压v 时，由 于静电力的作用，上电极会向靠近下电极的方向运动。随着电极间距的变化，上 下电极构成可变电容器。可动部分向下运动时，受到静电力和弹性恢复力，如果 器件工作于气体或液体的阻尼环境中时，可动部分的运动要受到阻尼力。 1 2 2 压电驱动器 压电效应是固态电介质的力学参数和电学参数之间的一次效应。只可能出现 于没有中心对称的电介质中。它可以是单晶、多晶( 如陶瓷) 或非晶( 如聚合物) 。 常用的有石英晶体、b a t i 0 3 、p z t 等。由于压电陶瓷p z t 具有机电、声、光、 热、弹等多种功能及耦合效应，可以用作压力、温度、光等多种传感器。 压电型微驱动器( p i s m ) 采用逆压电效应原理，可产生亚微米量级的位移， 利用柔性铰链杠杆放大。其特点是相应速度快、动作准确可靠、控制精度高。上 海交大研制的压电微驱动器杠杆放大原理如图1 4 所示，压电微驱动器示意图如 图1 5 所示。 电陶瓷 元件 窍一。 主质量块压电陶瓷配萼块 图1 4 压电微驱动器杠杆放大原理图图1 5 压电微驱动器示意图 压电微驱动器是平面整体结构，体积小，结构简单，其最大输出位移可达 5 0 p m - - 1 0 0 p m ，位移分辨率0 3 岬，控制重复精度1 1 t m ，可视不同用途，对 其加以改型设计而构成不同形式的微位移装置和操作执行机构。 1 2 3 磁致伸缩驱动器 磁性体的外部一旦加上磁场，则磁性体的外形尺寸会发生变化( j o u l ee f f e c t 焦耳效应) ，这种现象称为磁致伸缩现象。由于超磁致伸缩材料在磁场下产生的 磁致伸缩效应具有输出力大，漂移小，位移量大等特点，而且由其组成的微驱动 器结构简单，因此超磁致伸缩材料被引入驱动器，将在液压控制阀、超精密机床、 精密仪器及精密光学机械等领域有着广阔的应用前景。 3 浙江理工大学硕士学位论文 国内超磁致伸缩材料中的品牌g m m ，其饱和磁致伸缩系数及磁机耦合系数 均达到较好指标，能在微秒内响应，响应频带宽( 几十h z 至1 5 k h z ，改进后可 达3 0 k h z ) ，具有高出力、快响应以及良好的可控性。图1 6 ( a ) 是一个带预压装置 的超磁致伸缩微驱动器的结构简图，图1 6 ( b ) 是该超磁致伸缩微驱动器的等效磁 路。 ( a ) 超磁致伸缩驱动器结构简图( b ) 超磁致伸缩驱动器等效磁路 图1 6 超磁致伸缩驱动器 1 2 4 微电磁驱动器 微型电磁驱动器原理结构如图1 7 所示，利用法向电磁力工作的原理，可使 微小电磁力在扭矩输出上做出更大的贡献；在结构上采取了层叠式设计，使得利 用平面工艺作大批量加工成为可能。 5 1 ) 一s m m 冈 于3 芒一4 1 线圈；2 磁铁；3 玻璃；4 硅；5 感应器；6 固定点；7 转子 图1 7 微型电磁驱动器原理结构图 1 3 国内外微驱动器技术现状 1 3 1 国外微驱动器技术现状 概括国外微驱动技术有代表性的工作有： 美国：d w k a n e 公司研制的a l 5 0 10 型微操作机器人系统完成了单位模光导 纤维引线的复杂操作2 2 】；加州伯克利大学设计的微装配系统，利用静电力驱动实 现了对微零件的定位和排列【2 3 】；新泽西州科技大学研制的压电驱动6 自由度微操 4 浙江理工大学硕士学位论文 作微驱动机构【2 4 】；佛罗里达国际大学研制的一套静电驱动非接触式晶片微操作系 纠2 5 】；明尼苏达大学与瑞士联邦科技大学合作研制的双轴静电梳状结构微驱动系 统【2 6 】；哈佛大学研制的基于微电磁铁阵列结构的电磁驱动式生物微操作系统【2 7 1 。 日本：名古屋大学采用平行板电容结构实现了具有6 自由度的微操作系统 【2 8 】；京都大学研制的用于d n a 切割的静电驱动微操作机器人系统【2 9 】：东京大学 采用电磁力驱动作为微操作器的电磁铁，实现了对被操作对象的推微操作【3 川； o l y m p u s 公司研制的形状记忆合金驱动的微操作系纠3 1 】。 法国：e n s i b 机器人实验室研制的形状记忆合金驱动微操作系统 3 2 】；b e s a n c o n 自动化实验室以一磁性粒子作为微操作器，以一运动的电磁铁驱动该粒子实现了 对生物细胞的推操作【3 3 】。 其他：新加坡国立大学采用压电堆驱动器，研制了一种用于生物细胞注射的 微操作系统【3 4 】；德国k a r l s r u h e 大学采用压电陶瓷管作为驱动器，研制了一套三 角形支持与驱动的微操作机器人系统平刽3 5 】；芬兰t a m p e r e 科技大学研制的压电 与液压双驱动的3 自由度微操作系统【3 6 】； 1 3 2 国内微驱动器技术现状 广东工业大学采用压电陶瓷驱动器p z t 实现的三自由度微机器人系统【3 7 】； 北京航空航天大学研制的微操作机器人系统中，右操作手采用压电陶瓷驱动，工 作空间为2 0 0 “m 4 0 0 “m 4 0 0 肛m ，定位精度小于0 1 i t m t 3 8 】；南开大学采用高精 度的步进电机实现微操作器的运动控制，在最大操作空间2 0 m m x 2 0 m m x 2 0 m m 的范围内实现了小于2 1 a m 的重复定位精度【3 9 】；哈尔滨工业大学研制的主从式微 操作机器人系统实现了微操作手的三个平动自由度，在x 、y 方向上的最大输出 位移为1 3 9 m 、分辨率为1 0 n m ，z 方向的最大输出位移为6 5 9 m 、分辨率为 4 n m 【4 0 1 ；清华大学研制的梳状结构静电驱动微夹持器【5 0 】；上海交通大学研制的形 状记忆合金驱动的能动式微夹钳【5 1 1 、梯度功能压电陶瓷驱动微夹钳【5 2 】；上海大 学研制的电磁驱动式斜楔机构微小夹持器【5 3 】；以及大连理工大学研制的形状记忆 合金微驱动器【5 4 】和双晶片压电驱动微夹钳【5 5 】。 总结在微驱动器具体实施过程中，对微驱动技术要求的重要参数有： ( 1 ) 、运动范围( 2 ) 、运动自由度( 3 ) 、运动响应速度和运动精度。 5 浙江理工大学硕士学位论文 1 4 主要控制方法应用与发展趋势 1 4 1p i d 控制 随着计算机技术的飞速发展，p i d 控制发生了由模拟p i d 到数字p i d 控制的 重大转变。与此同时还涌现出了许多新型p i d 控制算法和控制方式。p i e ) 控制具 有如下优点： ( 1 ) p i d 控制原理简单，己经形成了一套完整的参数设计和参数整定方法， 很容易为工程技术人员所掌握。 ( 2 ) p i d 控制算法蕴涵了动态控制过程中的主要信息。通过对比例系数、积 分时间常数和微分时间常数的适当调整，可以达到良好的控制效果。 ( 3 ) p i d 控制适应性强，可以广泛用于工业各个领域。 但是在高精度的微驱动技术场合，由于工况的复杂性与磁场本身的非线性使 得传统的p i d 调节不能满足工程需要。这样，先进控制方法的研究成为必然。 1 4 2 模糊控制 所谓模糊控制，即不是指被控对象是模糊的，也不是指控制器是不确定的， 它是指在表示概念上的模糊性。虽然模糊控制算法是通过模糊语言描述的，但它 所完成的却是一项完全确定的工作。模糊控制的发展根据其结构特点可大致分成 3 个阶段 4 7 - 4 9 】： 第一阶段( 1 9 6 5 1 9 7 4 ) 为萌芽阶段，主要是模糊数学的发展和成形时期。 第二阶段( 1 9 7 4 1 9 7 9 ) 简单的模糊控制器阶段，这种控制器的模糊控制表通 过离线算好，在线调试完成后一直不变，因此其自适应能力和鲁棒性有限。 第三阶段( 1 9 7 9 一现在) 高性能模糊控制器阶段，人们在使用过程中针对简单 模糊控制器的不足，提出了很多高性能的模糊控制策略，特别是1 9 7 9 年由 t j p r o c k y 和e h m a m d a n i 共同提出的给模糊控制器增加学习功能，使它能在控 制过程中不断获取新的信息，并对控制量作适当的调整，系统性能大为改善。 模糊控制器是基于包含模糊信息的控制规则所构成的控制系统，比常规控制 系统稳定性好，在改善系统特性时，不但像常规控制系统那样能调节参数，还可 以通过改变控制规则、隶属函数、推理方法及决策方法来修正系统特性。因此， 模糊控制器的设计、调整和维修变得更为简单，而且在常规控制算法中，微小的 6 浙江理工大学硕士学位论文 错误和参数漂移都可能引起系统失控，而基于控制规则的模糊控制系统对某一规 则的变化敏感很小，系统抗干扰能力强。同时操作人员易于通过人的语言进行人 机界面联系，这些模糊条件语句很容易加到过程控制的环节上去，采用模糊控制， 过程的动态响应优于常规的p d 控制，并对参数的变化具有较强的适应能力。 1 4 3 鲁棒控制 所谓鲁棒控制( r o b u s t n e s s ) ，粗略的讲就是指系统的性能对不确定性的“强 健”程度。这里讲的不确定性是指对系统的某些部分了解不全面。鲁棒控制就是 如何将这些己知的不完整信息利用到系统的设计中去。 鲁棒控制的基本工作原理【5 0 1 是选择合适的控制规律使闭环系统稳定，并且对 模型摄动和外界干扰有很好的抑制能力，不依赖于系统精确的数学模型。目前颇 受关注的鲁棒控制方法主要有h 控制、变结构控制、自适应鲁棒控制等。它可 以避免磁悬浮系统中的建模误差这一缺点，而且运用日益成熟。h 。控制是以外 界扰动与系统输出之间的传递函数的h o o 范数作为度量标准，其控制目标为力求 系统受外界干扰时输出误差小。m a t s u m u r af 和n a m e r i k a w a 研究了h 控制器 在磁悬浮技术中的应用，结果表明采用该控制规律系统性能明显优于传统p i d 控 制。鲁棒控制系统的状态空间设计方法，可以通过求解两个r i c c a t i 方程来获得 h o o 控制器，充分考虑了系统不确定性的影响，保证了系统的鲁棒稳定性，h 控制开始逐渐渗透到磁悬浮领域。 随着控制方法的进步和系统要求的提高，控制手段应该在满足需求的同时向 提高系统的稳定性、可靠性和经济性的方向发展，磁悬浮系统中先进控制方法的 研究无疑成为磁悬浮领域中的一个热点。 1 4 3 数字处理芯片的应用现状 控制系统的核心是中央处理芯片。其性能的好坏决定了系统的工作能力、控 制的实时性、精度、运动范围等关键参数。控制器从早期的z 8 0 芯片、8 9 c 5 1 系列单片机等初级低速控制芯片发展到今天的f p g a 、c p l d 和d s p 等内部逻辑 单元高度集成且具有较高运算精度和速度的核心处理芯片，并且在高精度的微驱 动领域成为主流应用的芯片。 数字信号处n ( d i g i a t ls i n g a lp o r e e s s ) 是- - f - j 涉及许多学科而又广泛应用于许 7 浙江理工大学硕士学位论文 多领域的新兴学科，7 0 年代，由于大规模集成电路( l s d ) 的发展，使得用硬件实 现数字滤波器成为可能，并开始研究将微处理器应用于数字信号处理。到了8 0 年代，随着超大规模集成电路v l s i 的应用和微处理器技术的迅猛发展，单片通 用数字信号处理器和各种单片专用数字信号处理器纷纷涌现出来。 本论文采用美国德州仪器公司的d s p 处理芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为处理核 心，此产品是当今世界最先进、功能最强大的3 2 位定点d s p 芯片。它既有数字 信号处理能力，又有强大的事件管理能力和嵌入式功能，特别适用于数据处理繁 重的测控场合，如工业自动化控制、电力电子技术应用、智能化仪器仪表及电机、 马达伺服控制系统等。 1 5 课题组织结构 本论文的内容安排如下： 第一章综述 本章介绍各种微驱动器的原理、性能，国内外微驱动器技术的研究现状，引 出本论文的主要目的和意义。 第二章微驱动器设计与分析 本论文首先设计了一种新型的磁场同步跟随式电磁悬浮微驱动器，在机械结 构上分为相互独立的竖直模块和水平模块。这种创新设计降低了悬浮单元与驱动 单元之间的耦合和，利用多点对应磁场提高了驱动器的稳定性。然后对系统进行 各自由度运动时受力分析与建模。 第三章模糊p i d 控制器研究 介绍模糊逻辑算法的特点和原理。结合最优控制理论，设计了参数在线整定 的f f p i d 控制器。并在多种信号作用下进行仿真实验，得出该控制器的特性。 第四章h e o 控制器研究 介绍了鲁棒控制的原理和特点，阐述了鲁棒控制的基本核心问题，构造了h o o 控制器，在仿真中和模糊p i d 控制器在同样的信号下进行比较，得出了两种控 制方法的不同特点，为在不同应用领域下选择控制方法提供了思路。 第五章控制系统设计和实验研究 分析了所用到的传感器，介绍了基于d s p 2 8 1 2 数字处理芯片的控制系统和 基于l a b v i e w 的检测系统的搭建。通过实验完成不同控制算法条件下微驱动器 8 浙江理工大学硕上学位论文 对信号的跟踪、定位能力进行了比对实验，并在不同载重情况下对微驱动器进行 了驱动能力的测试，实验结果说明利用不同的控制算法驱动器具有很好的信号跟 踪能力和稳定性。验证了理论分析的正确性和控制算法的可行性。 第六章结论与展望 总结与此课题有关的研究工作和不足，提出值得改进的地方，展望电磁悬浮 式微驱动器的应用及其发展前景。 1 6 本章小结 本章介绍各种微驱动器的原理、性能，深入探讨国内外微驱动器控制技术的 研究现状，进而叙述了本论文的主要研究内容和工作，最后给出了论文结构框架。 9 浙江工大学硕士学位论文 第二章微驱动器设计与分析 本章提出一种新型的电磁悬浮式微驱动器设计方案，对电磁悬浮式微驱动器 各模块特征参数进行理论分析与参数计算，结合各个自由度在运动过程中的平衡 状态的受力关系分析，建立多自由度的数学模型。 2 1 磁悬浮微驱动器总体设计 本论文设计的磁悬浮微驱动器结构示意图如图2 1 所示。底面上由纵横垂直 的1 6 0 匝导线正交叠放并用环氧树脂胶结形成导线阵列，形成1 6 0 x 1 6 0 的磁场 区。导线阵列上方的外围框体用于放置8 个线圈绕组，框内放置永磁阵列运动体。 运动体由7 x 7 块磁极方向各异的小磁块，按照h a l b a c h 阵列原理洲，由4 5 。旋 转角型二维矢量叠加的方式 5 2 j 排列组成，外围尺寸为7 0 x 7 0 m m 。 图2 1 驱动器结构图 在运动体的四周镶嵌有三个一组的简化h a l b a c h 阵列，一边两组，一共8 组， 和周围的线圈绕组构成水平驱动系统。运动体上方用来安放实验反射测量镜和驱 动连接装置。配合相应的高精度电涡流位移传感器，实施多自由度的测量。经过 数字处理系统对其进行运动控制，这样就在一个机构中建立了集驱动、测量和控 制于一体的磁悬浮微驱动新方法。 驱动器的驱动模块分为两大部分，结合图21 可分为由导线阵列和永磁阵列 构成的竖直模块和由线圈绕组和简化的永磁阵列构成的水平模块。竖直模块负责 使运动体处于悬浮状态，这是驱动器工作的前提，同时还可以实现同步换向，这 是实现水平运动的必要条件。 浙理工人学硕士学位论立 2 1 1 竖直悬浮与驱动模块设计 电磁悬浮式微驱动器的竖直模块是利用悬浮体与导线阵列在气隙内产生的 磁场相互作用产生斥力，表现为悬浮体能在导线阵列表面悬浮。电磁悬浮式微驱 动器的应用要求悬浮体不仅能稳定悬浮，还能在平面内实现平动和转动，所以为 了实现这些功能，必然要求悬浮体产生的磁场和导线阵列产生的磁场两者必有其 一是可变磁场，而且是磁场区域强度可调。 z 1 永磁阵列2 绝缘层3 底库4 气隙高度5x 方向导线层6 y 方向 导线层7 导线阵列中电流密度分布函数 图2 2 电磁悬浮式徽驱动器原理设计 如图22 所示，竖直模块中上面的永磁阵列由n x n 块磁极方向各异的小磁 块粘贴而成，磁极方向遵循两个正交的h a l b a c h 阵列矢量叠加原则，这种特殊排 列方式的永磁阵列具有单面磁场特性，可以使磁能大部分聚集于气隙一侧，一般 嵌入微驱动器作为动子使用。下面导线阵列由多个导线层正交层叠而成，导线阵 列固定在实验台上，永磁阵列与其中心对应放置。通过调节通电模式实现模拟 永磁阵，磁场分布形态，作为定子使用。驱动与换向控制电路把导线阵列电流分 为纵横方向各四组，纵方向上记为a l 、b l 、c 1 、d l ，横方向上记为a 2 、b 2 、c 2 、 d 2 。纵横方向上的电流使导线阵列在气隙中某平面产生了五个区域磁场强度峰 值，这个磁场强度分布中的5 个峰值恰好与永磁阵列在气隙中磁场强度分布峰峰 相斥，使它们之问表现为斥力，通过调整电流强度使其悬浮。微驱动器依靠这种 排斥力的作用就可实现空间中的微运动。 以悬浮体绕x 、y 轴转动为例。这种电磁悬浮式微驱动器驱动的转动运动都 是在小角度范围内，一般倾斜角度在5 。以内。悬浮体笈生绕y 轴顺时针转动时， 浙江理工大学硕士学位论文 驱动体的作用是支撑悬浮体悬浮，并顺应悬浮体的姿态做磁场分布的动态调整。 方法是通过同时增加或者减少纵横两组电流的大小实现z 轴上的竖直运动，分组 改变a l 、b 1 、c 卜d 1 ，a 2 、b 2 、c 2 、d 2 的电流大小可以实现绕x 、y 轴的微转 动。电流强度变化和作用效果如表2 1 和图2 3 ( a ) ( b ) 所示，图2 3 ( b ) 以绕 y 轴旋转为例。 i 苗匡| 团商量二耋困i 囤匡茎i 围困匡二耋困 ( a ) 竖直运动( b ) 绕y 轴转动 图2 3 竖直模块驱动示意图 在表2 1 中，z + ，z 表示沿z 轴正向和负向运动。丘、苁表示沿x 轴顺时 针方向和x 轴逆时针方向转动，k 、e 表示沿y 轴顺时针方向和y 轴逆时针方向 转动。向上箭头表示电流增加，向下箭头表示电流减少。从表2 1 中可以看出， 在驱动器绕x 、y 轴正、反向微转动时，分别由同一组( 纵向) 的导线产生电流 变化，而与另外的一组( 横向) 没有重合现象，从而避免了控制时产生的力耦合。 表2 1 运动方向与导线阵列电流的对应关系 彳lb 1c 1d la 2 b 2c 2d 2 五 z x 。 j k e tttt 上l tt lj tt jj 以悬浮体沿z 轴垂直运动为例。要实现悬浮体在垂直方向上的微运动，可以 整体增大( 或减小) 导线阵列中a l 、b l 、c l 、d 1 ，a 2 、b 2 、c 2 、d 2 的电流强 度以实现增大( 或减小) 磁场强度的目的，从而达到增大( 或减小) 气隙高度的 效果。 这里需要说明的是，悬浮体发生绕坐标轴转动时，往往发生在多个电磁悬浮 式微驱动器同时为一个微动工作台服务的情况下。此时，单一的悬浮体一般不能 在倾斜姿势下独立的保持稳定悬浮，需要借助水平模块的线圈绕组和永磁阵列提 供横向驱动力，同样通过磁场的同步跟随，达到微驱动器在水平方向上保持合力 1 2 浙江理t 大学硕十学位论文 为零。 产生可变磁场的导线阵列结构比较简单，由多个导线层正交层叠而成，导线 层内导线紧密排列，其间绝缘处理。磁场的随变特性取决于其激励电流的模式改 变，相当于把问题复杂度转移至控制器反馈输出环节。下文将独立于导线阵列悬 浮运动的永磁阵列等部件合称为运动体，而导线阵列及其支架则称为驱动体。 产生磁场的永磁阵列的性能是影响到微驱动器性能的重要因素。而影响永磁 阵列性能的最主要因素是永磁体采用的材料和永磁体排列组合的方式。相较于矫 顽力较低的、剩磁低的铁磁体和价格昂贵的钐磁，选择了矫顽力和剩磁都较高的 铷铁硼永磁体。至于永磁体排列方式，永磁阵列是由磁化强度方向各异的小磁块， 按照h a l b a c h 阵列经由x y 方向二维矢量合成的方式组合而成，具体磁体充磁方 向和实物如图2 4 ( a ) ( b ) 所示。这种排列方式比普通的h a l b a c h 阵列具有更强 的单面磁场，相应地在弱磁场一侧的磁场衰减至更小，避免影响到永磁阵列上的 铁性实验仪器。 震：置：西猫曰担：囵 0 ) 永磁阵列充磁方向示意图( b ) 实物图 图2 4 永磁阵列 2 1 2 水平驱动模块设计 水平驱动力来源于微驱动器框架周围的线圈绕组。水平模块的设计与竖直模 块的原理相同，都是基于h a l b a c h 永磁阵列与通电导线产生的磁场相互做用的原 理，只是二者在结构上有所变化。水平模块中的线圈绕组与运动体四周镶嵌的永 磁阵列相对应，通电线圈与永磁阵列产生的洛伦茨磁场力是水平驱动力的来源。 考虑到机械结构的布局的合理性，水平方向上的导线阵列转化为线圈绕组， h a l b a c h 永磁阵列采用了简化的模式，可以减轻重量，降低系统的惯性。八个线 浙江理工大学硕士学位论文 圈绕组与外围的高精度的控制电路相连接，相互独立的线圈绕组可以方便的实现 独立或者联合控制，具有很大的灵活性。 线圈绕组采用漆包线绕制，层与层、匝与匝之间紧密缠绕，并用环氧树脂胶 结，形成一个圆柱体。线圈绕组是在直径为5 m m 的塑料轴上，用直径为0 4 9 r a m 的漆包线绕制而成，直径为3 0 m m 。之所以使用非磁性材料作为绕组的轴心，是 因为如果采用磁性材料作为轴心，虽然可以增加磁场的强度，降低通电电流，但 是在运动体上的简化永磁阵列就会和磁性材料相吸，无论绕组中的通电电流如何 变化，线圈绕组的磁场始终无法克服永磁阵列和磁性轴心的相吸引作用，使得水 平驱动绕组驱动失败。使用非磁性材料虽然通电电流有所增加，但是在永磁阵列 的强磁场作用下，通电线圈产生的较弱磁场就可以产生较大的驱动力，而且没有 剩磁的影响。只在通电的情况下才会有驱动力，这样就比较易于控制。 玑田 园口 臼圈 围 曰 囤 围 ( b ) 囡 口口 ( d ) 口 日 运动前一运动后u t 、j5 点峰值磁场 、，、 图2 5 水平模块驱动示意图 水平的3 自由度通过改变相应线圈绕组的电流通断和强度大小的改变来控 制运动体绕x ，y 轴的平动和绕z 轴的微转动。图2 5 ( a ) ( b ) 所示的绕z 轴运 1 4 曰 囡 曰二 目田 3 3 ( 厂 ) ， 3 口 口 k 团 团 浙江理i 大学联士学位论文 动由对角所示的黑色标记线圈绕组分别产生驱动力和阻尼来实现，图2 5 ( c ) ( d ) 所示的沿x 、y 轴向运动由对称两边的黑色标记绕组分别产生驱动力和阻尼来实 现。这样按照对角线的方式对绕组进行分配，在保证实现同等运动要求的前提下， 不仅减少了八个线圈绕组同时工作产生的干扰，而且降低了功耗。同时，按组分 配的方法在硬件制作和控制器通道分配过程中会使工作简明有序，也使控制算法 编程层次清晰。 在沿x 、y 轴进行微运动的同时，底面提供悬浮力的导线阵列a l 、b l 、c l 、 a ，a z 呻bc ：、3 2 通过控制电路能够分组改变电流的方向，使产生的5 点立 体高斯磁场能够进行同步跟随，形成多点悬浮的稳定状态。见图2 5 ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) 和图2 6 。本微驱动器结构的特点是采取了导线阵列形成的立体高斯磁场与 h a l b a c h 永磁阵列同步跟随。正是这个磁场动态跟随的特性使得驱动器的质心时 刻与5 点驱动力的中心相对应，应用于微运动系统中，既可以实现大范围平移运 动又可以在大角度的旋转运动时，保证在任意位置时底面驱动力的力臂恒定。多 点支撑的结构保证磁场的作用位置准确，提供良好的稳定性，易于实现微驱动器 运动轨迹规划和位置姿态调整。本设计结构克服了其他电磁驱动方法在微驱动器 有旋转位移时，由于原横向电磁力的回馈使得微驱动器受到与旋转方向相反电磁 力的作用，从而造成微驱动器振荡甚至运动失稳，而无法实现大角度旋转的缺点。 tr 1 i i 7 1 o1lr 7 io i 。l：- - - 一“e w i 十一 。u h jk ! l ! ! ! i _ 】0 1 l ! ! = ! ! j n x m i 7 1 ；= i 1 二司10 ；o i 【c “州q ； 一 ( a ) 移动前 移动中( c ) 移动后 图2 6 磁场同步跟随原理示意图 2 2 驱动力的理论分析 2 2 1 导线阵列分析 导线阵列本身是两层导线层正交叠放的。如果将沿同一方向的h a l b a c h 阵列 和导线层归为一组直线电机结构，这两组结构刚好是正交放置的。图27 所示直 m 刿 浙江理工大学硕士学位论文 线电机模型上部是著名的h a l b a e h 阵列，如果忽略纵向边端效应和横向边端效应， 并把周围的导磁材料的磁导率看作无穷大，那么上述永磁体排列结构最终会形成 单面磁场，如下图所示，这是h a l b a c h 阵列最大的特点。 图2 7h a l b a c h 永磁阵列磁场分布图 通过直线电机模型磁场的求解【5 3 1 ，求解得出，数值驱动力的关系为： x 方向横向驱动力数学模型： 六力= 峨彳p 一格厶 2 一( 1 ) y 方向横向驱动力数学模型： f y 2 = t o m o a e - 巧g j a 2 ( 2 ) z 方向悬浮驱动力数学模型： fz = 2 1 t o m o a e - r l g j p2 - ( 3 ) 其中：风眠为永磁体的剩磁，m o 为磁化强度，g 为气隙高度，常数 彳= 芋( 1 - e - m a ) ( 1 一g 一斯西) ，k , , = 2 x 名，a 为极距，斯= 阪l ， 厶和厶为导线 阵列内电流密度，为导线阵列厚度， 西为永磁体棱长。 计算得舻o ，则六五= 0 ，厶= 0 ，因此电磁悬浮式微驱动器的悬浮体，从 理论上讲水平方向上所受横向