（机械电子工程专业论文）磁场同步跟随式电磁悬浮微驱动器的驱动方法研究.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 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，迫切需要具有高操作精度的微运动系统。与传统的微驱动器相比， 电磁悬浮式微驱动器具有单一驱动模式能实现多自由度、大范围运动的突出优 点，因此在精密仪器加工、医学等领域拥有着巨大的市场潜力和广阔的应用前景。 本论文首先介绍了电磁悬浮式微驱动器的原理并进行了运动状态分析；再通 过设计驱动电路为微驱动器提供合适的功率来驱动微驱动器进行多自由度微运 动；最后为了使微驱动器在运动过程中保持稳定，设计了同步跟随电路通过快速 改变通电模式达到磁场同步跟随，实现微驱动器的跟随微运动。在理论分析方面， 应用傅立叶级数表示法、矢量磁位法和麦克斯韦张量法对磁场同步跟随原理进行 分析，建立电磁悬浮式微驱动器特征参数的数学模型，得出了悬浮驱动力、电流 和气隙的理论关系曲线。在驱动方面，本论文采用了线性功率放大的电压驱动方 案，并设计了以p a l 2 a 为核心的驱动电路，经过实验和误差分析，该驱动电路 无论在性能方面还是长时间工作方面都优于以l m l 8 7 5 为核心的电流型放大驱 动电路，具体表现在负载稳定度、输出纹波、电流线性度等方面有着良好的效果。 在同步跟随方面，本论文采用了多路同步触发控制方案，将c p l d 同步触发电路 与变压器同步触发电路进行了理论比较，在相同的条件下，c p l d 同步触发具有 更高的灵活性、结构简单等优点。本论文采用了c p l d 同步触发，无论在响应速 度上，还是在触发的同步性都能满足电磁悬浮式微驱动器的需要。 最后，经过对电磁悬浮式微驱动器进行了驱动能力测试实验和平动实验，得 出了悬浮驱动力、电流、气隙的关系曲线，拟合后与理论分析吻合良好，验证了 电磁悬浮式微驱动器理论分析的正确性和同步跟随驱动设计的可行性，从而为进 一步的精确运动控制打下了良好的基础。 关键字：电磁悬浮；微驱动器；磁场同步跟随；c p l d 。 i i i 浙江理工大学硕士学位论文 s t u d yo nt h ed r i v i n gm e t h o do fa ne 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 r b a s e do ns 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 d a b s t r a c t w i t ht h e q u i c kd e v e l o p m e n to f m i c r o n a n ot e c h n o l o g y , ah i 曲p r e c i s i o n m a n i p u l a t i o ns y s t e mi su r g e n t l yn e e d e di nm e m s ，b i o l o g i c a le n g i n e e r i n g ，m o l e c u l a r a n da t o m i cm a n i p u l a t i n ge t c c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm i c r o - a c t u a t o r s ，t 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 o - a c t u a t o rw i t hs i n g l ee l e c t r o m a g n e t i cl e v i t a t i o nd r i v e m o d ec a na c h i e v em u l t i - d e g r e eo ff r e e d o ma n dl a r g er a n g eo fm o t i o n s ot h e r ei sa h u g em a r k e tp o t e n t i a la n dw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t si np r e c i s i o ni n s t r u m e n t m a n u f a c t u r i n g ，m e d i c i n ea n do t h e rf i e l d s f i r s t l yt h ep r i n c i p l eo ft h ee l e c t r i cm a g n e t i cl e v i t a t i o na n dt h es t a t ea n a l y s i so f m o t i o na r ei n t r o d u c e di nt h i st h e s i s t h e nad r i v i n gc i r c u i tf o rt h em i c r o a c t u a t o r si s d e s i g n e dw h i c hp r o v i d e sa p p r o p r i a t ep o w e r t od r i v et h em i c r o - a c t u a t o r sf o r m u l t i d e g r e eo ff r e e d o mm i c r o m o t i o n f i n a l l yi no r d e rt ok e e pt h em i c r o - a c t u a t o r s t a b l ei nm o v e m e n t ，as y n c h r o n o u s t r a c k i n g c i r c u i ti sd e s i g n e dt om a k e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dm o v ef o l l o w e db ym i c r o - a c t u a t o rm o t i o nb yc h a n g i n gt u r n - o n m o d er a p i d l y o nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa s p e c t s ，t h em e t h o d so fv e c t o rp o t e n t i a l ， f o u r i e rs e r i e sa n dm a x w e l ls t r e s st e n s o ra r ea p p l i e dt os e t t i n gu pt h em a t h e m a t i c a l m o d e lo fc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa n dt h et h e o r e t i c a lr e l a t i o n s h i pa m o n gc u r r e n t ，a i r g a pa n dd r i v i n gf o r c eo fs u s p e n s i o ni so b t a i n e d o nt h ed r i v e ra s p e c t s ，v o l t a g ed r i v i n g s c h e m eo fl i n e a rp o w e ra m p l i f i e ri sa d o p t e di nt h i st h e s i s ，a n dad r i v e rc i r c u i ti s d e s i g n e dw h i c hu s e sp a l2 a a st h ec o r ee q u i p m e n t t h r o u g he x p e r i m e n ta n de r r o r a n a l y s i s ，t h i sd r i v ec i r c u i ti ss u p e r i o rt ot h ec u r r e n ta m p l i f i c a t i o nd r i v i n gc i r c u i tw h i c h u s e sl m18 7 5a st h ec o r ee q u i p m e n ti np e r f o r m a n c eo rw o r k i n gl o n gh o u r s t h e v o l t a g ea m p l i f i c a t i o nd r i v i n gc i r c u i th a sag o o de f f e c to ns t a b i l i t y , o u t p u tc u r r e n t r i p p l e ，l i n e a r i t ya n ds oo n o nt h es y n c h r o n o u st r a c k i n ga s p e c t s ，t h es y n c h r o n o u s c o n t r o ls c h e m eo fm u l t i - c u r r e n ti sa d o p t e di nt h i st h e s i s u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s ， i v 浙江理工大学硕士学位论文 c p l d ( c o m p l i c a t e dp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) s y n c h r o n o u st r i g g e rc i r c u i th a s h i g h e rf l e x i b i l i t y , s i m p l es t r l l c t u r ea n ds oo n ，t h a nt r a n s f o r m e rs y n c h r o n o u st r i g g e r c i r c u i ti nt h e o r y s oc p l ds y n c h r o n o u st r i g g e rc i r c u i ti sd e s i g n e d ，w h i c hc a nm e e t t h en e e d so fe 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 rw h e t h e ri ns y n c h r o n o u s r e s p o n s es p e e d ，o ri ns y n c h r o n o u st r i g g e r f i n a l l y , t h er e l a t i o n s h i pa m o n gc u r r e n t ，a i rg a pa n dd r i v i n gf o r c eo fs u s p e n s i o ni s o b t a i n e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t so ft h ee l e c t r o m a g n e t i cl e v i t a t i o nd r i v ea b i l i t ya n d h o r i z o n t a lm o t i o n t h er e s u l t sa r em o s t l yi nl i n ew i t hp r e v i o u st h e o r e t i c a la n a l y s i s a f t e rf i t t i n g t h ef e a s i b i l i t yo fs y n c h r o n o u st r a c k i n gd r i v i n gd e s i g na n dt h ev a l i d i t yo f t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa r ev e r i f i e di nt h ee 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 r i t m a k e sg o o df o u n d a t i o nf o rf u r t h e ra c c u r a t em o t i o nc o n t r 0 1 k e y w 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 ；s y n c h r o n o u st r a c k i n g m a g n e t i cf i e l d ；c p l d 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己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：辫纪 日期：a 卯7 年3 月7 日 浙江理t 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。 本学位论文属于 保密口，在年解密后使用本版权书。 不保密口 学位论文作者签名：善伟地 日期：雳一7 年 了月9 日 指导教师签名： 日 年了月l ob 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 近年来，以微电子技术和微细加工技术为基础，在微小型机械制造领域开始 了一场新革命，从而诞生了微机电系统( m e m s ) 【】。m e m s 技术在军事、航 天、信息、医学、工业和农业等领域拥有着广阔的应用前景，因而它一出现就受 到了世界各国的高度重视，相继投入了大量的人力、物力开展了对微机电系统的 研究。微机电系统是“微、纳米级的制造”的关键技术。微机电系统的诞生也引 起精密仪器设计和制造的革命，导致精密仪器向智能化、微型化、集成化、芯片 化和系统工程化方向发展，引起设计者的高度重视与密切关注，使现代的微纳米 制造行业步入了“纳米”时代。 随着微纳米科学技术的快速发展，在精密机械制造、生物工程、分子原子 操纵等领域中，迫切需要具有微纳米级精度的微操作系统【5 。9 1 。在微操作系统中， 微驱动器负责驱动微运动设备( 如机械手) 在三维空间中精确运动和末端位置姿 态调整，是实施微操作的关键部件，其性能的优劣直接影响微操作的准确性，为 了实现高精度的微操作，必须具备快速响应和高定位精度的微驱动器。因此，微 驱动器技术是微操作系统的核心技术，已成为国内外研究的重要方向，属微操作 系统的前沿研究领域。 随着磁悬浮技术的广泛应用，磁悬浮列车的使用以及磁悬浮轴承在超高速旋 转工业机器和航空陀螺仪上的推广应用，磁悬浮技术日渐倍受重视。目前，在医 疗领域很多采用微操作器和遥控微机器人实现自动微创手术和给药从而减少病 人的痛苦，并且痊愈快；在汽车航空航天等方面的包含微驱动器的微系统应用使 产品的可靠性和使用寿命得到了很大提高；在光开关、微继电器、射频开关等器 件研究领域，微电磁驱动也受到越来越多的关注。这些都是应用于先进仪器仪表 和自动控制设备，相控阵雷达及移动通信等领域中的基础性关键器件，对于国计 民生具有重要的意义。因此，基于电磁悬浮原理的微驱动方法，具有很广阔的应 用前景。 浙江理工大学硕士学位论文 1 2 微驱动器的原理及分类 微驱动器( 或称微型执行器) ，是一种重要的执行机构。它的主要功能是实 现力( 包括扭力) 和位移( 包括线性位移和角位移) 的输出，是微型机电系统的 重要组成部分。微驱动器技术的分类很多，这里从原理上将其分为电磁驱动技术 和非电磁驱动技术。 1 2 1 电磁式驱动技术 电磁式驱动技术在通用电机技术基础上进一步发展的新型电机技术。如直线 电机技术、开关磁阻电机技术、磁悬浮驱动技术、电磁发射驱动技术，各种新型 永磁电机技术等。 1 2 1 1 直线电机技术 直线电机技术是一种将电能直接转换成直线运动的机械能，不需要通过中间 任何传动装置的新颖电机。它具有系统结构简单、磨损少、噪音低、组合性强、 维护方便等优点。旋转电机所有的品种直线电机技术几乎都有相对应的品种，可 谓门类齐全，品种繁多，其应用范围正在不断扩大，并且取得了非常好的效果。 1 2 1 2 开关磁阻电机技术 开关磁阻电机具有结构简单，性能优越，可靠性高的特点。该电机制造成本低， 在宽调速范围内均具有高的效率。在许多需要调速和高效的场合，从小功率到大 功率范围，均能提供所需性能要求。随着电子技术的发展和开关磁阻电机的进一 步研究，其应用领域在不断的拓展。 1 2 1 3 磁悬浮驱动技术 高速电机的轴承己无法承受高速所带来的机械磨擦，并产生发热、振动、噪 音等。目前采用磁悬浮来支承电机转轴，将磁浮系统与电机定子绕组系统合成一 体组成了一种新型的高速电机。同样在直线运动速度超过5 0 0k m h 时，也必须采 用磁浮驱动。磁悬浮总体上可以归为两大类，即相吸型与相斥型，这两大类都有 广泛的应用。在一些高速运动的场合，磁悬浮驱动技术已经得到了很好的应用， 例如磁悬浮列车、磁悬浮电机等。 1 2 1 4 电磁发射驱动技术 由于受到推力或推力质量比的限制，以火药为发射能源进行军用和航天物 2 浙江理工大学硕士学位论文 体发射成本高，技术复杂。而电磁能直接转变为动能( 实际上是直线电机技术的一 种) 电磁力做功，其速度高，结构相对简单，控制相对方便，易于达到人们期望的要 求。现在主要用于军事方面，如电磁炮和电磁式发射飞机等。主要特点是具有高 初速、射弹质量范围大、受控性好、工作性能优良、能源简易、有利于隐蔽和效 率较高。基于这些特性，相信不久的将来，一定也会和其他技术一样从军用逐渐 转向与民用。 1 2 2 非电磁式驱动技术 近年来除电磁驱动技术以外，其它各种非电磁类( 所谓非电磁类，指的是该类 装置不按通常的电磁定律来运动) 的驱动技术也不断出现，尤以压电材料和磁致 伸缩材料制成的驱动装置最为红火，发展较快。此外，还有光驱动技术、形状记忆 合金驱动技术、超导驱动技术、金属氢化物驱动技术、橡胶驱动技术等，也在不 断发展。 1 2 2 1 压电驱动技术 压电驱动技术以压电陶瓷材料的逆压电效应，通过控制其机械变形产生旋转 或直线运动，具有结构简单、低速、大力矩的优点。这种电机有3 种类型，分别为 超声式、蠕动式和惯性式。超声波式是利用逆压电效应的基础上，以超声频域的 机械振动为驱动技术，在电能的控制下通过机械变换产生运动，这种电机国内外 已研究较多，已在不少场合得到了应用。蠕动式与惯性式主要用于直线运动，结构 也很简单。 1 2 2 2 磁致伸缩驱动技术 某些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，这种由焦 耳发现的焦耳效应( j o u l ee f f e c t ) 被称作磁致伸缩现象。利用这种现象制作的驱动 器称为磁致伸缩驱动器。虽然早在1 0 0 多年前该现象已被发现，但由于能产生这种 现象的材料其应变量很小、所需磁场强度很大、且在低温下，因此，一直未能得到 应用。2 0 世纪7 0 年代人们研制了常温超磁致伸缩材料，2 0 世纪8 0 年代，又开发了 外部弱磁场的超磁致伸缩材料，至2 0 世纪9 0 年代终于有了实用性的超磁致伸缩材 料，并制成了超磁致伸缩驱动器。超磁致伸缩材料，比如特伏诺合金，能量密度是 压电陶瓷材料的1 2 倍，可见，使用特伏诺合金制作的驱动器，其体积要比压电材料 3 浙江理工大学硕士学位论文 做的驱动器小得多。目前，在一些精密定位装置上和一些步进运动场合正在得到 尝试性的应用，其前景让人感到很振奋。一些先进国家非常重视该领域的研究， 并取得了一些很好的成果。 1 2 2 3 光驱动技术 近年来由于光吸收而产生磁变化材料的问世，使基于光致伸缩的光驱动器得 以发展。光驱动器主要分为3 种类型：( 1 ) 他力型，如光闸流管；( 2 ) 换力型，如 辐射计；( 3 ) 自力型，如光发动机。他力型和换力型驱动力较大，但反应较慢；而 自力型则驱动力较小，但反应较快。光驱动器的特点是结构简单、易小型化和轻 量化。 1 2 2 4 形状记忆合金驱动技术 ，形状记忆合金( s h a p em e m o r ya l l o y ，简称为s m a ) 是一种特殊的合金。一旦 使它记忆了任何形状，即使产生变形，当加热到某一适当温度时，它能恢复到变形 前的形状。利用形状记忆合金这种能变形伸缩的特点而制成的驱动器称为形状记 忆合金驱动器。形状记忆合金有3 个特点：一是变形量大；二是变位方向自由度 大；三是变位可急剧发生。因此，形状记忆合金驱动技术具有位移较大、功率重 量比高、变位迅速、方向自由的特点，特别适用于小负载高速度、高精度的机器 人装配作业、显微镜内样品移动装置、反应堆驱动装置、医用内窥镜、人工心脏、 探测器、保护器等产品上。 1 2 2 5 其他各种非电磁类先进驱动技术 除上述非电磁类先进驱动技术外，还有其他先进驱动技术，如超导驱动技术、 金属氢化物驱动技术、橡胶驱动技术等。超导驱动技术主要利用超导材料在临界 温度下呈退磁状态，在临界温度以上呈磁性状态的性质来工作的。一般这种驱动 器的转子( 或次级) 采用超导材料，定子( 或初级) 采用磁性材料( 包括永磁材料) ， 目前研究主要有3 种结构形式：一是盘形转子( 或次级) ；二是液态转子( 或次级) ； 三是圆柱形转子( 或次级) 。超导驱动以其效率高，小温差能工作的优点，引起了人 们的重视并得以研究发展。 金属氢化物驱动是人们利用储氢合金在吸、放氢气的反应过程中平衡分压随 温度可逆变化的性质，通过压力上升或下降来驱动物体。 橡胶驱动技术是人们利用压缩空气伸缩橡胶的一种驱动技术，它的最大特点 4 浙江理工大学硕士学位论文 是功率重量比高，在尺寸相同的情况下，它的驱动力比普通的液压、气压大3 9 倍。 1 3 微驱动器研究现状 微驱动器( m i c r o a c t u a t o r ) 是微机电系统中的重要组成部分，它的主要功 能是实现力或位移( 包括线性位移和角位移) 的转化与输出。微驱动器一般是指 尺寸微小，定位精度较高、消耗能量较低的驱动器。微驱动器既可构成微机电系 统的动力部分，亦可成为微机械的操作或执行机构。所以说，微驱动器是微机械 技术研究的关键内容。 微驱动器也是一种换能器，它可以将电、光、热等多种形式的能量转换成为 机械能输出。因此从能量转换形式分，有电磁驱动、静电驱动、压电驱动、形状 记忆合金驱动、热驱动等形式【1 0 】。目前这些微驱动器都在微机电系统中都得到 了成功的应用。比较常见的微驱动器的性能比较如表1 1 所示【1 1 j 3 1 。 表i - 1 各种微驱动器的性能 驱动器种类行程转动性能反应速度驱动电压( 电流、功率) 静电型中优中一高 5 1 0 0 v 热膨胀型 由 差低 0 1 1 w 形状记忆合金型大优低1 0 m w 左右 压电型 中差 很高 1 0 2 0 0 v 电磁型大优商 0 0 1 1 a 静电型微驱动器是m e m s 中使用最多的一类驱动器，这类驱动器不仅结构 简单、控制方便，而且其动作范围大、功耗小、响应频率高，适于集成化制造i l 4 。 目前m e m s 中常用的静电型微驱动器主要有：梳状驱动器( c o m bd r i v a c t u a t o r ) 、 刮板式驱动器( s c r a t c hd r i v ea c t u a t o r , s d a ) 以及静电型微马达等。 热驱动器是依靠热膨胀效应来驱动的，物质在温度发生改变时，均会产生长 度和体积的变化，从而导致了热膨胀效应。在常规机械中由于热膨胀的速度很慢， 热驱动方式基本不予以考虑。但是在微型机械中，随着尺寸的缩小，热膨胀速度已 经能够满足运行速度的要求，而且热膨胀具有较大的驱动力，通过采用体膨胀系 数大的材料，热驱动有望成为微型机械的一种重要的驱动方式【l5 1 。它具有驱动电 浙江理工大学硕士学位论文 压低、驱动力大、行程大等优点，而且制作工艺比较简单，但是它的响应频率低， 动态特性较差【1 6 j 。目前在微机电系统及微光机电系统中应用的热驱动器主要有： 冷臂一热臂式微驱动器、双金属片热驱动器以及气动型微驱动器。 形状记忆合金型驱动器是利用形状记忆合金的记忆效应来驱动的。诸如钛镍 形状记忆合金( s m a ) 在预置温度下具有回复原来形状的能力，在变温相变过程中 有回复力输出，这一回复力可对外做功。t i n i 形状记忆合金的回复力可达 6 0 k g m m ，在反复地加热、冷却的热循环中，均会产生相同的相变，也会有相同的 回复力输出。输出的回复力是温度的函数，在几万次的热循环中，形状记忆合金的 回复力衰减很微小。利用这些合金可更加精确和高效地制作微驱动器。s m a 驱 动器具有以下特点：体积小、结构简单、重量轻、动作柔性好、控制方便、不易 受周围环境( 温度除外) 的影响。但是，由于s m a 微驱动器是靠加热、冷却使其 运动，而驱动器本身具有一定的热惯性，所以s m a 驱动器最大的缺点就是响应速 度较慢。为了提高响应速度并将其应用于微驱动器，寻找具有优越性能的新型的 形状记忆材料成为研究的关键。目前，这种驱动方式被广泛用在卫星旋转驱动器、 微型关节和机器人，以及微弹簧上 1 7 , 1 8 。 压电型微驱动器是利用压电材料的电致应变原理来进行驱动的。电致应变效 应是在某些电介质晶体两端附加电场时，在晶体内部会因为正负电荷中心发生相 对位移而产生电极化现象，这种电极化将导致晶体在电场方向上的长度发生伸长 或缩短，根据体积不变的原理，则在非电场方向上也发生缩短或伸长。这样可在 压电材料电极两端施加电压即可获得微小位移。压电型微驱动器的功能一般在于 输出毫米、微米、甚至纳米量级的位移或机械运动，有较高的位移分辨率和控制 精度，而且具有响应快、驱动力大、驱动功率低和工作频率宽等优点，是一种较理 想的微位移驱动器，已广泛应用于精密机械、机器人和生物医学工程等领域，并受 到国内外的重视【1 9 , 2 0 】。 电磁力也是种场力，它取决于驱动器的结构形状。电磁力可以在载流线圈 与磁性介质( 软磁体或永磁体) 相互作用时产生，或是永磁体与软磁体之间相互 作用产生磁力。电磁型微驱动器就是靠着这种磁场力在空间实现大行程的快速微 运动。目前微机电系统( m e m s ) 及微光机电系统( m o e m s ) 中应用的微电磁 驱动器主要有：转动型微马达和线性位移微驱动器【2 1 2 2 1 。电磁型微驱动器具有工 6 浙江理工大学硕士学位论文 作电压小( 一般小于5 v ) 、驱动力大、行程大以及无接触驱动等优点【2 3 】。 1 3 1 国外微驱动器研究现状 国外微驱动技术研究最典型的实例： 美国：d w k a n e 公司研制的a l 5 0 1 0 型微操作机器人系统中采用压电驱动微 调装置，完成了单位模光导纤维引线的复杂操作；加州伯克利大学设计的基 于静电场力的并行微装配系统，利用静电力驱动实现了对微零件的定位和排列 【2 5 】；新泽西州科技大学研制的压电驱动6 自由度微操作系统中，采用了一种在 一块压电陶瓷平板上实现x y 方向运动、由压电堆实现z 方向运动的微驱动机 构2 6 】；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统2 7 】；明 尼苏达大学与瑞士联邦科技大学合作研制的用于微操作的双轴静电梳状结构微 驱动系统【2 8 】；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 9 】。 日本：名古屋大学采用平行板电容结构的静电驱动技术，实现了具有6 自由 度的微操作系统【3 0 】；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3 1 】；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 2 】；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统【3 3 】。 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 4 】；b e s a n c o n 自动化实验室以单磁性粒子作为微操作器，以单运动的电磁铁驱动该粒子实现了 对生物细胞的推操作【3 5 】。 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 6 1 。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台【3 7 】；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 8 】。 1 3 2 国内微驱动器研究现状 国内微驱动技术研究最典型的实例： 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，x 、 y 、z 方向的重复定位精度分别为0 0 3 1 t m 、0 0 3 1 a m 、o 1 9 m t 3 9 】；北京航空航天 大学研制的面向生物工程的微操作机器人系统中，右操作手采用压电陶瓷驱动， 7 浙江理工大学硕士学位论文 工作空间为2 0 0 肛m 4 0 0 p m 4 0 0 p m ，定位精度小于0 1 p m 【柏】；南开大学研制的面 向生物工程应用的微操作机器人系统中，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 p m 的重 复定位精度【4 1 】；哈尔滨工业大学研制的主从式遥微操作机器人系统中，采用两 段压电陶瓷管驱动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 出位移为士1 3 1 , t m 、分辨率为l o n m ，z 方向的最大输出位移为6 5 1 t m 、分辨率为 4 i l i i l 【4 2 】；清华大学研制的梳状结构静电驱动微夹持器【2 4 4 3 】；上海交通大学研制的 形状记忆合金驱动的能动式微夹钳【4 4 1 、梯度功能压电陶瓷驱动微夹钳f 4 5 】；上海 大学研制的电磁驱动式斜楔机构微小夹持器【4 6 】；以及大连理工大学研制的形状 记忆合金微驱动器【4 7 】和双晶片压电驱动微夹钳【4 引。 1 3 3 电磁悬浮式微驱动器的介绍 概括国内外微驱动器驱动技术，最常用的是压电陶瓷驱动器，它具有结构紧 凑、运动分辨率达纳米级和输出力大等优点，因此，采用压电陶瓷驱动微驱动器 己成为目前国内外微驱动器的主流。其次是静电驱动器，与其它驱动技术相比较， 静电驱动器的驱动力比较小，但其与i c 工艺兼容，便于实现微驱动器集成。形 状记忆合金驱动器具有结构简单、驱动力大和低压驱动的优点，并且能将驱动和 传感功能集于一身，但是存在响应速度慢和相邻过程不可控的缺点。微电机作为 驱动器的微驱动结构，其体积大、结构相对复杂和累积误差大，而电磁驱动器具 有响应快、运动分辨率高和运动范围大等优点。 总结微驱动器在具体实施过程中，对微驱动技术要求的重要参数有： ( 1 ) 、运动范围 ( 2 ) 、运动精度 ( 3 ) 、运动自由度 ( 4 ) 、运动响应 现代先进的微驱动技术按原理主要分为两大类：一类为电磁式；另一类则为 非电磁式。其中的部分先进驱动技术是从传统驱动技术中进一步发展而来，而另 一部分先进驱动技术则是全新的原理或概念，是原始创新性的驱动技术。其中电 磁式主要包括直线电机技术、无刷直流电机技术、磁悬浮驱动技术、电磁发射驱 8 浙江理工大学硕士学位论文 动技术等。近年来，除电磁式驱动技术以外，其它各种非电磁类( 装置不按通常 的电磁定律来运动) 的驱动技术也不断出现，尤以压电材料和磁致伸缩材料制成 的驱动装置最为红火，发展较快【4 9 1 。此外，其他如光驱动技术、超导驱动技术、 静电驱动技术、金属氢化物驱动技术、形状记忆合金驱动技术，橡胶驱动技术、 高分子凝胶驱动技术、微驱动技术等，也在不断发展。由于电磁型微驱动器具有 驱动力大、行程大和驱动电压低等优点，已成为人们研究的热点，本系统采用电 磁型驱动的方式进行驱动，这种结构无接触、无润滑、无磨损，运行费用和维修 费用低，工作寿命长，适用于真空、超洁净、无菌车间等环境。电磁悬浮机构的 性能、质量主要取决于设计方法、加工精度，动态精度主要取决于所采用的驱动 电路的性能，控制精度主要取决于控制环节中信号的测量精度如传感器的分辨 率，响应速度等。 电磁悬浮式微驱动器是利用电磁场驱动永磁体在大范围内进行为运动，由于 磁场力是无接触的，在驱动永磁体做运动的同时还要快速同步跟随，为下一时刻 的运动做好铺垫。要达到同步跟随，就要求电磁场同步运动，这里通过改变通电 模式达到电磁场的改变。通电模式改变的方法有两种：种是通过同一个变压器 进行同步触发可控开关控制，另一种是通过多i o 的数字电路进行同步触发可控 开关进行控制。通过变压器控制，在进行多路转换时会需要很多变压器，这样会 增加系统的复杂性。而通过多i o 的数字电路进行同步触发可以减少微驱动器的 复杂程度，同步性更好。本论文采用了多i o 的数字芯片c p l d 芯片触发可控硅 达到导线通电模式的快速改变，实现电磁悬浮式微驱动器的同步跟随运动。 1 4 论文研究内容和主要工作 本论文重点研究电磁悬浮式微驱动器的理论分析与同步跟随驱动方法的实 现，通过实验验证理论分析的正确性。 本论文首先对电磁悬浮式微驱动器模型进行了理论分析，应用矢量磁位法、 傅立叶级数法和麦克斯韦张量法建立悬浮驱动力和电流强度的数学模型。通过理 论分析得出电流、气隙、悬浮驱动力的关系曲线，并分析了平动和转动的状态。 为后面的电路设计以及运动过程中的运动姿态调整提供了理论依据。 本论文的磁场同步跟随式电磁悬浮微驱动器，采用的是电磁驱动方式，其中 9 浙江理工大学硕士学位论文 主要是驱动电路和同步跟随电路的设计与研究。包括理论分析、驱动方案选择、 驱动电路设计与调试、驱动实验的论证等几个方面。通过驱动电路为驱动导线阵 列提供可行的电压，再通过同步跟随电路设计实现驱动导线阵列通电模式的快速 改变，达到磁场同步跟随的效果，为进一步精确控制打下良好的基础。 最后，通过总体实验得出了电流、气隙、悬浮驱动力的关系曲线与电磁悬浮 式微驱动器理论关系曲线吻合良好，说明理论正确性和设计的可行性。 1 5 课题来源及组织结构 本课题来源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( 编号：6 0 5 7 5 0 5 5 ) 和浙江省教育厅科研项目磁悬浮微运 动平台的精确控制和定位方法研究( 编号：y 2 0 0 7 0 2 8 6 2 ) 本论文的内容安排如下： 第一章综述 本章介绍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， 并介绍了本论文的研究内容和主要工作。 第二章电磁悬浮式微驱动器的理论分析 本章介绍了电磁悬浮微驱动器的结构及工作原理，以及运动过程中的受力分 析，为后面的实验提供理论分析。 第三章电磁悬浮式微驱动器驱动电路设计 本章设计了一种电磁悬浮式微驱动器的驱动电路，介绍了目前应用的多种驱 动方法。通过理论分析采用了线性电压驱动电路，并通过实验验证了其可行性。 第四章电磁悬浮式微驱动器同步跟随设计 本章设计了一种电磁悬浮式微驱动器的同步跟随设计电路，介绍了两种多路 同步触发方法。通过分析采用了c p l d 同步触发电路，通过仿真模拟了输出可控 触发信号，并通过实验验证了其可行性。 第五章电磁悬浮式微驱动器实验研究 本章介绍电磁悬浮式微驱动器实验系统构成，通过总体实验完成电磁悬浮式 微驱动器的驱动能力测试和水平运动实验。 第六章总结与展望 l o 浙江理工大学硕士学位论文 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 本章介绍了微驱动器的各种特性，深入探讨国内外微驱动器技术的研究现 状，引申出了电磁悬浮式微驱动器的优点，进而叙述了本论文的主要研究内容和 工作，最后作出了论文结构框架。 浙江理工大学硕士学位论文 第二章电磁悬浮式微驱动器的理论分析 本章介绍了电磁悬浮式微驱动器的结构及原理，并对磁场进行了理论分析， 最后对悬浮体在空中微运动进行定性分析。 2 1 电磁悬浮式微驱动器的结构及工作原理 2 1 1 电磁悬浮式微驱动器结构 电磁悬浮式微驱动器是利用微驱动器与驱动导线阵列各自产生的磁场，相互 作用产生排斥力，使微驱动器能在驱动导线阵列的表面悬浮。电磁悬浮式微驱动 器要求微驱动器不仅能稳定悬浮，而且能在平面内实现多自由度的微运动，所以 为了实现这些功能，就要求微驱动器产生的磁场和驱动导线阵列产生的磁场两者 中至少一种磁场是可变的，而且是磁场区域强度可调。 阵列 导线阵列 图2 1 电磁悬浮式微驱动器结构图 由于上述原因，本论文采用一种由永磁阵列和导线阵列两部分构成的电磁悬 浮式微驱动器结构，如图2 1 所示。微驱动器的底面和四周分别嵌入同样结构的 永磁阵列。永磁阵列是由n 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【7 】【5 0 5 2 】，可以使磁能大部分聚集于永磁体的一侧，嵌入驱动器作为动 子使用；下面和四周的导线阵列由多层导线层正交层叠而成，通过调节导线通电 模式，实现模拟永磁阵列磁场分布形态，作为定子使用。导线阵列固定在实验台 浙江理工大学硕士学位论文 上，永磁阵列与其中心对应放置，在一定通电模式下他们相互之间的电磁力表现 为悬浮力，从而使两者之间存在一定的气隙。悬浮体依靠这种排斥力的作用就可 实现空间中的微运动。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 悬浮体，而导线阵列及其支架则称为驱动体。 作为动子的永磁阵列的性能是影响电磁悬浮式微驱动器的重要因素之一。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。 永磁体的材料选择了矫顽力和剩磁都较高的铷铁硼永磁体。永磁体的排列方式是 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如图22 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设备。 曰 囤2 2 永磁阵列充磁方向示意圈 h a l b a c h 阵列具有良好的单面磁场特性，一侧呈现弱磁场，一侧呈现强磁场。 强磁场- - n 聚集了绝人部分的磁能，使这种永磁阵列在应用中具有很高的效率。 选取两个h a l b a c h 阵列正交矢量合成的方式，是因为合成后的永磁阵列在强磁场 一侧的磁场总体有2 倍的提升。这一结论在后续分析中会有定性和定量的说明。 产生可变磁场的导线阵列结构比较简单，是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。磁场的改变取决于导线通电模式的改变， 每改变一次通电模式，电磁场就跟随永磁体运动一次。整个电磁悬浮式微驱动器 的运动控制都是通过驱动导线阵列的通电模式以及电流大小的改变柬实现的。因 此，驱动导线阵列的同步跟随特性就显得十分重要。 2 12 电磁悬浮式微驱动器工作原理 本论文采用的电磁悬浮式微驱动器是利用永磁阵列与驱动导线阵列各自产 囿一甸一 1 协诅 浙扛理工大学硕士学位论文 生的磁场，相互作用产生排斥力，使悬浮体在驱动体表面悬浮。 永磁阵列是由两个h a l b a c h 阵列正交矢量合成的，h a l b a c h 阵列本身表现出 的单面磁场特性。永磁阵列在气隙内产生了五个区域峰值磁场，磁力线或垂直 平面穿出，或垂直平面透入，区域磁场交荷变换，具有周期性。如图23 左侧所 示，磁力线在中间区域表现为指向一z 轴，周围四个区域磁力线表现为指向z 轴， 区域磁场均表现为山峰状，如图23 右侧所示，磁通密度幅值等势线也表现为五 个区域峰值。 芝车蒉o 盆r 图2 3 永碰阵列的区域峰值磁场分布示意圈 基于电磁悬浮式微驱动器的原理，就要求驱动导线阵列在特定的通电模式下 也产生五个区域峰值磁场。这五个区域峰值磁场与永磁阵列在气隙中的磁场形态 分布相近磁力线方向相反，恰好相互作用产生悬浮驱动力。这是电磁悬浮微驱 动器实现空间微运动的必要条件。 与其他利用磁场原理的微驱动器相似，电磁悬浮式微驱动器也利用悬浮体与 驱动体产生的磁场相互作用产生悬浮和驱动力。同时电磁悬浮式微驱动器还具有 常规微驱动器所不具有的特点，驱动体产生的磁场可以随着悬浮体的运动同步跟 随变化。悬浮体所做的空间微运动包括平动和转动，平动是悬浮体沿平面运动， 转动是悬浮体绕某一个轴做小角度的运动。下面按照悬浮体运动的方式逐一对这 种磁场同步跟随原理进行分析。 平动可以分为垂直方向上和x y 平面上的微运动。悬浮体沿华标轴在垂直方 向上微运动，可以通过调整四周驱动导线阵列通电模式，使其产生与悬浮体对应 的磁场保持悬浮体处于水平状态，再增大( 或减小) 底层驱动导线阵列中的电流 浙江理工大学硕士学位论文 大小以实现增大( 或减小) 磁场强度的目的，从而达到控制悬浮体升降运动。悬 浮体在x y 平面中运动，就略显有些复杂，因为垂直方向运动是克服微驱动器的 重力而运动，而水平微运动在水平面上悬