（机械电子工程专业论文）磁悬浮微动工作台下驱动和测量方法研究.pdf

浙江理l ：人学硕士学位论文 摘要 微动工作台是微机电系统技术研究的关键之一。本论文主要针对磁悬浮式微 动f ：作台的驱动和测量方法展开研究。通过驱动才能给微动工作台提供合适的电 流或电压，输出所需功率驱动它们运动；通过测量才能获得工作台运动的位移信 息，为工作台的运动控制提供依据。 有驱动方法方面，本论文采用了线性功率放大的电流驱动方案，设计和选择 了以不同功放为核心的两种驱动电路。在相同的实验条件下，经过对两者的综合 分析与评价，本论文认为l m l 8 7 5 驱动电路无论在性能方面还是在制造成本方面 更具有可行性，具体表现在负载稳定度、输出电压纹波、电流线性度等方面有着 良好的效果。 存测鼍疗法方面，通过对多种测量方法的论述和分析，针对现在研制的磁悬 浮式微动工作台，本论文采用了基于p s d 的三角位移测量方法，并且在此基础上 提 i j 了，干十新型的位移角度同时测量方法。通过该测量方法的研究和实验，验证 了位移角度同时测量的可行性。另外，在误差处理方面提出了一种用细分迭代的 教学下段束减小环境光源对测量影响的方法。 在涧平方法方面，本论文设计了以四象限探测器为核心的微动工作台例平力 榘。通过列微动工作台水平度的调整，保证了工作台各点与定子问的问隙棚等 最后，通过对微动工作台整个系统的总体实验，验证了上述驰动、测量以及 蒯乎，j 法的叮行性，基本满足了系统的设计要求。 关键词：磁悬浮，微动工作台，驱动电路，三角测量 浙旺筲自然学坫命青年人才项目资助( r 5 0 3 1 9 7 ) 浙江理工大学硕十学位论文 a b s t r a c t m i c r o m o t i o n s t a g e i so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tp a r t si n t h ef i e l do f m i c r o e l e c t r i c a ls y s t e mt e c h n o l o g yr e s e a r c h i nt h i sp a p e r , d r i v ec i r c u i ta n dm e a s u r e s c h e m e so fm a g n e t i cl e v i t a t i o nm i c r o - m o t i o nw i l lb er e s e a r c h e di n d e t a i l a p p r o p r i a t e c u r r e n to rv o l t a g ew i l lb eo b t a i n e dw h i c ha r eo f f e r e d b yd r i v ec i r c u i t s o t h e r ei se n o u g hp o w e rt od r i v em i c r o m o t i o ns t a g e t h ec h a r a c t e r so f s t a g e sm o v i n g a l s ow i l lb eg a i n e dt h r o u g hm e a s u r e s ot h ef o u n d a t i o ni se s t a b l i s h e df o rf u r t h e r c o n t r o l l i n g t h ep a p e ra d o p t sc u r r e n td r i v i n gs c h e m eo fl i n e a r i t yp o w e ra m p l i f i e da tt h e a s p e c to fd r i v ec i r c u i t t h e n , t w od i f f e r e n tk i n d so fp o w e ra m p l i f i c a t i o nc i r c u i t s b a s e do nt w op o w e ra m p l i f i c a t i o nc h i p sa r ed e s i g n e d as c h e m eo fb e t t e rs y n t h e s i s c o n d i t i o no b t a i n e db ye x p e r i m e n t sb a s e do ns a m ec o n d i t i o n s s ot h ep a p e rf i g u r e s t h a td r i v ec i r c u i to fl mi8 7 5i sf e a s i b l e ，n o to n l yp e r f o r m a n c eb u ta l s oo n m a n u f a c t u r ec o s t ，a f t e ra n a l y z i n ga n de s t i m a t i n g ，i ts h o w sg o o de f f e c ta tt h ea s p e c t o f s m a l lo u tw a v eo f v o l t a g e g o o do u tl i n e a f i t ya n ds oo n o nt h es i d eo fm e a s u r e m e n t ，t h e p a p e rf i g u r e st h a tl a s e rt r i a n g u l a t i o n m e a s u r e m e n tb a s e do np s di st h eb e s tm e t h o dw h i c ha i m sa t p r e s e n tm a g n e t i c l e v i t a t i o nm i c r o m o t i o n ，a f t e rd i s c u s s i n ga n da n a l y z i n gs e v e r a lk i n d so fs c h e m e s a n d an o v e lp h o t o e l e c t r i cm e a s u r e m e n tm e t h o df o rd i s p l a c e m e n ta n da n g l eb a s e d o nl a s e rt r i a n g u l a t i o ni s p r o p o s e d i n t h i s p a p e r t h u s t h em e a s u r e m e n to f d i s p l a c e m e n ta n da n g l ei sa c h i e v e ds i m u l t a n e o u s l yt h r o u g hb u i l d i n gt h em e a s u r e s y s t e ma n de x p e r i m e n t m o r e o v e lt h ei n f l u e n c ec a u s e db ye n v i r o n m e n td i s t u r b a n c e s a n ds y s t e n 1n o i s eo nm e a s u r e m e n tr e s u l t si s l a r g e l yr e d u c e dt h r o u g hm a t h e m a t i c a l l y p r o c e s s i n gb ym e a n so fs u b d i v i s i o ni t e r a t i o na l g o r i t h m t h e nao p t i c ss y s t e mb a s e do nq di sd e s i g n e d i ti su s e dt oa d j u s lm o t i o n s t a g e s l e v e la n dt oe n s u r et h es a m eg a pb e t w e e nm o t i o ns t a g ea n dm o t o n i nt h ee n d ，t h es c h e m eo ft h r e ep a r t st o l da b o v ei sf e a s i b l ea n db a s i c a l l ys a r i s f y d e m a n d so f s y s t e ma f t e re x p e r i m e n to f w h o l em i c r o m o t i o n s t a g e i nc o n c l u s i o n ，t h et a r g e tt h a tt h es t a g em o v e sa n dt h em o v i n gc h a r a c t e r s a r e d e t e c t e dt h r o u g hr e s e a r c hi sa c h i e v e d ，a n di ts e t t l e sg o o df o u n d a t i o nf o rf u r t h e r m o v i n gc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：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 ns t a g e ，d r i v ec i r c u i t ，l a s e r t r i a n g u l a t i o n ； 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 不保密耐 学位论文作者签名： 青，他 日期加口7 年歹月砷 年解密后使用本版权书。 指导教师签名 日期：力一 年 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 论文研究的背景及意义 第一章综述 微动工作台是微机电系统技术研究的关键之一，其为从事微运动技术研究提 供雠、二维或三维的微运动。常见的微动工作台有：柔性铰链机构微动工作台、 滚珠缒杆微动工作台、滑动导轨微动工作台、气浮式微动工作台和磁悬浮式微动 工作台等五大类”“。 不论是哪种工作台它们都包括驱动、测量这两个关键的部分。通过驱动j 。能 给各种工作台提供合适的电流或电压，从而输出所需功率来驱动它们运动：通过 9 | i | f 4 能确切知道傲动工作台运动的位移等相关信息。通过本论文的研究将实现 磁悬浮工作台的运动及检测出其运动的特性，从而根据运动特性为进一步的运动 拧制奠定良好的基础。 1 2 目前微动工作台国内外的研究现状 概括冈内外微机电系统所涉及的扫描微动工作台，典型分类有：柔性铰链机 构、压电堆( p z t ) 、丝杆滑动机构、气浮微动工作台和磁悬浮微动工作台。其性 能指杨、如表1 1 所示： 表1 1 ：各种微运动方法的比较 i 吁号 名称 精度( 分辫率)运动范围自由度数重复世造度 1 菜一r i ，饺髓机构 00 1n l r l 1 0 0 u m1 ，2 ，3 优 慢 2 ；1 、i u j 在( p z t ) 1l l m 5 0 0 u m1中慢 3丝杆：) i ， 动机构0 1u m毫米级1优 由 4 气浮微动l 作台5 0 m毫米级1 ，2 ，3差侠 5 磁恳浮微动j 作台5n m毫米级 l 一6 优快 由表1 1 可知：柔性铰链机构、压电堆、丝杆滑动机构和气浮微动工作台等 都小能单独实现大范围、多自由度、多重复运动、高精度的微运动。虽然采用多 种运动方法相结合的方式，能成功实现了大范围( 毫米级) 、高精度的目标，但 需要大量的财力物力，且系统结构复杂。 磁悬浮微运动技术易于实现上述要求：由于运动工作台具有非接触式运动的 优点，因而消除了摩擦、磨损对运动精度造成的影响，而且行程大、可实现6 浙江理工大学硕士学位论文 广j 度的空问精密运动。最为典型的实例有：国外：美国，麻省理工学院( l f t ) 例制的分辨率5 n m 、运动范围5 0 r a m 5 0 r a m 的高精度平面运动磁悬浮工作台”； 北卡罗莱纳( n o r t hc a r o l i n a ) 大学研制了用于扫描隧道显微镜( s t m ) 的6 自由 度大范围磁悬浮工作台“”，在2 5 r a m x 2 5 m m x 0 1 m m 的范围内定位精度达1 0 h m ： 德兜萨斯a & m 大学研制的6 自由度磁悬浮纳米定位工作台“”，线性位移3 0 0 1 a m ， 分辨率2 n m 。国内：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所进行过“直线驱 动磁悬浮进给机构的研究”，对磁悬浮机构进行过一定的理论研究“”；西安交通 大学进行了“基于磁悬浮和直接驱动的六自由度超精密运动控制”研究，实现了 z 方向1 3 0 n m 的运动精度。国内至今尚未见有关大范围、多自由度、高精度的磁 悬浮文献报道。 1 3 微动工作台的驱动和测量方法介绍 微运功r 作台的关键部分驱动和测量常用方法分别介绍如下。现代先进的驱 动技术t 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束，而另一部分先进驱动技术则往往 是伞新的原理或概念，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、开关磁阻电机技术、电磁发射驱动技术等。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) 的驰动技术也不断出现3 ，尤以压电材料和磁致伸缩材 ：! 制成的驰动装置最为红火，发展较快。此外，如光驱动技、超导驰动技术、静 也驱动技术、金属氢化物驱动技术、形状记忆合金驱动技术，橡胶驰动技术、高 分子凝胶驱动技术、微驱动技术等，也在不断发展。由于电磁式驱动具有非接触、 尤摩擦且响应速度快等优点，本系统将采用电磁驱动的方式进行驱动。 纵脱! 今国内外的研究状况和最新成果，微位移测量技术可以分为三大类 。是硅微镜技术。其中包括扫描隧道显微镜( s i m ) 、原子力显微镜( a f m ) 、光子 扫描隧道显微镜( p s t m ) 、扫描近场光学显微镜( s n o m ) 、扫描电子显微镜( s e m ) 等。二是光学测量技术。常用的有x 射线干涉术、激光频率法、全息光栅、光学 丁涉、激光三角测量法等。三是电学测量技术。电容传感器是近年来发展最快的 j j 以测鼍微位移的方法之一，电容传感器利用了极板之阳j 的距离与电容量之i 目的 2 浙江理j = 人学硕士学位论文 变化关系来实现微位移测量的。因此，从理论上讲，任何能够转换为位移的物理 量都可以用电容传感器来进行测量。除了测量位移，它还可以测量物质的质量、 液体和气体的压力、二维旋转以及三维运动等物理量。早在1 9 1 0 年就有用电容器 原珲测量微位移的。到1 9 2 0 年，超测微计问世，它己能分辨电极问距l 埃的变化。 日前，用三端电容传感器已可测出5 1 0 - 5 研的微位移，最好的稳定性为每天漂 移几个1 0 一脚m ，其线性优于0 5 。虽然电容传感器都能达到纳米的测量分辨率， 但是这种传感器都需要标定，而且超出一定测量范围将会有很大的非线性误差 “。目前它的研究方向是如何提高测量分辨率和传感器的线性测量范围。 以扫描隧道显微镜为代表的显微镜微位移测量方法虽然能够实现纳米甚至 、j f 纳米的分辨率，但是由于s t m 和a f m 都是用压电陶瓷这种传感器来进行测量和示 值，而压电陶瓷存在明显的迟滞现象，电子线路也存在非线性，这都影响着测量 的定杯问题i 。电容传感器法测量范围太小，不能满足本系统的要求。实现微位 移删阜首先必须建立高精度尺度测量基准，常用的高标准尺度主要是光学尺度。 光学测量方注的测量范围广，测量精度高。因此，光学测量技术的发展最为引人 汁1 1 。本系统将采用光学技术来进行测量。 1 4 论文研究内容和主要工作 本沦文足采用电磁驱动方式对磁悬浮微动工作台进行驱动的，其中主要是啦 动电路冉勺设汁与研究。包括驱动方案的选择、驱动电路的设计与调试、驱动实验 的论讧 等几个方面展开论述。测量方面是应用光学三角测量原理进行位移和危度 的测量、应用四象限探测器对微动工作台进行调平检测，其中包括对探测器驰动 放大、运算电路的设计和三角测量原理的研究和应用，并且在误差处理方面提出 减小环境光源对测量结果影响的新方法。最后对磁悬浮微动工作台进行总体系统 实验，验证本论文提出的驱动和测量方法在研制的微动工作台中的有效性和可行 性。 1 5 论文组织结构 第一章综述 第二章磁悬浮微动工作台驱动方法的研究 浙江理工大学硕士学位论文 第：章磁悬浮微动工作台测量方法的研究 第四章磁悬浮微动工作台调平方法的研究 第血章总体实验 第六章总结与展望。 1 6 本章小结 本章先介绍了各种微动工作台的特性及重点分析磁悬浮微运动技术的国内 外现状。引申出各类微动工作台都应具备的关键部分驱动和测量( 本论文 重点讨论的问题) ，并对此进行了论述和比较。最后叙述了本论文的主要研究内 容、具体工作及论文的结构框架。 4 浙江理j ：大学硕十学位论文 第二章磁悬浮微动工作台驱动方法的研究 本论文的磁悬浮微动工作台主要由以下几部分组成：电磁铁、测量部分、电 磁铁电流驱动单元、控带器、悬浮工作台等部件组成。其总的系统结构图、系统 框图分别如图2 1 、2 2 所示： 调平光路 秉 付置给定 ： 电路驱动 量 幽2 1 磁悬浮微动e 作台的结构图 控制输出 功率输出 位置输出 幽2 2 磁恳浮微动二l = 作台的系统框图 本章主要是对磁悬浮工作台驱动的设计，首先对电磁式和非电磁式的两种驱 动作下具体的分析和比较。 2 1 电磁式和非电磁式驱动概述 2 i 1 电磁式驱动技术 该驱动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、无刷直流电机技术、开关磁阻电机技术，各种新型永磁电机技术等“。 浙江理_ 大学硕七学位论文 2 1 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机械能，而不需通过中间任 何转换装置的新颖电机。它具有系统结构简单、磨损少、噪音低、组合性强、维 护办便等优点。旋转电机所具有的品种，直线电机技术几乎都有相对应的品种， 可渭门类齐全，品种繁多。其应用范围正在不断扩大，在一些它所能独特发挥作用 的地方，取得了非常令人满意的效果。 2 i 1 2 开关磁阻电机技术 丌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，其应用领域在得到更大的拓展。 2 1 1 3 磁悬浮驱动技术 高速电机的轴承已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6 口，采用磁悬浮来支承电机转轴，并将磁浮系统与电机定子绕组系统的磁 场合成。体进行控制，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。驱动根据不同材料的组合以及不同驱动方式 分，磁悬浮j 许多种型式，但总体上归结为两大类，即相吸型与相斥型。在一些需 婴岛速运动的场合，磁悬浮驱动技术将会得到很好的应用。 2 1 1 4 电磁发射驱动技术 “丁j 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 体发射成奉高，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 。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。国外已在军事上尝试应用该技术发射飞机。虽然目前尚未到产业化程度， 但6 0 景诱人。 2 1 2 非电磁式驱动技术 近年柬，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 类装冒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，如光驱动技术、超导驱动 6 浙江理工大学硕士学位论文 技术、静电驱动技术、金属氢化物驱动技术、形状记忆合余驱动技术，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， 2 1 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，最盼也在一些场合得到应用。 2 1 2 2 磁致伸缩驱动技术 菜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 ) 被称作为磁致伸缩现象。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i 见，但由于能产生 这种现象的材科其应变量很小，所需磁场强度又很大，且在低温下，因此，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 jr 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“：致 伸缩材耗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，使用特伏诺合会制作的驱动器，其体积要l - ej j i 电利粑做的马妊动器小得多。目前，在一些精密定位装置上，在一些步进运动场台j ；+ 打缁蜘试性的应用，其前景让人感到很振奋。一些先进匿家非常重视该钡域的 研究，并取得了些很好的成果。 2 1 2 3 光驱动技术 近些年来，由于光致伸缩，光吸收而产生磁变化材料的问世，光驱动器得以发 袋。光驱动器主要分为3 种类型，即( 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。 2 1 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 1 1 0 y ，简称为s m a ) 是一种特殊的合会。一旦使 浙江理r ：大学硕士学位论文 它u 忆了任何形状，即使产生变形，但当加热到某一适当温度时，则它就能恢复到 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成为 形状记忆合金驱动器。利用这种驱动器的技术即为形状记忆合金驱动技术。形状 址忆台余有3 个特点，变形量大；二是变位方向自由度大；三是变位可急剧发生。 旧此形状记忆合会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。 2 1 2 5 其他各种非电磁类先进驱动技术 除以上电磁类先进驱动按术外，还有其他各种非电磁类先进驱动技术，如超 导驱动技术、会属氢化物驱动技术、橡胶驱动技术等。超导驱动主要利用超导材 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。般 这种- 9 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 磁利利) ，目莳研究主要有3 种结构形式，一是盘形转予( 或次级) ；二是液忿转子 ( 或次级) ：三足圆杠形转子( 或次级) 。超导驰动以其效率高，小温差能工作的优 点，。i ，比了人们的重视并得以研究发展。 令属氢化物驱动是人们利用储氢合会在吸、放氢气的反应过程中平衡分压随 温度町逆变化的性质，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，它的最夫牝点 越功韦咀基比高，在尺寸相同的情况下，它的驱动力比普通的液压、气压人3 q ， 2 2 磁悬浮式直线电机的应用和本系统的驱动要求 磁悬浮列车是种采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的高速列车系统 州逃，叮达5 0 0 k m 以上，是当今带宽最快的地面客运系统。磁悬浮列车具有速度高、 能耗低、噪声小、启动速度快、安全舒适、低污染、维护少等一系列优点。从事 磁悬浮列车研究的德、日专家称“2 1 世纪的理想交通工具是磁悬浮列车”。我国 也一f 2 0 0 1 年建成了第一条磁悬浮列车。磁悬浮列车上的推进系统即为直线电机， 德川f m s ! a n d 取1 只搴m l y z a k t 所建造的磁悬浮列车采用的是直线同步电动机。其直 流激磁绕组由车上的电源供给，地面上铺设由地面电源供电的三相绕组。直线同 浙江理1 = 大学硕士学位论文 步电动机的这种结构与直线感应电动机相比最大的优点是用直流电激磁，因而 提高了功率因数，而三相绕组的激磁，功率因数较低，最大的缺点是三相绕组导 致了轨道成本的增加。 奉系统的微动工作台是基于该原理而设计的，通过上面电磁铁的磁力使工作 台悬浮，工作台下面的定子产生的行波磁场和永磁铁相互作用从而使工作台运 动。磁悬浮式微动工作台的结构如图2 1 所示，四组永磁阵列分别嵌入在运动工 作台下底面四边，上表面四角对应布置四个电磁铁，主要用以提供工作台垂直方 向 ：的悬浮力和当工作台运动时对高度进行补偿以保证工作台恒高度。与下底面 四个永磁阵列对应布置四组定子绕组，四组交流绕组既提供垂直方向的悬浮力， 也提供工作台水平方向运动的驱动力，工作台在电磁力的作用下被浮起和产生运 动，通过控制通入四组定子绕组电流和电磁铁产生的磁力，可实现运动工作台沿 ：一坚枷轴z 、y 、z 方向的平动和绕三坐标轴的转动p z 、y 、目z6 个自由度的微 运动。 一 经过对垓磁悬浮式微动工作台的理论分析“，对驱动电路的要求为：帽电流： 0 1 1 a ，相电压：0 1 5 v ，每个定子所要达到的功率5 4 w ，为了便于控制要求 输入输出具百良好的线性关系。 2 3 驱动方案的选择及电路的设计 2 3 1 驱动方案选择 按照电磁驱动控割对象的受控方式，可把功率放大器分成驱动电流控制和驱 ，力电j i 控制两种。驱动电压控制和驱动电流控制各有所长。驱动电压控制的优点 是：1 、装置的模型更为精确，因而鲁棒性更好；2 、开环不稳定性较弱：3 、刚 度较低，易于实现。而驱动电流控制的优点有：1 、控制装置描述简单，可满足 大多数应用场合：2 、易实现简单的p d 或p i d 控制。驱动电压控制的主要应用领 域是大型或超大型系统，例如磁悬浮火车。对于大多数小型系统而言，驱动电流 控制是可以满足的，特别是当功率放大器的峰值输出电压成倍地高出工作点电压 时，允许忽略放大器中电流控制回路的动力学影响。所以在本论文中采用了驱动 电流控制方案。 根掘丌关管工作方式的不同，功率放大电路可分为线性功放驱动电路和丌关 9 浙江理f ：大学硕十学位论文 ( 脉冲调制) 功放驱动电路两种。 线性功率放大驱动电路1 采用o t l 互补推挽电路和0 c l 互补推挽电路。为了 使大功率管用同一型号以利于配对，减少前置驱动级的驱动电流，线性功率放大 驱动利用复合管接成0 c l 准互补电路，并采用直接藕合多级放大：为减少零点漂 移和温度漂移，线性功率放大驱动器采用了差分放大和负反馈电路，以保证电路 工作稳定。线性功率放大驱动电路基本组成可以用图2 3 表示。 输入 + 豳2 3 线性功率放人驱动器基本组成 线性功放驱动电路的优点主要是频带很宽( 通常可达1 0 k h z 以上) ，线性度好， 即输入输出的非线性误差小，对外干扰小，抗干扰性能好。但线性功率放大驱动 电路在应用中的缺点也相当明显，如热稳定性差( 存在温漂) ，存在功率管二次击 穿现象，内耗大。 脉冲宽度调制( p w m ) 驱动电路是利用晶体管的开关特性来调制固定电压的直 流电源，以固定的频率接通和关断，并根掘需要改变一个周期内接通和断开的时 间长短，来改变负载线圈的平均电压的大小，从而改变直线电机的位移量。p w m 控制的示意图如图2 ，4 所示。 l 图2 4p w m 控制示意图 丌关k 以一定的时f a j f b j 隔重复地接通和关断，当k 接通时，供电电源u s 通 过开关k 施加到负载l 两端，电源向电机提供能量，电机储能，当k 断开时， 电源u s 被切断，电机在k 接通时所储存的能量通过续流二极管d 1 继续流通。 在负载l 两端得到的电压波形如图2 5 所示。平均电压为： 1 0 浙江理_ t 大学硕十学位论文 u s u a u = 冬= a u a 0 o ， t 、 图2 5p 删控制电压波形 式中。为开关接通时间； 为丁f 关断开时间： t 为一个周期( 即f 。和盯之和) 口为占空比。 2 一( 1 ) 改变占空比，即可改变平均电压u 脉冲宽度调制驱动电路采用i g b t 管驱动，i g b t 管具有场效应管和晶体管 的优点，输入阻抗高，输出阻抗低，驱动电流大，承受电压高，没有二次击穿现 象。山，：脉宽调制系统工作在于 美状态，相对线性系统而占，内部能耗低，转换 娥率高：电路设计简单，结构紧凑。但是，脉宽调制系统采用高频调制，对外部 r 【! 路f 。扰较大：而且系统的通频带宽受到调制频率的限制，不如线性系统的频带 宽。另外脉宽调制型驱动器存在制作成本高的问题。 综合上述两种驱动方式：线性功放驱动的优点是功放稳定度、负载稳定度高， 输m 纹波电压小，具有良好的线性度，瞬态响应快，结构简单，技术成熟，但功 托大、体积大。丌关功放驱动的优点是功耗小，效率高，体积小，缺点是电流纹 波较大。由于磁悬浮式微动工作台需要稳定的电流使运动工作台处于稳定，不致 于波动太大，需要良好的抗干扰能力和线性度，所以本论文采用了线性功率放大 驱动的方案。 浙江理。人学硕七学位论文 2 3 ：2 功率芯片的选择 由于本论文应用直线电机原理来进行驱动的电磁驱动，线性功率放大驱动电 路方式，因此对于功放芯片的选择是至关重要的。经过资料查询确定了两种芯片 进行比较，从而选择其一综合评价较为好的那种来进行驱动电路的设计。在驱动 电路设计之前有必要对两种芯片的特性做一些论述。 2 3 2 1l m l 8 7 5 的特性分析 l m l 8 7 5 集成功率放大器为术级功率放大器，常应用在音频放大、伺服放大、 桥路放大、测试系统中的功率放大。具有外围电路少，不失真功率大，单双电源 均能工作，且自备过载、过热及抑制反向电势的安全工作区保护( 感性负载) ， 是高精度伺服放大的理想芯片。该芯片特点是。“： 单双电源供电范围宽； 电压范围为1 2 v 5 0 v 或6 v 2 5 v ： 最大不失真功率达3 0 w ： 低失真度输出3 0 w 时 1 ； 开环增益9 0 d r ； 静念电流 l o o m a ： 最大输出电流4 a ； 频带宽：7 0k h z ； 最大摆i 喝率8 v # s 。 该芯片在电压o 2 0 v 之问，输出电压、电流有良好的线性关系，并且当 v o ：2 0 v 时，电流可以达到i o = 4 a ，可以保证本驱动的基本要求。 在热保护功能方面表现出色，当芯片由于长时i 日j 的工作使得它的温度持续增 高，当达到最高承受温度摄氏1 7 0 度时，芯片自动停止工作，等温度下降后芯片 又可以j 下常的工作了，从而避免了由于温度过高而烧坏芯片的后果。 2 3 2 27 h 1 2 a 的特性分析 p a l 2 a 是一种新型大功率运算放大器，可以在输出较高电压和输出较大电流 的情况下驱动阻性、感性和容性负载，可用于驱动电机、大功率转换器电路、可 编程电源中。为了提高线性度，特别是在低电平时的线性度，输出级用了一个热 阻补偿式的基一射级电压补偿电路实现a b 级偏置，使其在低电平时也有很好的 1 2 浙江理一f ：大学硕士学位论文 线性输出。实际应用证明，即使给予的直流输入电源有较大干扰，也不会对输出 波形产生较大影响。p a l 2 a 的8 管脚t 0 - 3 封装密封性好，并且在电气上隔离。 p a l 2 a 主要特点如下“”： 低热电阻：1 4 w ： 优秀的线性度：a b 级输出； 宽电源范围：1 0 v 5 0 v ； 大输出电流：峰值1 5 a ； 其管脚图如图2 6 所示。 额定参数如下： 电源电压：+ v s 一v s1 0 0 v ； 输出电流：s o a 内1 5 a ； 内部功耗：1 2 5 w ； 输入差模电压：v s - 3 v ： 输入共模电压：v s ； 结点温度：2 0 0 ； 贮存温度：一6 5 + 1 5 0 ： 管壳工作温度范围：一5 5 + 1 2 5 ； 需要注意的是加上负载后连续工作时，必须耍有合适的散热器。另外，在使 用p a l 2 a 时，最好不要把增益设胃在一3 ( 反向) 以下或者 4 ( 讵向) 以上。此外，还 可以通过选择合适的限流电阻来观察任何工作条件下的s o a 曲线。 v 、o u t i 。l ， ? f o 图2 6p a l 2 a 管脚幽 p a l 2 a 提供了自动限流功能，在7 脚丌路的情况下，计算参数如下： 屯2 0 6 5 1 i c l 2 一( 2 ) 1 3 浙江理t 大学硕七学位论文 i c l = o 6 5 l r c l 2 一( 3 ) 式中，k 是限流值，j 屯= o i f 2 是限流电阻。对于某些特殊的应用，下列公式 增力了限流的范围，允许在不违反s o a 情况下有带载更大的功率。为了达到最大 的限流范围，管脚7 接地，应用等式( 3 ) 和( 4 ) 。 屯2 ( o 6 5 + v ox 0 0 1 4 ) r c l 2 - ( 4 ) r c l2 ( o 6 5 + v o 。0 0 1 4 ) i c r 2 - - ( 5 ) 式中，z o 是输出电压。大多数情况下，用等式2 一( 2 ) 来计算出在o v 输出时期望的 电流值所对应的限流电阻r c l 值，或者应用等式2 一( 5 ) 计算在最大输出电压下的 r 。电阻值。然后再用等式2 一( 4 ) 来绘制在s o a 图上的限流曲线，定出最终折线限 流点。如果从等式2 一( 4 ) 中得出了一个负的限流值，那么折线的斜率必须减小。 返科情况会在当输出电压和电源电流反向的时候发生。在实际应用中如果希望减 小折线斜率，可以通过在管脚7 $ 1 j 地l u j 接一个电阻月。来实现。在有电阻尺m 的电 路朋等式2 一( 6 ) 和2 一( 7 ) 。 ，f l = o 6 5 + o 0 1 4 ( 1 0 1 4 + 月m ) 】r 。 r c l = o 6 5 - i - v o 0 0 1 4 ( 1 0 1 4 + r m ) 么 式中，r ，。的单位足盥q 。 2 3 3 驱动电路的设计 2 一( 6 ) 2 一( 7 ) 本论文设计的磁悬浮式微动工作台的驱动系统总体框图如图2 7 所示 孳一一 图2 7 驱动电路框图 该驱动电路主要由差分放大、反馈放大、功率放大三部分组成。输入信号v i n 是从订算机p c 经d a 转换后输入，差分放大兼有低通滤波的作用，反馈回路用 1 4 浙江理工大学硕士学位论文 来保证电流回路的稳定性。 针对该驱动方案本论文设计了两种具体实现电路，进行分析比较，分别是以 j ? 述介绍的l m l 8 7 5 和p a l 2 a 这两种大电流大电压输出的功放为核心的功率驱动 放大电路。两种芯片的显著特点是当在大功率输出时仍能保持低失真的性能，有 较好的线性度，并且有良好的过载保护，在电流过大、温度过高时不至于烧坏芯 片。两种驱动电路的实现分别如图2 8 、2 9 所示。两种驱动电路的差分放大、 反馈放大采用了t i 公司的t l 0 7 2 a c p 双通道运算放大器，主要起到反相放大作用， 并对高频噪声等外界的干扰信号加以滤波，采用差分放大作用是抑制零点漂移； 由0 o l “f 和2 7k q 组成的反馈环节1 用来补偿控制回路，从而保证了反馈放 大器的闭环回路的带宽1 6 k h z ：功放部分的输出直接接到定子绕组或电磁铁上， 冉通过反馈电阻r 9 和功率电阻r i o 组成的反馈环节2 以保证电路的整体稳定。 为了保证电压、电流不至于过大丽损坏线圈，使用了二极管限压、保险管限流保 扩r 。 一 两劁中的二极管m u r l 2 0 是为预防过高的反电势击穿功率管而引入的。由于 该骀动电路驱动的对象是感性负载，当感性负载剧烈变化时，有可能产生高于电 沥i ，乜胍几倍的反向电压，当它加在功率管上时，如果不尽快将其释放掉，就有可 能于5 ：l 土4 ：功率管。通过在输出与正负直流电源间接上二极管形成释放回路，就能快 边的将反电势释放掉，二极管要尽可能选择导通速度按的快恢复二极管。 图2 8l m l 8 7 5 为核心的驱动电路 浙江理t 大学硕士学f 7 = 论文 ! j 输入信号f = 5 h z 时，设第一级输出为“第一级放大倍数为4 即 “可r t 飞旷t z c i i r 3 ( u n - u t ) = 巧1 ( 1 ) 2 - ( 8 ) 丑：堑 。u 五2 芴1 再 耿兄= 1 0 k ，c t = 0 1 6 u ，可以得到： 2 - ( 9 ) ， 2 ( 1 0 ) f o = 1 0 0 h z 有用信号主要处于低频段。 当厂 五，4 0 ，此时即起到高频滤波去噪的作用。 第一缴输入信号( 电流) 厶为： 2 繁 2 - ( 1 1 ) 由，和两个反馈回路关系得到反馈回路2 的电流厶： 浙江理r 人学硕十学 奇论文 厶2 z c 互2 + ：2 r 。鱼+ r 9 ，s 2 一( 1 2 ) 从另一方面得到l ： = 去，口 z - ( 1 3 ) 其中l 为最终提供负载的输出电流，由于信号在低频段时，r 1 时，闭环 增益的稳定性是很高的。 2 3 4 2 减小非线性失真 有多级放大电路的最后几级，包括功率输出级及驱动级，输入信号的幅度较 人，在动态过程中，放大器件可能工作到它的传输特性的非线性部分，因而使输 出波形产生非线性失真。引入负反馈后，可使这种非线性失真减少。在对增益稳 定性改善的探讨中已经提到，在深度负反馈条件( 1 1 + 4 f p l j 下，反馈放大电路 1 的增益近似为圭，而与基本放大电路的增益几乎无关，所以放大电路的闭环传 ， 输特性曲线近似为一条直线。与开环输入相比，增益虽然降低了，当增益因输入 浙江理工大学硕士学位论文 信号的大小而改变的程度却大为减小，这说明输出信号以与输入信号置之间几 乎呈线性关系，办即减少了非线性关系。 2 3 4 3 对信噪比的影响 对放大电路来说，噪声或干扰是有害的。信噪比是指信号与噪声之比，这罩 所指的噪声是电路内部产生的，而不是混入信号源的噪声，对于后者，负反馈电 路无法分离。如图2 1 0 ，以为放大电路的噪声。 j x n 幽2 ，1 0 负反馈对信噤比的影响 则往i ：环时， 托= 一4 4 + x 4 2 一( 2 1 ) 信噪比： c 扣酱 z 堋z ， 存闭环时，有： 以2 奇鲁杀z + 再i 知以 z e z s ， 信噤比： e 等 z 硼s ， 比较式2 一( 2 2 ) 和式2 一( 2 5 ) ，在输入相同的情况下，信噪比相同。但是，假 设丌坏时与闭环时的输出幅度相等，则有： ( 熹卜( 扣枷) 2 - ( 2 6 ) 其中a = a ，4 式2 一( 2 6 ) 说明负反馈提高了信噪比，一般说来，引入费反馈以后，闭环增 9 浙江理t 大学硕士学位论文 益比丌环增益要小得多，要想开环和闭环时的输出幅度相等，必须增大输入信号。 2 3 4 4 对频带宽度的影响 频率响应是放大电路的重要特性之一，而频带宽度是他的重要技术指标，在 软靠模数控加工中，需要驱动器有较宽的频率。负反馈是展宽频带的有效措施。 假设放大器的高频开环增益为； 彳：二生二2 一( 2 7 ) 1 七j f l h 其中以为中频增益，五是上界频率a 呗u 4 = 而a 1a f = 考揣z - c z s ， + 1 + 五( 1 + 爿。，) 】 2 南 l h f = f h ( 1 斗a f 、 铲尚岛 吲理，设低频增益 a 。： 生1 1 1 一n t | ? 界频率为 ，= l ( 1 七a m f 、 2 一( 2 9 ) 2 一( 3 0 ) 2 一( 3 1 ) 2 一( 3 2 ) 2 一( 3 3 ) 由式2 一( 3 0 ) 和2 一( 3 3 ) 可知，负反馈使得下界频率降低了，上界频率增加了， 因而扩展了频带宽度。 2 4 实验及结果分析 由上述分析分别给两种实现电路的功放l m l 8 7 5 和p a l 2 a 提供相同的外界电 压电源1 7 v ：数模转换卡d a ( d a q - 2 5 0 1 ，a d l i n k 公司) 为驱动电路提供