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简论观测器五自由度磁悬浮平面电机制约技术网

收藏本文 2024-03-21 点赞:6211 浏览:18129 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:在许多高新技术领域,如集成电路制造、微型机械装配、生物细胞作业、超精密加工及测量和微外科手术等,都需要具有高速度和高精度的两维定位装置。然而传统的叠加式二维定位平台无法摆脱机械式传动机构和摩擦所带来的固有缺点:定位精度较低,响应速度慢,制造成本高。由此基于直接驱动的磁悬浮平面电机被人们提出来作为实现高速度和高精度定位的有效手段。与传统的两维定位装置相比,磁悬浮平面电机具有直接驱动、无摩擦和无反冲等优点。由此,开展平面电机的探讨具有十分重要的现实作用。本论文提出了一种多自由度磁悬浮平面电机,以浅析和解决磁悬浮平面电机的悬浮制约和平面定位制约为主线,对平面电机中动力学建模、耦合浅析、鲁棒解耦制约器对策以及制约系统集成等一系列不足进行了深入探讨,取得了如下的成果:设计了基于直流吸引式的磁悬浮平面电机机械平台,该平台的定子在垂直方向布置4个U型电磁铁,水平方向布置8个I型电磁铁。通过垂直方向和水平方向的对动子的电磁吸引力驱动动子,使其在竖直方向实现悬浮,并在水平方向上进行平面运动。该磁悬浮平面电机具有以下特点:在垂直方向和水平方向的驱动方式上采取直流吸引式驱动提升了线圈的利用效率;工作台的悬浮与水平驱动部分互相独立,以结构上减少了电磁力相互之间的耦合;电机动子上不有着绕组与永磁阵列,避开了动子散热不足,便于对其进行精密制约。完成了基于PC机的磁悬浮平面电机集成制约案例。该制约集成案例在硬件上采取PC机上插入基于PCI总线的输入输出卡,并外接模拟线性功率放大芯片的方式。软件上采取Windows平台上安装第三方多任务实时制约软件RTX的方式,实现在windows环境下的定时制约,最小定时周期可达0.1ms。在该软件平台下,开发了磁悬浮平面电机的实时制约与检测软件。通过软、硬件设计表明所设计的集成制约案例结构合理、利用灵活、可靠性好,适合磁悬浮平面电机的实时制约与数据检测。为了提升悬浮方向上的制约性能,论文探讨了磁悬浮电机在垂直方向上电磁力的建模策略,并针对电机垂直方向上的悬浮不足,设计了非线性鲁棒制约器。通过运用全局滑模算法,结合反馈线性化技术,提出了悬浮系统的抗参数不确定鲁棒制约器。通过仿真实验和制约实验验证了基于非线性技术的滑模制约器比传统PID制约器能够使磁悬浮系统获得更好的快速响应性和更强的抗干扰性能,并且能够在系统有着较大参数不确定时实现稳写作约。针对磁悬浮平面电机在垂直方向上的多输入多输出耦合不足,论文建立了悬浮平台刚体动力学模型;设计了鲁棒解耦制约器使得制约器能够对动子各轴上的旋转角与位移量在互不影响的情况下进行单独制约。该制约器利用模糊滑模制约对策,能够消除磁悬浮系统中的参数不确定影响,对系统的参数不确定项进行估计,柔化制约器的输出,消除“抖振”。同时,在制约器中还设计了扩张观测器以提升平台的抗干扰能力。并通过实验验证了所设计的解耦制约器能够对磁悬浮平面电机悬浮方向上的3个自由度进行解耦,有较强的适应参数不确定和抑制外部扰动的能力。探讨了磁悬浮平面电机在XY平面内的制约策略。建立了磁悬浮平面电机动子在水平面内的动力学模型;针对平面定位的多输入多输出状态,提出了对X、Y轴负向驱动电磁线圈通以恒定电流以减少系统输入数量的制约案例,简化了制约量输入;运用模糊滑模制约算法与扩张观测器设计了3通道解耦鲁棒制约器,该制约器能够实现对悬浮动子多输入多输出耦合模型的解耦,并在制约历程中保持系统的鲁棒性。综上所述,本论文所论述的磁悬浮平面电机实验平台,集成制约案例,提出的系统简化制约输入案例以及所设计的非线性解耦制约器能够实现磁悬浮平面电机的五自由度制约,并使电机在直接驱动下实现精确的平面定位。对于进一步开发高精度大行程的平面定位装置具有一定的论述作用与实用价值。关键词:磁悬浮论文平面电机论文模糊滑模制约论文解耦制约论文扩张观测器论文

    摘要3-5

    ABSTRACT5-13

    1 绪论13-32

    1.1 论文探讨背景及作用13-15

    1.2 平面电机国内外探讨近况15-28

    1.2.1 平面电机水平驱动案例探讨近况15-20

    1.2.2 平面电机支撑案例探讨近况20-28

    1.3 磁悬浮平面电机制约技术探讨近况28-30

    1.4 论文的主要工作与课题来源30-32

    2 多自由度磁悬浮平面电机设计与制约系统集成32-55

    2.1 多自由度磁悬浮平面电机工作原理与整体案例32-37

    2.1.1 磁悬浮平面电机整体案例选择32-35

    2.1.2 磁悬浮平面电机整体案例设计35-37

    2.2 多自由度磁悬浮平面电机结构设计37-45

    2.2.1 磁悬浮平面电机动子结构设计37-39

    2.2.2 磁悬浮平面电机定子顶盖与U型电磁铁结构设计39-41

    2.2.3 水平驱动线圈设计与传感器布置41-45

    2.3 多自由度磁悬浮平面电机制约系统45-54

    2.3.1 制约器硬件系统设计46-47

    2.3.2 功率放大与信号检测滤波电路开发47-48

    2.3.3 磁悬浮平面电机制约软件平台48-51

    2.3.4 磁悬浮平面电机实时制约与监测软件开发51-54

    2.4 本章小结54-55

    3 磁悬浮平面电机单自由度悬浮制约探讨55-88

    3.1 平面电机悬浮方向单自由度系统建模58-62

    3.1.1 电磁力非线性模型58-60

    3.1.2 悬浮方向单自由度系统建模60-62

    3.2 平面电机悬浮方向单自由度反馈线性化制约探讨62-70

    3.2.1 精确反馈线性化策略介绍62-65

    3.2.2 单自由度磁悬浮模型的反馈线性化65-70

    3.3 平面电机悬浮方向单自由度鲁棒制约器设计70-78

    3.3.1 全局滑模制约器介绍70-72

    3.3.2 单自由度磁悬浮系统鲁棒制约器设计72-74

    3.3.3 全局滑模制约器稳定性证明74-78

    3.4 平面电机单自由度磁悬浮系统制约器实验探讨78-86

    3.4.1 电磁力特性参数测量与辨识78-80

    3.4.2 全局滑模制约器实验探讨80-86

    3.5 本章小结86-88

    4 磁悬浮平面电机三自由度悬浮解耦制约探讨88-124

    4.1 引言88-89

    4.2 悬浮动子动力学浅析89-97

    4.2.1 悬浮动子刚体转角运动浅析89-92

    4.2.2 悬浮动子空间转角求解92-95

    4.2.3 悬浮动子刚体动力学建模95-97

    4.3 三自由度解耦悬浮制约技术探讨97-112

    4.3.1 悬浮平台刚体动力学模型简化97-100

    4.3.2 模糊滑模制约论述100-102

    4.3.3 悬浮平台三自由度模糊滑模制约器设计102-106

    4.3.4 解耦扩张观测器设计106-109

    4.3.5 电流环制约器设计109-112

    4.4 三自由度解耦悬浮制约实验探讨112-123

    4.5 本章小结123-124

    5 磁悬浮平台XY平面运动解耦制约探讨124-156

    5.1 引言124-125

    5.2 磁悬浮平台水平运动动力学建模125

    5.3 磁悬浮平台XY平面三自由度解耦制约技术探讨125-140

    5.3.1 磁悬浮平台平面位置与转角计算126-128

    5.3.2 磁悬浮平台平面定位制约案例设计128-129

    5.3.3 磁悬浮平台平面定位模糊滑模制约器设计129-133

    5.3.4 磁悬浮平台平面定位解耦扩张观测器设计133-136

    5.3.5 磁悬浮平台水平驱动各线圈气隙求解136-139

    5.3.6 磁悬浮平台水平驱动电流分配与电流环制约139-140

    5.4 磁悬浮平面电机XY平面驱动制约实验探讨140-154

    5.4.1 平面定位实验设置140-142

    5.4.2 磁悬浮平台平面定位阶跃响应实验142-148

    5.4.3 磁悬浮平台平面动态跟踪响应实验148-151

    5.4.4 磁悬浮平台平面双轴联动跟踪实验151-154

    5.5 本章小结154-156

    6 结论与展望156-159

    6.1 本论文探讨结论156-157

    6.2 探讨革新点157

    6.3 探讨展望157-159

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