磁懸浮直線運動系統(tǒng)的設(shè)計與控制研究.pdf

1、磁懸浮直線運動是運用電磁力實現(xiàn)運動體無機械接觸地穩(wěn)定懸浮于直線導(dǎo)軌上方指定位置，同時利用電磁直線驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動運動體沿導(dǎo)軌做直線運動。磁懸浮直線運動具有無摩擦、無磨損、無需潤滑等優(yōu)點，這種直線運動裝置能提供超精密、高速度的直線定位運動，適合超潔凈工作環(huán)境，在現(xiàn)代精密制造領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景。但由于磁懸浮直線運動系統(tǒng)是一個具有強耦合、強非線性特性的復(fù)雜多輸入多輸出系統(tǒng)，其運動精度和承載特性主要取決于平臺的結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制系統(tǒng)。因此，磁懸

2、浮直線運動系統(tǒng)的設(shè)計及高性能解耦控制器的研究具有極其重大的意義。
　　 本文利用磁懸浮支撐技術(shù)和電磁直線驅(qū)動技術(shù)，設(shè)計了一種新型大行程磁懸浮精密快速直線定位運動系統(tǒng)。該系統(tǒng)能提供大行程的超精密快速直線運動，系統(tǒng)由懸浮子系統(tǒng)和直線驅(qū)動子系統(tǒng)兩部分組成。懸浮子系統(tǒng)由直線導(dǎo)軌、懸浮體及測量反饋系統(tǒng)組成，通過安裝在懸浮體內(nèi)的六對電磁鐵實現(xiàn)懸浮體無接觸地穩(wěn)定懸浮于導(dǎo)軌上方指定位置；直線驅(qū)動子系統(tǒng)則由永磁定子、可控電磁動子及測量反饋系統(tǒng)組成

3、，以實現(xiàn)懸浮體沿水平導(dǎo)軌方向的大行程直線往返運動。在懸浮子系統(tǒng)中，采用差動式雙電磁力驅(qū)動結(jié)構(gòu)，大大提高了懸浮體的懸浮剛度。通過有限元軟件分析平臺在靜止和穩(wěn)定懸浮兩種狀態(tài)下的靜力學變形、各階模態(tài)，獲得了最優(yōu)的運動平臺結(jié)構(gòu)參數(shù)。針對多個電磁鐵之間存在的磁場耦合及發(fā)熱問題，運用有限元方法對電磁鐵進行磁場分析和熱分析，根據(jù)磁場分析結(jié)果對電磁鐵的結(jié)構(gòu)和空間布局進行了優(yōu)化，最大程度地減少了電磁鐵間的磁場耦合。根據(jù)電磁鐵的發(fā)熱量及熱流分析結(jié)果設(shè)計出了

4、電磁鐵的冷卻裝置。為實現(xiàn)磁浮直線運動平臺的高性能穩(wěn)定運動，控制器、功率放大器具有非常重要的作用。本文針對磁浮直線運動系統(tǒng)開發(fā)了基于DSP的數(shù)字控制器和一種具有可調(diào)偏置電流的PWM型開關(guān)功率放大器。
　　 在磁浮直線運動平臺的懸浮運動中，由于懸浮體內(nèi)多對電磁鐵間存在明顯的動力學耦合，懸浮運動控制成為了整個平臺控制的重點和難點。本文首先設(shè)計了六個獨立的DSP數(shù)字控制器，并利用PID控制算法實現(xiàn)了懸浮體的穩(wěn)定懸浮。由于沒有考慮懸浮運動

5、中各個驅(qū)動力之間的相互耦合，系統(tǒng)的懸浮精度、動態(tài)性能欠佳。為實現(xiàn)平臺的高性能解耦運動控制，綜合分析了各驅(qū)動力之間的耦合特性，并提出了一種利用位置反饋和力反饋相結(jié)合的解耦控制策略。通過對平臺的懸浮子系統(tǒng)進行控制建模及參數(shù)辨識，找出了解耦策略的一種簡單表達式并實現(xiàn)了平臺各懸浮力之間的動力學解耦控制。
　　 針對電磁鐵內(nèi)在的強非線性特性，為提高懸浮運動控制器的精度，進一步提出了一種新型的具有自適應(yīng)能力的二型模糊控制算法，該二型模糊自適