磁懸浮直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制研究.pdf

1、磁懸浮直線運(yùn)動(dòng)是運(yùn)用電磁力實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)體無機(jī)械接觸地穩(wěn)定懸浮于直線導(dǎo)軌上方指定位置，同時(shí)利用電磁直線驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)體沿導(dǎo)軌做直線運(yùn)動(dòng)。磁懸浮直線運(yùn)動(dòng)具有無摩擦、無磨損、無需潤(rùn)滑等優(yōu)點(diǎn)，這種直線運(yùn)動(dòng)裝置能提供超精密、高速度的直線定位運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)具有強(qiáng)耦合、強(qiáng)非線性特性的復(fù)雜多輸入多輸出系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)精度和承載特性主要取決于平臺(tái)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制系統(tǒng)。因此，磁懸

2、浮直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dòng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型大行程磁懸浮精密快速直線定位運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能提供大行程的超精密快速直線運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)由懸浮子系統(tǒng)和直線驅(qū)動(dòng)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(cè)量反饋系統(tǒng)組成，通過安裝在懸浮體內(nèi)的六對(duì)電磁鐵實(shí)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(dòng)子系統(tǒng)則由永磁定子、可控電磁動(dòng)子及測(cè)量反饋系統(tǒng)組成

3、，以實(shí)現(xiàn)懸浮體沿水平導(dǎo)軌方向的大行程直線往返運(yùn)動(dòng)。在懸浮子系統(tǒng)中，采用差動(dòng)式雙電磁力驅(qū)動(dòng)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(tái)在靜止和穩(wěn)定懸浮兩種狀態(tài)下的靜力學(xué)變形、各階模態(tài)，獲得了最優(yōu)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)。針對(duì)多個(gè)電磁鐵之間存在的磁場(chǎng)耦合及發(fā)熱問題，運(yùn)用有限元方法對(duì)電磁鐵進(jìn)行磁場(chǎng)分析和熱分析，根據(jù)磁場(chǎng)分析結(jié)果對(duì)電磁鐵的結(jié)構(gòu)和空間布局進(jìn)行了優(yōu)化，最大程度地減少了電磁鐵間的磁場(chǎng)耦合。根據(jù)電磁鐵的發(fā)熱量及熱流分析結(jié)果設(shè)計(jì)出了

4、電磁鐵的冷卻裝置。為實(shí)現(xiàn)磁浮直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的高性能穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，控制器、功率放大器具有非常重要的作用。本文針對(duì)磁浮直線運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)的懸浮運(yùn)動(dòng)中，由于懸浮體內(nèi)多對(duì)電磁鐵間存在明顯的動(dòng)力學(xué)耦合，懸浮運(yùn)動(dòng)控制成為了整個(gè)平臺(tái)控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文首先設(shè)計(jì)了六個(gè)獨(dú)立的DSP數(shù)字控制器，并利用PID控制算法實(shí)現(xiàn)了懸浮體的穩(wěn)定懸浮。由于沒有考慮懸浮運(yùn)動(dòng)

5、中各個(gè)驅(qū)動(dòng)力之間的相互耦合，系統(tǒng)的懸浮精度、動(dòng)態(tài)性能欠佳。為實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的高性能解耦運(yùn)動(dòng)控制，綜合分析了各驅(qū)動(dòng)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(duì)平臺(tái)的懸浮子系統(tǒng)進(jìn)行控制建模及參數(shù)辨識(shí)，找出了解耦策略的一種簡(jiǎn)單表達(dá)式并實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)各懸浮力之間的動(dòng)力學(xué)解耦控制。
　　 針對(duì)電磁鐵內(nèi)在的強(qiáng)非線性特性，為提高懸浮運(yùn)動(dòng)控制器的精度，進(jìn)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