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中国电机工程学报 2012年第21期32卷 112-118页

作者：滕伟柳亦兵武鑫穆海华华北电力大学能源动力与机械工程学院北京市昌平区102206 清华大学精密仪器与机械学系北京市海淀区100084

解耦控制策略与控制参数校准技术是实现洛伦兹平面电机超精密运动控制的关键。在已有的动力学模型的基础上,采用基于模型逆变换的方法构建洛伦兹平面电机三自由度运动控制结构,实现解耦控制。为进一步提高解耦控制精度,对运动系统中的... 详细信息

解耦控制策略与控制参数校准技术是实现洛伦兹平面电机超精密运动控制的关键。在已有的动力学模型的基础上,采用基于模型逆变换的方法构建洛伦兹平面电机三自由度运动控制结构,实现解耦控制。为进一步提高解耦控制精度,对运动系统中的不确定因素进行分析,通过校准解耦控制参数补偿不确定因素对精度的影响。提出了基于实测数据的最小二乘算法,对解耦控制中的位置相关解耦矩阵进行校准,并改进已有校准算法,对力相关解耦矩阵进行动态验证。实测结果证明了所提方法的有效性与可行性,该方法已成功应用于工程实践。

关键词：洛伦兹平面电机解耦控制参数校准最小二乘算法

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用于激光精密打孔机运动平台的洛伦兹平面电机设计与实验

用于激光精密打孔机运动平台的洛伦兹平面电机设计与实验

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作者：李甜华中科技大学

学位级别：硕士

激光打孔具备精度高、效率高、成本低等突出优点,在电力电子、航空航天、医疗器械等领域均有广泛应用,是一种重要的现代加工技术。由于激光打孔孔径通常为亚毫米级,精密、高效的二维运动平台是激光打孔功能和精度实现的基础。洛伦兹平... 详细信息

激光打孔具备精度高、效率高、成本低等突出优点,在电力电子、航空航天、医疗器械等领域均有广泛应用,是一种重要的现代加工技术。由于激光打孔孔径通常为亚毫米级,精密、高效的二维运动平台是激光打孔功能和精度实现的基础。洛伦兹平面电机是一种新兴永磁平面驱动技术,它避免了传统机械传动系统对运动台精度的影响,通过直接驱动实现运动台三自由度平面运动,是一种提高激光打孔设备性能的有效方式。然而,由于洛伦兹平面电机电磁、结构、温度存在较强的相互影响,尚需基于多物理场分析技术对其设计、分析进行深入研究。论文分析了洛伦兹平面电机的工作方式,给出了设计指标并进行了总体方案设计。根据设计指标,通过永磁体选择、线圈计算、定子外壳设计以及电阻、电感、电压、电流等参数计算,完成了洛伦兹平面电机电磁设计。提出了采用万向滚珠的动子支撑方式,并进行了选型和验证。采用水冷散热方案,设计计算了电机水冷管道结构参数。对电机的电磁场和电磁力以及电磁对结构变形的影响进行分析。对可以产生永磁磁场的永磁体和通电线圈进行数值分析,了解影响磁场强弱的因素,借助仿真图直观的看出磁场大小的分布。对电磁力进行数学建模,由于建模计算量较大,所以考虑用仿真图来反映电磁力的影响因素。对电磁影响结构变形进行分析,将模型简化,利用仿真对比分析,得出结论。对洛伦兹平面电机内部温度场和流场进行分析,先对相关流体力学和传热学理论进行介绍,主要采用仿真分析的方法解析电机内部温度场和流场的问题,得出了流体在管道中的流速和压力分布,以及定子外壳在通水与不通水两种情况下的温度分布,验证了水冷结构设计的合理性。加工了原理样机,搭建了实验测试平台,对电机气隙磁场、推力常数及内部温度进行实验研究,得出了气隙磁场测量结果与仿真实验的对比图;实验测得X向推力常数为22.5N/A,Y向推力常数为30N/A,与给定推力常数作对比,分析存在误差的原因;通过温度实验,进一步验证了水冷结构设计的合理性。

关键词：激光打孔机运动平台洛伦兹平面电机结构设计多物理场分析

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洛伦兹平面电机控制系统设计与实现

洛伦兹平面电机控制系统设计与实现

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作者：宋翔华中科技大学

学位级别：硕士

传统三自由度平台大都采用多个直线运动单元叠加的方式来实现,其结构复杂,惯量大,难于实现精密运动,而洛伦兹平面电机因为其惯量小,中间环节少,结构紧凑等优点在高速高精运动领域受到广泛关注。通过对洛伦兹平面电机国内外研究概况的总... 详细信息

传统三自由度平台大都采用多个直线运动单元叠加的方式来实现,其结构复杂,惯量大,难于实现精密运动,而洛伦兹平面电机因为其惯量小,中间环节少,结构紧凑等优点在高速高精运动领域受到广泛关注。通过对洛伦兹平面电机国内外研究概况的总结,确定了本文的设计方案和控制关键技术,并进行了控制系统的实现。采用三个洛伦兹线圈同水平面并排布置的结构方式实现平面三自由度运动,为了实现高精度三自由度运动,提出了一种平面电机高精度运动控制模型,该模型在三自由度每个轴上采用PID反馈控制和加速度前馈控制方法,保证平面电机定位精度的同时提高其跟随精度;提出了控制硬件模块化设计方案。建立了平面电机动力学解耦模型以解除各轴之间的耦合,避免各轴力之间的相互串扰从而实现无导轨平面运动;建立了位移测量模型以通过平面上不共线三点的位移测量到平面电机形心位移;提出了对控制关键参数如电机力常数、力解耦矩阵的校准方法以提高控制的精确性,降低加工制造安装误差而导致的平面电机各轴力之间的串扰;研究了运动插补算法和轨迹规划算法以保证电机运行过程的精确性、平稳性和柔性,减少冲击。设计了一款高响应速度、高精度和高带宽的电机驱动器,该驱动器采用PI反馈控制思想实现了硬件电流环,其中设计和计算了PI参数,保证该驱动器开环特性在低频段增益较大,高频段快速滚降的特性;设计了平面电机控制系统其它控制硬件和控制软件。为验证平面电机的定位精度和跟踪精度以及最大加速度等指标,搭建平面电机定位运动平台。通过实验分别比较校准前后X轴和Y轴之间的串扰,结果表明校准后两轴串扰明显减小。定位精度测定实验中,实现了微米级的定位精度;并通过实验测得最大加速能够达到2.5g。在不同速度下进行X轴直线运动与Y轴直线运动,测得的实际位移曲线和理论位移曲线基本吻合,验证了其良好的跟踪精度。

关键词：洛伦兹平面电机前馈反馈复合控制解耦模型参数校准轨迹规划硬件电流环

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