【摘 要】
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随着工业4.0时代的发展,各国越发重视高精尖产业的发展,在精密测量领域,精密定位台的系统级技术一直以来是航空航天、IC产业制造、半导体加工等国民、国防基础产业的关键技术。传统的精密定位台多采用机械轴承支承和运动,运动过程中产生的摩擦磨损会随着使用频次和使用时长不断影响实际定位精度,传统的机械物理接触限制了机械定位台精度的进一步提升。新型洛伦兹悬浮定位台是基于洛伦兹力原理设计的一款理论上具有无摩擦可
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随着工业4.0时代的发展,各国越发重视高精尖产业的发展,在精密测量领域,精密定位台的系统级技术一直以来是航空航天、IC产业制造、半导体加工等国民、国防基础产业的关键技术。传统的精密定位台多采用机械轴承支承和运动,运动过程中产生的摩擦磨损会随着使用频次和使用时长不断影响实际定位精度,传统的机械物理接触限制了机械定位台精度的进一步提升。新型洛伦兹悬浮定位台是基于洛伦兹力原理设计的一款理论上具有无摩擦可重复利用、微纳米级定位精度、带宽范围大抗干扰能力强的超精密磁悬浮定位或加工平台。从洛伦兹力磁轴承原理开始,先后介绍了平台的结构设计和基本悬浮原理;为了验证新型悬浮定位台的功能,分别从运动定位控制策略和硬件功放的两个角度来开展仿真和半实物研究,进一步验证样机洛伦兹悬浮定位台的可行性。该悬浮定位平台承重和偏转轴承均为洛伦兹力磁轴承,因此可采用等效电磁方程建立平台主要结构的电磁数学模型,进而可推出承重和偏转磁轴承的电流刚度,结合安培定律确立平台悬浮和偏转力矩数学模型,进一步地,考虑到偏转过程间隙磁密的非线性分布,采用积分法对电磁力进行解析,从而获得相对精确的平台电磁力矩模型。在洛伦兹悬浮定位台运动控制系统中,运动过程主要包括悬浮、偏转和旋转三部分,其中偏转和旋转运动相较于悬浮更为复杂,需要根据指令随动且需要保证精度,因此本文着重介绍偏转和旋转运动的控制策略。针对双工况和不同的过程需求,本文采用多种控制策略:在高适应度偏转和快速机动状态下,通过加入算量一定的二进制编码遗传算法适当调节PID参数,相比于传统PID具有更好的适应性和更快的响应速度;在高精度偏/旋转状态下,设计线性状态观测器对模型进行状态观测,同时引入卡尔曼滤波器对动态角度信号进行去噪和估计,以提高自适应性和精度;为提高采样角速率带宽以及精度,通过采用MEMS姿态传感器MH1760结合最优控制,通过实验,平台稳定偏/旋转时传感器在时域和频域上能提供高保真偏/旋转信号。依据洛伦兹悬浮定位台的运动特性和基础控制方法,选择STM32F407VET6作为主控芯片,通过LM2576S、MC34063A等线性升/降压稳压器和EMI阻容滤波实现芯片供电稳定,通过配置GPIO端口输出,经三极管MMBT4401和逻辑门HEF4081BT进行逻辑电平转换输出PWM信号,DRV8837PWPR驱动芯片经PWM输入作电流直驱输出,根据OP07设计了电流反馈回路,结合LDC1000EVM设计了位移检测模块,完成了PCB样板制作。最后搭建了洛伦兹悬浮定位台实验系统,依据设计流程完成电流闭环控制算法编写,通过数字PID控制器实现。实验表明洛伦兹悬浮定位台具有基础悬浮和偏转功能,同时验证了PID控制策略和PCB硬件板的可行性,为未来开发新型悬浮高精度定位等尖端仪器作出了铺垫。
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