多級(jí)繞組高動(dòng)態(tài)納米級(jí)定位音圈電機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究

音圈電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、近零推力波動(dòng)、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)及高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，與壓電陶瓷、超磁致伸縮等短行程、高精度的執(zhí)行器相比，具有非接觸傳動(dòng)和長(zhǎng)行程的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在超精密定位伺服系統(tǒng)中。 首先，針對(duì)推力密度高、推力波動(dòng)低的需求提出了一種Halbach陣列、串并聯(lián)磁路結(jié)合的次級(jí)結(jié)構(gòu)，具有超薄冷卻結(jié)構(gòu)的音圈電機(jī)。Halbach陣列及串、并聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)有效地減小了電機(jī)軛板厚度，提高了直流直線電機(jī)的推力密度；采用增添冷卻結(jié)構(gòu)的方式可提高無鐵心電機(jī)繞組電流，進(jìn)一步提高電機(jī)推力密度，并且可有效抑制電機(jī)溫升，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)與外界環(huán)境無熱交換。 基于音圈電機(jī)電磁邊界簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，采用鏡像法與等效磁荷法結(jié)合的方式建立起音圈電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)的三維數(shù)學(xué)模型。在磁場(chǎng)模型中，通過等效磁路法搭建起電機(jī)導(dǎo)磁材料的飽和系數(shù)模型，有效地提高了該類電機(jī)磁場(chǎng)模型的精度，為電機(jī)精確推力計(jì)算奠定理論基礎(chǔ)。目前，上述研究成果已經(jīng)應(yīng)用在典型超精密伺服系統(tǒng)（光刻機(jī)）樣機(jī)中。 首次提出了推力系數(shù)剛度這一概念描述推力系數(shù)隨電機(jī)初級(jí)、次級(jí)相對(duì)位置變化時(shí)的衰減規(guī)律，從而作為評(píng)價(jià)該類電機(jī)性能優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。首次提出了反接串聯(lián)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方法從根源上抑制冷卻結(jié)構(gòu)的電渦流阻尼力，得到了一種新型抑制電渦流阻尼力的超薄型冷卻結(jié)構(gòu)，并推導(dǎo)了阻尼系數(shù)的數(shù)學(xué)模型。通過實(shí)驗(yàn)證明了上述模型的準(zhǔn)確性。打破了視電機(jī)為同一剛體的模型束縛，揭示了音圈電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)振蕩引發(fā)的推力波動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理，并建立電機(jī)初級(jí)的多剛體多自由度動(dòng)力學(xué)模型。在以上電機(jī)推力及擾動(dòng)力的分析及數(shù)學(xué)模型指導(dǎo)下，建立了高精度的音圈電機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，為其控制系統(tǒng)的前饋補(bǔ)償模型奠定了理論基礎(chǔ)，通過系統(tǒng)仿真證明了前饋補(bǔ)償方法的可行性。提出了一種雙繞組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的推力波動(dòng)抑制方案。 搭建音圈電機(jī)熱網(wǎng)絡(luò)法數(shù)學(xué)模型，并成功預(yù)測(cè)了電機(jī)初級(jí)側(cè)表面的高溫區(qū)，提出了增加導(dǎo)熱支路方法降低音圈電機(jī)初級(jí)的側(cè)表面溫度，通過溫度場(chǎng)仿真及冷卻實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。冷卻結(jié)構(gòu)不僅提高了繞組持續(xù)電流的密度，滿足電機(jī)高推力密度的需求，同時(shí)突破了超精定位系統(tǒng)中電機(jī)近零散熱的技術(shù)瓶頸。 以音圈電機(jī)的電磁模型、散熱功率模型及尺寸參數(shù)化模型為基礎(chǔ)，采用遺傳算法構(gòu)建該電機(jī)多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，以電機(jī)行程、表面溫升和外形尺寸等為約束條件，對(duì)音圈電機(jī)進(jìn)行多物理場(chǎng)綜合設(shè)計(jì)、優(yōu)化研究。該方法實(shí)現(xiàn)了電磁性能、冷卻性能及外形尺寸的兼顧設(shè)計(jì)，解決了音圈電機(jī)的多物理場(chǎng)耦合、多 2100433B

微納操作系統(tǒng)是人類連接宏觀世界與微觀世界的橋梁。隨著微納操作系統(tǒng)行程需求升至毫米級(jí)，音圈電機(jī)作為納米執(zhí)行器的優(yōu)勢(shì)凸顯出來。微納操作系統(tǒng)中，不僅要求所使用音圈電機(jī)定位到達(dá)納米級(jí)精度，還要求具有足夠的推力以滿足加速度的需要，從而保證系統(tǒng)帶載后定位的快速性。高速高精度的背景需求為音圈電機(jī)理論體系的完善、分析、設(shè)計(jì)和制造技術(shù)提出了更高的要求，本項(xiàng)目的申請(qǐng)旨在探索跨尺度音圈電機(jī)電磁場(chǎng)的分布與演化，損耗、傳熱、溫度的精確調(diào)控，電機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)型及其動(dòng)力學(xué)等非線性因素與定位精度、調(diào)速的內(nèi)在聯(lián)系。在推導(dǎo)音圈電機(jī)納米級(jí)連續(xù)氣隙磁場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析熱效應(yīng)、柔性多體機(jī)構(gòu)引起推力波動(dòng)和系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)變化的機(jī)理，最終，建立起更為接近真實(shí)系統(tǒng)的跨尺度、納米級(jí)定位音圈電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和分析方法。提出了一種多級(jí)繞組定子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電機(jī)大推力、高推力分辨率特性共存的音圈電機(jī)系統(tǒng)解決方案。

在定位運(yùn)動(dòng)中，音圈電機(jī)根據(jù)偏轉(zhuǎn)角計(jì)算位置誤差進(jìn)行定位補(bǔ)償，其運(yùn)動(dòng)方式屬于高精度點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定位運(yùn)動(dòng)控制（Point-to-point positioning control），其運(yùn)動(dòng)控制目標(biāo)：音圈電機(jī)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)精確定位，只關(guān)注響應(yīng)時(shí)間以及目標(biāo)位置的定位精度，其運(yùn)動(dòng)伺服控制系統(tǒng)應(yīng)具有快速響應(yīng)、無超調(diào)量和魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，通?？焖夙憫?yīng)和無超調(diào)量是一對(duì)相互制約的指標(biāo)。

為了解決快速性和超調(diào)量的矛盾，有學(xué)者首先提出復(fù)合非線性反饋控制策略（CNF），該控制策略包括線性部分和非線性部分，線性部分通過減小系統(tǒng)阻尼來提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，而非線性部分使電機(jī)在臨近目標(biāo)點(diǎn)時(shí)逐漸加大系統(tǒng)阻尼來抑制超調(diào)量的產(chǎn)生。有學(xué)者將復(fù)合非線性反饋控制算法拓展至輸出反饋控制。然而，上述控制策略只適用于定常參考指令跟蹤，不能滿足時(shí)變參考跟蹤控制，為此，輔助信號(hào)發(fā)生器被引入到CNF中，解決時(shí)變輸入跟蹤控制。針對(duì)多變量飽和線性系統(tǒng)時(shí)變參考輸入跟蹤問題，一種推廣的組合非線性反饋控制被提出。

針對(duì)復(fù)合非線性反饋控制對(duì)參數(shù)擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)自適應(yīng)差的問題，模型自適應(yīng)補(bǔ)償算法加入到該算法中，有效提高系統(tǒng)魯棒性 。2100433B

對(duì)盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)的工作原理進(jìn)行分析以及結(jié)構(gòu)分析可以得出以下結(jié)論:

（1）式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)的工作原理和其他型式的音圈電機(jī)相似。線圈繞組中通以電流在磁場(chǎng)中受到電磁力的作用而產(chǎn)生兩種不同的運(yùn)動(dòng)形式。但盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)有其特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):包括旋轉(zhuǎn)方向沒有機(jī)械限制，裝配時(shí)無機(jī)械禍合，軸向尺寸大大降低等等，這對(duì)某些特殊場(chǎng)合具有重要的工程意義。

（2)盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)的結(jié)構(gòu)約束體現(xiàn)在軸向厚度主要取決于磁鋼厚度，電機(jī)徑向高度取決于所需最大力矩。通過電機(jī)空載等效磁路的分析可以發(fā)現(xiàn):盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)音圈電機(jī)的氣隙磁密主要取決于永磁體剩磁、永磁體厚度、氣隙寬度等等，在設(shè)計(jì)盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)時(shí)需綜合考慮這些因素。

(3)盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)的性能具有較大的影響。定子扼厚度增加一倍時(shí)，氣隙磁密幅值增大9.9 %，電機(jī)扼部磁密下降22.3%，同時(shí)電機(jī)定子扼重量增加一倍。當(dāng)盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)隔磁寬度增加一倍時(shí)，氣隙磁密幅值增大4.1 %，氣隙磁密平均值變化不大，電機(jī)扼部磁密下降3.6%，同時(shí)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向上寬度增加。這些為此類電機(jī)的設(shè)計(jì)提供大的方向，具體參數(shù)的選擇必須根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合選擇。

(4)完成盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)本體方面的基本設(shè)計(jì)。通過有限元分析軟件仿真音圈電機(jī)本體中關(guān)鍵性的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響，綜合各方面考慮因素求解出音圈電機(jī)本體的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，為接下來的理論研究工作提供模型基礎(chǔ)。2100433B

一般地，旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)主要用來驅(qū)動(dòng)有限轉(zhuǎn)角慣性負(fù)載，所以其動(dòng)子只是在有限轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)做往復(fù)擺動(dòng)。普通磁路結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)是軸向?qū)ΨQ雙層結(jié)構(gòu)，像圖1中顯示的那樣。該類結(jié)構(gòu)主要有兩個(gè)缺點(diǎn):

1)軸向尺寸較大，相當(dāng)于兩個(gè)單元電機(jī)并列，個(gè)別時(shí)候給部件裝配帶來不便。

2)中間有一個(gè)磁扼需要套在動(dòng)子中，不但使定子部件、動(dòng)子部件互相約束，而且側(cè)而的支撐底座使得動(dòng)子只能有限轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)，而不能360度自由旋轉(zhuǎn)。在一些精粗禍合的精密儀器中，粗瞄和精瞄是分階段操作的，往往需要音圈電機(jī)動(dòng)子隨著系統(tǒng)軸系做360度旋轉(zhuǎn)，這時(shí)候普通結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)就不能滿足要求了。

一個(gè)盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。和圖1中單極性磁路結(jié)構(gòu)不同的是，這里采用雙極性磁路設(shè)計(jì)，所以電機(jī)是單層結(jié)構(gòu)，軸向尺寸大大壓縮。另外，由于定子扼已經(jīng)給主磁通提供足夠的磁路，左右兩個(gè)側(cè)而不需要鐵磁性材料支撐，所以動(dòng)子部件可以360度自由旋轉(zhuǎn)，滿足特殊設(shè)備需要。