永磁直线电机微纳米级运动高速启停振动控制研究

With the rapid development of integrated circuit manufacturing, precise-machining and related realms, the high-speed start-stop vibration control of micro-nano scale motion driven by permanent magnet linear motor becomes the hotspot and difficulty of the research and application.It is the intention of this project to study the vibration measurement and modeling methods when the motion part of a linear motor is in high-speed start-stop movement, and explore feed-back and feed-forward controllers optimizing design approaches that utilizes model of vibration to suppress the vibrations. It is also the purpose of this project to calculate the dynamic and static error that the motor system generates under different travel distances,velocities and accelerations, and discover the internal relation and rules between the state of motion and the error produced. In addition, based on the rules and model of vibration, this project seek to design fuzzy logic and adaptive segmenting type feed-forward controllers by using trajectory command values and actual measurement data, to restrain the dynamic error caused by elastic deformation of mechanical structure and vibration, therefore minimize overshoot, undershoot and periodical static errors. It is also the goal of this project to find out an optimal design of motion profile curves that can substantially reduce vibration through comparing and analyzing errors caused by using different models of motion profile.In sum, this project intends to restrain vibration produced by micro-nano scale high-speed start-stop motion through vibration measurement, modeling and controller optimization coupled with segmenting type feed-forward controller design and motion curve optimization, ultimately resolve the discrepancies among high-speed, high-acceleration and high-precision of motion control.

随着集成电路制造、精密加工等领域的迅速发展，永磁直线电机驱动微纳米级运动的高速启停振动控制成为研究应用的热点与难点。本项目拟在鲁棒负反馈控制的前期工作基础上，研究直线电机运动部分在高速启停运动中的振动测量和建模方法，并探索利用振动模型进行负反馈及前馈控制器减震优化设计方案；研究运动系统在不同行程、速度、加速度等运动状态下所产生的动静态误差，探讨二者内在联系和规律，并基于该规律与振动模型，研究利用运动轨迹命令曲线和实际测量数据设计模糊逻辑及自适应分段式前馈控制器的方法，以抑制机械结构弹性形变和振动所引起的动态误差，降低超调、欠调以及周期性静态误差；通过分析比较使用不同模式运动轨迹所造成的误差，找到可以大幅度减小振动的运动轨迹优化设计方法。本项目拟通过振动测量建模及控制器优化，分段式前馈控制器设计和运动轨迹优化，减小微纳米级高速启停运动所引起的振动，解决运动控制中高速高加速度和高精度的矛盾。

随着集成电路制造、精密加工等领域的迅速发展，永磁直线电机驱动微纳米级运动的高速启停振动控制成为研究应用的热点与难点。本项目以实现永磁直线电机高速启停阶段振动抑制、提高控制精度为目标，开展了直线电机系统模态辨识与动力学建模、运动状态对误差影响、分段式前馈控制、运动轨迹优化等方面的研究，取得的研究成果如下：1）研究了高速直线电机系统模态辨识及动力学建模方法，建立了基于工况激励的直线电机参数辨识方法；采用ANSYS；对高速直线电机机械系统进行模态分析，了解了系统的各阶主要模态的特性；采用力锤法对直线电机动子平台的模态参数进行了辨识，结果表明实验模态频率与理论分析频率吻合良好；基于伪随机信号和正弦扫频信号激励技术，研究了直线电机系统参数快速辨识技术；对得到的系统频率特性进行分析，得到系统振动幅值及相位的信息，提出了快速自动建模方法，建立了准确的高阶模型。2）研究了永磁直线电机在高速启停过程中，不同运动状态与误差关系，结果表明，运动行程越短、加速度越大，越易于激起振动；加加速度越大，系统的超调和运动轨迹结束后的误差越大，在运动轨迹规划时，减小加加速度，可以有效抑制振动。3）开展了分段式前馈控制技术的研究：研究了模糊逻辑前馈补偿技术，利用位移、速度、加速度、加加速度等运动轨迹命令信号以及反馈的误差信号，运用模糊逻辑的方法设定补偿目标，设计了前馈控制器，补偿了在不同运动行程、速度、加速度等运动状态下的动态误差；运动轨迹命令结束之后，使用了自适应鲁棒控制器，补偿运动轨迹命令结束后的超调和欠调以及周期性干扰引起的动静态误差，使系统迅速趋于稳定。结果表明，分段式前馈控制有效地减小了系统的动态误差，运动轨迹命令结束后的超调、欠调和静态误差。4）采用基于位置域推力波动数学模型的前馈补偿方法，实现了推力波动的抑制。对直线电机进行推力波动补偿后，补偿后速度的波动较未补偿降低55%以上，推力波动影响得到了明显削弱。5）研究了不同运动轨迹对系统误差的影响，结果表明采用B样条的高阶多项式运动轨迹相比梯形曲线、S曲线等能更有效地降低系统误差，提高控制精度。本项目通过对永磁直线电机高速启停运动振动控制技术的研究，解决运动控制中高速度高加速度与高精度之间的矛盾, 提高微纳米级定位系统的控制精度和运动速度，从而促进精密制造业的发展。