文獻閱讀資料

1、 重要文獻閱讀李群明1研究的是吸力型磁懸浮系統(tǒng)，設計了一種平面型磁浮運動平臺，作了如下幾點研究：1，對磁浮平臺進行電磁場與溫度場特性分析2，設計改進了PID控制器3，針對磁懸浮系統(tǒng)的耦合特性，分別進行狀態(tài)反饋解耦控制與坐標變換解耦控制研究4，設計功率放大器與軟件控制流程平臺結構設計的優(yōu)點：1，支撐電磁鐵和驅動電磁鐵相互獨立，消除了懸浮和驅動之間的耦合關系。2，導向卡槽結構消除了兩個驅動方向之間的耦合關系（導向卡槽結構：驅動軸承限定在懸浮平臺與定位板圍成的卡槽之間運動，懸浮平臺限定在差動布局的驅動電磁鐵卡槽間運動）。3，采用一級懸浮平臺，電磁鐵與懸浮平臺分離，磁懸浮平臺的質量減輕，系統(tǒng)響應速度更

2、快。4，電磁鐵數量變少，控制器設計簡單化。5，平臺結構簡單化，加工難度簡易化。6，電磁鐵剛度可調，能夠實現雙向驅動。溫度場對電磁場影響：考慮到溫度場對電磁場的影響：運用大型通用有限元分析軟件ANSYS模擬了磁浮平臺電磁鐵的電磁場與溫度場特性，進行了二維和三維分析，確定了電磁鐵的磁極布局方式，且平臺容易在繞y軸的轉動自由度上發(fā)生偏轉，應該加強控制，控制方法：對比分散控制和集中控制兩種方法1，分散控制：單輸入單輸出系統(tǒng)，為每一對差動電磁鐵設計一個獨立的控制器，輸入信號取決于差動電磁鐵處平臺的自由度，輸出信號僅驅動該電磁線圈，優(yōu)點是結構簡單，控制器設計容易，缺點是忽略了各種耦合關系2，集中控制：多輸

3、入多輸出系統(tǒng)，把各個平動自由度信號反饋到同一個控制器中進行綜合分析，并對各自由度間的親合關系進行解稱,最后統(tǒng)一控制各個自由度的位移3，分散控制中，采用等效單自由度控制方法，比較了近似控制參數與動態(tài)控制參數的效果,仿真結果表明了近似控制的有效性與動態(tài)控制的優(yōu)越性，該方法缺點是沒有考慮各自由度間的耦合關系，影響了系統(tǒng)的綜合性能。4，集中控制中，采用狀態(tài)反饋解耦控制和坐標變換解耦控制，先采用狀態(tài)反饋解耦控制實現對三個平動自由度的解耦，解耦后各自由度間基本不發(fā)生干擾，通過第4個自由度來補償。再采用坐標變換矩陣，推導了一個動態(tài)的變換矩陣，能夠實現系統(tǒng)的動態(tài)解耦，該方法缺點是未能實現任意位置下的系統(tǒng)的精確

4、解耦，平臺的運動位移越大，殘留的耦合效應越強。創(chuàng)新點：考慮到磁懸浮平臺的質量和解耦的結構對平臺響應速度和解耦性能的影響作了優(yōu)化，本文中將電磁鐵固定安裝在支撐座上，與懸浮平臺相互分離，并且考慮到溫度場對磁場的影響，設計了電磁鐵相關參數，該研究采用了等效單自由度控制和兩種集中解耦控制方法，改進了PID控制器，實現了平臺單個角的穩(wěn)定懸浮。缺點：1，系統(tǒng)動力學模型的建立是基于電磁力在平衡點線性化處理的結果,通過這種方式建立的系統(tǒng)模型和設計的控制器顯然存在一定誤差,影響系統(tǒng)的控制精度2，該研究具體未涉及到傳感器之間的協調工作和解耦 圖1平面型磁浮運動平臺樣機實物圖Wei Gao,，Shuichi Dej

5、ima，Hiroaki Yanai， Kei Katakura，Satoshi Kiyono， Yoshiyuki Tomita2采用一種新開發(fā)的XYz表面編碼器設計了一種精度等級為次微米的xy平面運動的電機驅動平臺，表面電機由四個線性電機組成，表面編碼器是由兩個二維角度傳感器和一個能在表面產生二維正弦波形的角網組成，該平臺能夠在XY平面上運動，同時還可以在Z軸旋轉，電機驅動平臺如圖所示。這種平臺廣泛應用于半導體制造系統(tǒng)和掃描探針測量系統(tǒng)，并且要求具備高精度，高速，范圍廣，結構緊湊這些優(yōu)點，同時由表面電機驅動的平面運動平臺在X,Y方向的移動以及Z軸方向的旋轉能夠更簡易的實現。線性編碼器和激光干

6、涉儀是實現精確定位而得到廣泛使用的反饋傳感器，但是它的測量精度易被周圍環(huán)境影響，例如空氣壓力，溫度和相對濕度等，而且激光干涉儀價格比較高。作者提出一種新的方法，稱之為平面運動測量的表面編譯器，該研究主要介紹了XYz表面編譯器和由表面電極驅動的 XY平面運動平臺，平面運動平臺是由壓板和底座組成，壓板是由四個無刷型兩相直流線性電機組成，每一個電機由一對磁陣列和定子組成，它們在XY方向是對稱的，兩個在X方向，兩個在Y方向，磁陣列和線圈安在壓板和底座的背面，這種固定的線圈結構避免了干擾運動壓臺上的線圈，同時由線圈產生的熱也能夠很好地在底座部位散去，而不會影響壓板。每個磁陣列由10個 NdFeB 永磁磁

7、鐵組成，每個間距10mm，定子由兩個線圈組成，間距為35mm，以此構成一個二維線性電機。實驗表明X,Y全方位的行程是40mm，并且在X,Y方向可以單獨控制，Z方向的精度是1''創(chuàng)新：采用一種新開發(fā)的XYz表面編碼器缺點：沒有研究整個平臺大范圍運動的性能，在平臺整個工作范圍的定位精度的校準和補償過程是有必要作詳細研究的，此外多自由度系統(tǒng)需要測量和控制平面運動參數，包括x方向傾斜角，y方向的旋轉角度以及z方向的精確位置，同時還需要優(yōu)化該系統(tǒng)的控制器。圖2平面運動平臺周正雄3提出了一種TU形結構的，應用于半導體精密加工，激光光刻，高速貼片等微電子制造領域的無接觸支撐的六自由度精密磁懸

8、浮定位平臺，并且設計和分析了機械結構和磁路分布，本文采用Maxwell 3D有限元分析軟件揭示了懸浮力和動子平面位置之間的耦合關系，同時還進行了懸浮系統(tǒng)和水平位移系統(tǒng)精確建模。針對懸浮系統(tǒng)，由于懸浮系統(tǒng)是一個多輸入多輸出，強耦合的非線性系統(tǒng)，提出一種改進了自抗擾控制器策略，采用配置系統(tǒng)結構的方法來代替極點配置進行控制系統(tǒng)設計，能自動補償對象模型的失配和擾動，同時針對常規(guī)自抗擾控制器的NLSEF中非線性函數不平滑，本文提出了一類新的非線性函數，它特性平滑并且可以十分靈活的控制偏差和函數值的關系曲線形狀，得到一種改進的自抗擾控制器，通過仿真得出該自抗擾控制其具有優(yōu)良的動態(tài)，靜態(tài)特性和魯棒性；針對水

9、平位移系統(tǒng)，由于水平位移子系統(tǒng)是一個平面運動各自由度之間相互關聯的多輸入多輸出，強耦合的非線性系統(tǒng)，提出了采用狀態(tài)反饋解耦的PD控制，但是狀態(tài)反饋解耦只是針對動子平面位置位于原點處特定的系統(tǒng)狀態(tài)方程，因此不能實現對水平位移的完全解耦，故提出另一種自抗擾控制器，仿真表明改進自抗擾控制器在平臺水平位移系統(tǒng)中的控制性能優(yōu)于狀態(tài)反饋解耦PD控制器。創(chuàng)新點：提出了一種新型的磁懸浮定位平臺結構，其突出的優(yōu)點在于：具有節(jié)能變磁阻式懸浮系統(tǒng)，利用永磁體為氣隙提供偏磁產生的磁阻力作為動子的主要懸浮力，而懸浮控制線圈 僅提供調節(jié)磁通，調節(jié)偏磁水平，這樣可以大大降低懸浮系統(tǒng)的能量消耗；利用交叉磁導體 提供橫向自由度

10、，從而實現平面運動，避免了為獲得平面運動而釆取多層電磁螺線管驅動器層疊所引起的變形。缺點：水平位移系統(tǒng)的控制性能仍有待于進一步提高圖3 TU型六自由度磁浮定位平臺Souad Rafa，Abdelkader Larabi，Linda Barazane，Malik Manceur，Najib Essounbouli和Abdelaziz Hamzaoui4提出應用于感應電機的一種新的矢量控制的方法，感應電機是一個非線性，強耦合，不確定的系統(tǒng)，前面的研究者們也提出了很多方法，例如滑?？刂?，神經網絡控制，模糊控制，但是所希望得到的性能只是在操作點附近，為了克服以上種種問題，Ezziani et al.提

11、出了一種滯后模糊自適應控制器，它確保了所獲得的性能，但是它需要大量的計算時間，所需要的大量的傳感器增加了實際的成本，作者提出一種新的模糊矢量控制來解決解耦問題和參數變化的靈敏性，這個結構最大的優(yōu)點是模糊邏輯處理不確定變量和消除輸入不確定性的能力，矢量控制技術通常應用于感應電機的逆模型，解決電機的耦合性，但是由于模型的不確定性而往往不被應用到實際應用中，矢量控制有許多優(yōu)點，例如速度控制范圍廣，能實現精確的調速，快速地動態(tài)響應，但是它需要兩個電流傳感器，這就增加了成本，而且由于轉自時間常數的存在使得它對參數的變化具有較高的敏感性，作者綜合矢量控制的優(yōu)缺點，基于簡單模糊控制，提出了模糊矢量控制，該模

12、型如下圖所示，通過實驗和仿真，模糊矢量控制成功的應用于實時控制中，相較之前的各種方法，它無需d-q電流調整器，使用降階模型，減少了仿真時間，具有解耦性能，并且擁有優(yōu)良的動態(tài)和靜態(tài)性能，與此同時降低了成本。缺點：沒有具體講解它的解耦性能圖4，模糊矢量控制Tiejun Hu5中提出了一種通過一個活動部件產生六自由度運動的高精度定位器，該高精度定位器使用一種新的疊加濃縮場永久磁鐵矩陣，平面運動范圍達到160mm×160mm。由于運動主要局限于x-y平面內，被用于半導體制造晶片步進機的高精度定位面臨新的挑戰(zhàn)，如交叉軸型和龍門式型都不能產生旋轉運動，在定位系統(tǒng)中通常使用三種類型電機：直流電機，

13、同步電機，感應電機。直流電機具有耦合性，但是控制簡單，由于刷的磨損使得直流電機不能應用于潔凈室生產，同步電機由于電流使得轉子熱膨脹產生能量損耗從而降低定位器的精度；感應電機是一個復雜的，非線性，很難對其進行建模和控制，所以很少用于高精度定位系統(tǒng)。高精度的定位能力旋轉電機通常是由壓電電機或音圈致動器來實現的，這兩種電機消除了機械部件之間的摩擦，相比壓電電機，音圈致動器有更大的操作范圍和更少的固有頻率，在許多工業(yè)應用中，音圈電機和壓電電機通常被一起用作雙致動器系統(tǒng)。關于平面電機，作者提出永磁矩陣平面電機，它使用永磁矩陣作為磁場強度和電流密度的來源，驅動力是由控制繞組中通過的電流產生，這個概念起初由

14、Asakawa，Ebihara 和Watada 提出，對比索耶電機和傳統(tǒng)永磁同步電機技術，永磁矩陣平面電機具有更好的性能。 控制器的設計水平模式控制采用一種數字LQR控制器，為了減少穩(wěn)態(tài)誤差，設計了積分器，實驗結果表帶有積分器的LQR控制器可以實現良好的動態(tài)性能，如降低上升時間和穩(wěn)定時間，在水平模式，沒有穩(wěn)態(tài)誤差。在垂直模式下，為了節(jié)省DSP計算時間，設計了一個帶有積分器的一個降階數字LQG控制器，相較于傳統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制器，該控制器LQG成功地實現了更好的動態(tài)性能和更高的定位分辨率。優(yōu)點：提出基于Halbach磁體陣列的新型濃縮場磁鐵矩陣的高精度多維定位系統(tǒng)，單作動板是三角形結構，該定位驅動

15、器三個3相平面磁懸浮電機組成，消除了齒槽力，這種高精確度的多維定位器可以用于光學聚焦和對準所需的所有小運動以及用于晶片定位的大平面運動，由于定位器是由三個氣體靜壓軸承懸浮，定位器的質量只有5.91公斤，所以該系統(tǒng)的電力消耗比較小，而且可動部分和機械底座沒有機械接觸無需潤滑。圖5六自由度高精度定位器Toshimasa Nishino6研究了一個磁懸浮系統(tǒng)，能夠無接觸操縱的磁懸浮手，四個電磁鐵分布在水平面上實現三維定位，迄今為止，只能實現三維定位，四個電磁鐵的電路是相互獨立的，由場效應晶體管放大電路控制，懸浮手可以通過流入四個電磁鐵的電流懸浮在任意一個位置，懸浮手的重量是6g，它的承重量大約為1g

16、，運動范圍是20mm×20mm×20mm,懸浮手和電磁鐵的距離是50mm。本次研究中，作者提出一種新的控制器來抑制z軸的旋轉震動，通過實驗，利用傳感器來檢測旋轉角，發(fā)現磁通量值是影響旋轉震動的主要值，從而設計一個抑制震蕩的控制器來穩(wěn)定磁通量值。設計的新的控制器是由前饋非線性補償器和PID反饋控制器組成，但是控制器的穩(wěn)定性沒有得到驗證，有待下一步提高磁懸浮系統(tǒng)的控制性能，如果能夠實現z軸方向的任意旋轉，這個系統(tǒng)將會應用于越來越廣泛的地方。 圖6 磁懸浮系統(tǒng) 圖7磁懸浮手Won-jong Kim，Shobhit Verma，Huzefa Shakir7提出了兩個新穎的能夠實現納

17、米定位的6軸磁懸浮平臺，一種是型磁懸浮，一種是Y型磁懸浮，型是指單一懸浮壓盤的形狀是三角形的，它由一個三角形的鋁板和六個單軸的驅動器組成，該磁懸浮平臺使用最少的驅動器來實現6個自由度的運動，每一個垂直方向的驅動器由一個橢圓形的磁鐵和一個線圈組成，水平方向的驅動器由2個橢圓形的磁鐵和一個線圈組成，并且采用STMs和AFMs精密定位器，但是運行范圍在xy平面上是300µm，z軸方向是3.5毫弧度。而Y型優(yōu)于型，Y型運行范圍廣，xy平面能夠達到500µm，z軸方向是0.1度；負載能力高，Y型為2kg，型為0.3kg；機械結構設計簡單，Y型比型少三個磁鐵；能源消耗低。 圖8 型磁懸

18、浮 圖9 Y型磁懸浮Muneaki Miyasaka,Peter Berkelman8實現了一種磁懸浮裝置，使得懸浮體可以穩(wěn)定地控制在任何方向，在其空間旋轉范圍沒有任何限制，為實現穩(wěn)定懸浮，通過分析懸浮體各個磁鐵配置和用于產生力和轉矩的線圈，以實現懸浮體無限滾動，俯仰和偏轉轉動，該研究的新穎之處在于實現所有方向上無限旋轉范圍，通過實時反饋懸浮物和取向之間的位置關系，預先計算每個磁體和線圈之間電磁力和轉矩數據，使磁懸浮運動有較大的平移，并且旋轉范圍方向不受限制。該系統(tǒng)由固定在底盤上的圓筒線圈平面陣列，含有圓盤磁鐵和LED位置標記的懸浮架，和一個用于懸浮的反饋控制的光學運動跟蹤傳感器中組成。該系統(tǒng)

19、結合了精確定位，振動隔離，以及一個球形電機，在全向天線和照相機指向，用戶交互，操縱和模擬空間飛行動力學和控制中具有潛在的應用的功能。該系統(tǒng)的開發(fā)過程包括在線圈和磁鐵之間電磁力和力矩的數值分析，找到懸浮所需的最大線圈電流和懸浮體的線圈電流，懸浮力和力矩之間變換矩陣的條件，各種線圈和磁鐵的參數配置。一個磁懸浮設置由27個線圈和6個盤形永磁體組成的懸浮陣列。設置實現了六個自由度的懸浮和以高度為40毫米的任意軸無限旋轉（線圈陣列上方4毫米是最小高度）。性能通過在側傾，俯仰，橫擺，包括非主軸360°旋轉實驗得到的懸浮軌跡驗證。但是，這種懸浮系統(tǒng)的性能受位置感測的運動跟蹤系統(tǒng)的更新速率和位置信號

20、的噪聲所限制，而且精確度低，為了實現穩(wěn)定懸浮，需要優(yōu)化控制算法。圖10磁懸浮設置Tzuu-Hseng S. Li9研究了一種新的模糊反饋線性化策略的控制。這項研究的主要貢獻是建立一個控制策略，使得所得的閉環(huán)系統(tǒng)在任何帶有干擾耦合的初始條件下是有效的，并為一些經典非線性控制系統(tǒng)開發(fā)了反饋線性化設計，該反饋線性化控制，保證了幾乎干擾解耦性能和跟蹤誤差系統(tǒng)的一致最終有界穩(wěn)定。許多方法應用于非線性系統(tǒng)，包括反饋線性化，變結構控制（滑?？刂疲?，反演法，調節(jié)控制，非線性H控制，內模原理和H自適應模糊控制，作者建立的控制算法，通過反饋線性化方法和模糊邏輯控制解決了非線性不確定系統(tǒng)跟蹤和干擾解耦問題。該控制器

21、保證了系統(tǒng)的輸出跟隨著所述參考信號，并實現了閉環(huán)非線性系統(tǒng)所有信號的一致最終有界性。優(yōu)點：提出的控制算法很好的解決了控制方面兩大難題：穩(wěn)定和跟蹤。缺點：使用了微分幾何方法，但是沒有具體闡述其解耦方面的應用。圖11模糊邏輯控制器CHAO-LIN KUO10設計一種用于磁懸浮球系統(tǒng)的新的模糊滑?？刂疲∟FSMC）。作者研究了磁球系統(tǒng)非線性動態(tài)模型，對比滑?？刂疲⊿MC）和傳統(tǒng)的模糊滑模控制（FSMC），設計了NFSMC，給出了Lyapunov穩(wěn)定性分析，經過仿真得出NFSMC可以提供最佳性能。圖12 NFSMC框圖Xiaodong Lu11提出了一種新的6D直接驅動技術的平臺，它有許多優(yōu)點：（1）

22、行程可以是幾米的數量級;（2）線圈的數量和平臺運動范圍呈線性增加關系;（3）軸與軸之間沒有無止盡的力的耦合;（4）簡化控制，力線性化更加優(yōu)越?，F代機器通常需要在多個自由度（DOF）。例如一個平面平臺（X-Y）產生同步的X和Y平移，生產在制造中最根本的機械元件中的一個。有三種基本方法設計機器：串口，并口，和直接驅動架構。而串口和并口都存在一些缺陷，最理想的是直接驅動架構，它只有一個移動臺，沒有任何中間運動元件，所有致動的力直接施加到可動元件，它的優(yōu)點包括改進的速度，精度和加速度。它的動子由四個磁體陣列和一個重量輕的鋁蜂窩框架組成，該定子是由一個石英復合硬化構件支撐的線圈組成。 圖13 6D直接驅

23、動電磁配置 圖14 6D平面運動平臺原型和傳統(tǒng)的運動平臺相比，采用6D直接驅動能夠改善平臺的性能，包括，消除摩擦，減少軸承導向錯誤，減少中間運動環(huán)節(jié)，作者所研究得新穎的長沖程6D直接驅動技術系統(tǒng)復雜度低，軸與軸之間沒有力的耦合，并且具有優(yōu)良的線性力，這種設計直接解決了限于短行程的或者較為復雜的大型系統(tǒng)多自由度驅動技術的一些問題。Zhipeng Zhang12提出了一種緊湊型六軸磁懸浮平臺，包括磁致動器，激光干涉儀，運動傳感器和運動控制器的設計和實施，平臺運動范圍是2×2×2mm，角度旋轉范圍是4°×4°×4°。新開發(fā)的六軸磁

24、懸浮平臺非常緊湊，重量為350克，它使用三個緊湊的兩軸線性致動器，6個功率放大器來懸浮移動的臺子，實現了高定位的穩(wěn)定性。它包括一個定子架和一個浮子，浮子包括一個六角形板，三個鋼環(huán)路（致動器的一部分），和6個后向反射器（干涉儀的一部分），具體結構如圖15。圖15 磁懸浮平臺的三維圖磁致動器：由于直流電磁鐵只能產生吸引力，所以對于直流電磁鐵需要的數目是增倍的，而該研究中新設計的執(zhí)行器能夠產生水平方向的力和垂直方向的力，故只需要三個就能獲得六軸運動驅動力，但是每個兩軸致動器需要兩個功率放大器，然而它的優(yōu)點是此兩軸致動器的設計極大地簡化了六軸致動的機械結構，有助于該平臺的緊湊性，使得后3個向后反射器以

25、及3個光學棱鏡可以作為六軸激光干涉儀系統(tǒng)的一部分，安裝在在六邊形板的下方。和使用直流電磁鐵作為致動器的一些平臺相比，該致動器擁有一個近乎均勻的磁場，因此可以產生幅度線性正比于所施加的電流的力，實現精確定位，大大簡化了控制器的設計。整個致動器的設計如圖16所示。圖16 致動器的設計結構電容傳感器和激光干涉儀：電容傳感器和激光干涉儀往往是用來測量位移，具有納米級分辨率。一個電容傳感器的范圍通常限制在微米級的分辨率。因為磁懸浮運動所需范圍大于2毫米，故采用一個由6個激光干涉儀組成的六軸測量系統(tǒng)。該測量系統(tǒng)包括一個激光源和6個浮子上帶有反干涉儀的干涉儀組成。測量系統(tǒng)如圖17所示。圖17六軸測量系統(tǒng)控制

26、器：采用PID控制器，為了抵制由光學表振動引起的低頻干擾和浮子的高頻率振動引起的干擾，應用了回路成形法來設計了控制器。參考文獻：1陳啟匯，李明群.平面型磁浮運動平臺的懸浮控制研究.2Wei Gao,Shuichi Dejima,Hiroaki Yanai,Kei Katakura,Satoshi Kiyono,Yoshiyuki Tomita.A surface motor-driven planar motion stage integrated with anXYZ surface encoder for precision positioningJ.Precision Engineeri

27、ng 28 (2004) 3293373周振雄,楊建東，曲永印.多自由度精密磁懸浮定位平臺的設計與研究J.China Academic Journal Electronic Publishing House.4Souad Rafa,Abdelkader Larabi,Linda Barazane,Malik Manceur,Najib Essounbouli, Abdelaziz Hamzaoui.Implementation of a new fuzzy vector control of induction motorJ.ISA Transactions 53 (2014) 744754.

28、5TIEJUN HU,Won-jong Kim.Design and Control of a 6-Degree-of-Freedom Levitated Positioner with High PrecisionJ.Mechanical Engineering 6Toshimasa Nishino ,Yasuhiro Fujitani ,Norihiko Kato, Naoaki Tsuda,Yoshihiko Nomura, Hirokazu Matsui.A control method to suppress the rotational oscillation of a magnetic levitating systemJ.Artif Life Robotics (2013) 17:4454517Won-jong Kim, Shobhit Ver