多級繞組高動態(tài)納米級定位音圈電機系統(tǒng)的基礎研究

音圈電機具有結(jié)構(gòu)簡單、近零推力波動、高動態(tài)響應及高可靠性等優(yōu)點，與壓電陶瓷、超磁致伸縮等短行程、高精度的執(zhí)行器相比，具有非接觸傳動和長行程的特點，廣泛應用在超精密定位伺服系統(tǒng)中。 首先，針對推力密度高、推力波動低的需求提出了一種Halbach陣列、串并聯(lián)磁路結(jié)合的次級結(jié)構(gòu)，具有超薄冷卻結(jié)構(gòu)的音圈電機。Halbach陣列及串、并聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)有效地減小了電機軛板厚度，提高了直流直線電機的推力密度；采用增添冷卻結(jié)構(gòu)的方式可提高無鐵心電機繞組電流，進一步提高電機推力密度，并且可有效抑制電機溫升，從而實現(xiàn)電機與外界環(huán)境無熱交換。 基于音圈電機電磁邊界簡單的特點，采用鏡像法與等效磁荷法結(jié)合的方式建立起音圈電機的氣隙磁場的三維數(shù)學模型。在磁場模型中，通過等效磁路法搭建起電機導磁材料的飽和系數(shù)模型，有效地提高了該類電機磁場模型的精度，為電機精確推力計算奠定理論基礎。目前，上述研究成果已經(jīng)應用在典型超精密伺服系統(tǒng)（光刻機）樣機中。 首次提出了推力系數(shù)剛度這一概念描述推力系數(shù)隨電機初級、次級相對位置變化時的衰減規(guī)律，從而作為評價該類電機性能優(yōu)劣的標準。首次提出了反接串聯(lián)感應電動勢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)，并推導了阻尼系數(shù)的數(shù)學模型。通過實驗證明了上述模型的準確性。打破了視電機為同一剛體的模型束縛，揭示了音圈電機機械結(jié)構(gòu)振蕩引發(fā)的推力波動的產(chǎn)生機理，并建立電機初級的多剛體多自由度動力學模型。在以上電機推力及擾動力的分析及數(shù)學模型指導下，建立了高精度的音圈電機動力學模型，為其控制系統(tǒng)的前饋補償模型奠定了理論基礎，通過系統(tǒng)仿真證明了前饋補償方法的可行性。提出了一種雙繞組拓撲結(jié)構(gòu)的推力波動抑制方案。 搭建音圈電機熱網(wǎng)絡法數(shù)學模型，并成功預測了電機初級側(cè)表面的高溫區(qū)，提出了增加導熱支路方法降低音圈電機初級的側(cè)表面溫度，通過溫度場仿真及冷卻實驗驗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，滿足電機高推力密度的需求，同時突破了超精定位系統(tǒng)中電機近零散熱的技術瓶頸。 以音圈電機的電磁模型、散熱功率模型及尺寸參數(shù)化模型為基礎，采用遺傳算法構(gòu)建該電機多目標優(yōu)化函數(shù)，以電機行程、表面溫升和外形尺寸等為約束條件，對音圈電機進行多物理場綜合設計、優(yōu)化研究。該方法實現(xiàn)了電磁性能、冷卻性能及外形尺寸的兼顧設計，解決了音圈電機的多物理場耦合、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，音圈電機作為納米執(zhí)行器的優(yōu)勢凸顯出來。微納操作系統(tǒng)中，不僅要求所使用音圈電機定位到達納米級精度，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理論體系的完善、分析、設計和制造技術提出了更高的要求，本項目的申請旨在探索跨尺度音圈電機電磁場的分布與演化，損耗、傳熱、溫度的精確調(diào)控，電機機構(gòu)構(gòu)型及其動力學等非線性因素與定位精度、調(diào)速的內(nèi)在聯(lián)系。在推導音圈電機納米級連續(xù)氣隙磁場的數(shù)學模型的基礎上，分析熱效應、柔性多體機構(gòu)引起推力波動和系統(tǒng)運動變化的機理，最終，建立起更為接近真實系統(tǒng)的跨尺度、納米級定位音圈電機的數(shù)學模型和分析方法。提出了一種多級繞組定子結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電機大推力、高推力分辨率特性共存的音圈電機系統(tǒng)解決方案。

在定位運動中，音圈電機根據(jù)偏轉(zhuǎn)角計算位置誤差進行定位補償，其運動方式屬于高精度點對點定位運動控制（Point-to-point positioning control），其運動控制目標：音圈電機實現(xiàn)點對點精確定位，只關注響應時間以及目標位置的定位精度，其運動伺服控制系統(tǒng)應具有快速響應、無超調(diào)量和魯棒性強等特點，通?？焖夙憫蜔o超調(diào)量是一對相互制約的指標。

為了解決快速性和超調(diào)量的矛盾，有學者首先提出復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)的響應速度，而非線性部分使電機在臨近目標點時逐漸加大系統(tǒng)阻尼來抑制超調(diào)量的產(chǎn)生。有學者將復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，不能滿足時變參考跟蹤控制，為此，輔助信號發(fā)生器被引入到CNF中，解決時變輸入跟蹤控制。針對多變量飽和線性系統(tǒng)時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。

針對復合非線性反饋控制對參數(shù)擾動和負載擾動自適應差的問題，模型自適應補償算法加入到該算法中，有效提高系統(tǒng)魯棒性 。2100433B

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

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

（2)盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機的結(jié)構(gòu)約束體現(xiàn)在軸向厚度主要取決于磁鋼厚度，電機徑向高度取決于所需最大力矩。通過電機空載等效磁路的分析可以發(fā)現(xiàn):盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機音圈電機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，在設計盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機時需綜合考慮這些因素。

(3)盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機中的結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機的性能具有較大的影響。定子扼厚度增加一倍時，氣隙磁密幅值增大9.9 %，電機扼部磁密下降22.3%，同時電機定子扼重量增加一倍。當盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機隔磁寬度增加一倍時，氣隙磁密幅值增大4.1 %，氣隙磁密平均值變化不大，電機扼部磁密下降3.6%，同時電機旋轉(zhuǎn)方向上寬度增加。這些為此類電機的設計提供大的方向，具體參數(shù)的選擇必須根據(jù)具體應用場合選擇。

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

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

1)軸向尺寸較大，相當于兩個單元電機并列，個別時候給部件裝配帶來不便。

2)中間有一個磁扼需要套在動子中，不但使定子部件、動子部件互相約束，而且側(cè)而的支撐底座使得動子只能有限轉(zhuǎn)角運動，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，往往需要音圈電機動子隨著系統(tǒng)軸系做360度旋轉(zhuǎn)，這時候普通結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)式音圈電機就不能滿足要求了。

一個盤式繞組旋轉(zhuǎn)式音圈電機的結(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計，所以電機是單層結(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，左右兩個側(cè)而不需要鐵磁性材料支撐，所以動子部件可以360度自由旋轉(zhuǎn)，滿足特殊設備需要。