电磁驱动微运动课件.ppt

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1、关于电磁驱动微运动现在学习的是第1页，共29页什么是电磁驱动？电磁驱动式微动台是靠电磁力直接驱动的，通过控制线圈中电流的大小来控电磁驱动式微动台是靠电磁力直接驱动的，通过控制线圈中电流的大小来控制电磁力的大小，从而带动工作台产生相应的精密微位移。由于电磁微动台是电制电磁力的大小，从而带动工作台产生相应的精密微位移。由于电磁微动台是电磁驱动单元和并联机构相融合的产物，通过控制电磁驱动元件，可实现微动台的磁驱动单元和并联机构相融合的产物，通过控制电磁驱动元件，可实现微动台的精密运动。由于磁力的非接触性，可以达到很高的精度。精密运动。由于磁力的非接触性，可以达到很高的精度。当在通电螺线管内部插入铁芯

2、后，铁芯被通电螺线管的磁场磁化。磁化后的当在通电螺线管内部插入铁芯后，铁芯被通电螺线管的磁场磁化。磁化后的铁芯也变成了一个磁体，这样由于两个磁场互相叠加，从而使螺线管的磁性铁芯也变成了一个磁体，这样由于两个磁场互相叠加，从而使螺线管的磁性大大增强。为了使电磁铁的磁性更强，通常将铁芯制成蹄形。但要注意蹄形大大增强。为了使电磁铁的磁性更强，通常将铁芯制成蹄形。但要注意蹄形铁芯上线圈的绕向相反，一边顺时针，另一边必须逆时针。如果绕向相同，铁芯上线圈的绕向相反，一边顺时针，另一边必须逆时针。如果绕向相同，两线圈对铁芯的磁化作用将相互抵消，使铁芯不显磁性。另外，电磁铁的铁两线圈对铁芯的磁化作用将相互抵消

3、，使铁芯不显磁性。另外，电磁铁的铁芯用软铁制做，而不能用钢制做。否则钢一旦被磁化后，将长期保持磁性而芯用软铁制做，而不能用钢制做。否则钢一旦被磁化后，将长期保持磁性而不能退磁，则其磁性的强弱就不能用电流的大小来控制，而失去电磁铁应有不能退磁，则其磁性的强弱就不能用电流的大小来控制，而失去电磁铁应有的优点。的优点。现在学习的是第2页，共29页 目前电磁驱动工作台按其工作维数可以分为如下：目前电磁驱动工作台按其工作维数可以分为如下：一一维电磁微驱动装置：当中目前主要是利用基于洛仑兹力的音维电磁微驱动装置：当中目前主要是利用基于洛仑兹力的音圈电机作为微动驱动器。音圈电机的行程为毫米级，闭环控圈电机作

4、为微动驱动器。音圈电机的行程为毫米级，闭环控制精度可以达到纳米级，非常适于小行程超精密运动驱动。制精度可以达到纳米级，非常适于小行程超精密运动驱动。二维电磁微驱动装置：主要是靠电磁驱动单元的组合驱动，二维电磁微驱动装置：主要是靠电磁驱动单元的组合驱动，平面支撑主要靠气浮或磁浮实现。类似于平面电机，但与平平面支撑主要靠气浮或磁浮实现。类似于平面电机，但与平面电机有着本质的不同之处是，不存在明显的齿槽效应，该面电机有着本质的不同之处是，不存在明显的齿槽效应，该类型机构主要应用于芯片光刻机、类型机构主要应用于芯片光刻机、光纤对接装置和精密光学光纤对接装置和精密光学仪器中。仪器中。三维电磁微驱动装置：

5、与二维机构的工作原理类似，三维电磁微驱动装置：与二维机构的工作原理类似，其多自由度的运动是靠多个驱动单元共同作用完成，该机构其多自由度的运动是靠多个驱动单元共同作用完成，该机构在半导体加工、显微镜扫描、微装配和快速成型等领域有着在半导体加工、显微镜扫描、微装配和快速成型等领域有着重要的应用。重要的应用。现在学习的是第3页，共29页电磁驱动应用实例圆形电磁驱动台圆形电磁驱动台现在学习的是第4页，共29页磨床圆形强力电磁吸盘工磨床圆形强力电磁吸盘工作台作台现在学习的是第5页，共29页新型电磁驱动器新型电磁驱动器现在学习的是第6页，共29页电感传感器的信号采集电路和基于AD698的电感传感器信号调理

6、电路电磁微运动的实现方法现在学习的是第7页，共29页电磁铁通电使铁芯磁化，吸引运动机构移动。运动机电磁铁通电使铁芯磁化，吸引运动机构移动。运动机构的移动（运动范围构的移动（运动范围0-5mm）改变了电感传感器的空气间隙从而改变电感值。电感值的变化会在信号处理电路上用输出电压表现出来。测得的电压变化量接入A/DA/D转换片，转换后得到的数字量送入单片机处转换片，转换后得到的数字量送入单片机处理并显示结果。这样就可以把电磁驱动铁芯的实际位移理并显示结果。这样就可以把电磁驱动铁芯的实际位移测量出来，将所要得到的位移与实际需要量进行比较后测量出来，将所要得到的位移与实际需要量进行比较后送送 PIDPI

7、D控制部分根据得到的电压信号来判断实际位移量是否符合预想值并进行调节，精度为1 1微米。最微米。最后控制电磁铁的来对实际位移量来调节后控制电磁铁的来对实际位移量来调节现在学习的是第8页，共29页电磁铁的引力公式为电磁铁的引力公式为电磁铁的引力公式为电磁铁的引力公式为 式中式中B B为电磁场磁通密度为电磁场磁通密度 为导磁率为导磁率 S S为磁极截面面积为磁极截面面积 电磁铁引力：电磁铁引力：线圈电流与磁通密度关系为线圈电流与磁通密度关系为 N N为线圈的匝数为线圈的匝数 为磁路长度为磁路长度 oo磁性材料导磁率磁性材料导磁率 空气导磁率空气导磁率 D D为空气隙长度为空气隙长度 I I为电流强

8、度为电流强度现在学习的是第9页，共29页由于由于 则则则则改变电流后空气隙长度发生变化，衔铁改变电流后空气隙长度发生变化，衔铁发生移动从而实现了微位移运动发生移动从而实现了微位移运动现在学习的是第10页，共29页磁致伸缩式微位移机构磁致伸缩式微位移机构磁致伸缩式微位移机构磁致伸缩式微位移机构 它的工作原理如图它的工作原理如图它的工作原理如图它的工作原理如图1111所示。微动台用片簧支撑，在微动所示。微动台用片簧支撑，在微动所示。微动台用片簧支撑，在微动所示。微动台用片簧支撑，在微动台的端部固定强磁体，它与磁致伸缩棒之间有一定的间隙，台的端部固定强磁体，它与磁致伸缩棒之间有一定的间隙，台的端部固

9、定强磁体，它与磁致伸缩棒之间有一定的间隙，台的端部固定强磁体，它与磁致伸缩棒之间有一定的间隙，通过改变线圈中的电流强度，改变对工作台的吸引力，从通过改变线圈中的电流强度，改变对工作台的吸引力，从通过改变线圈中的电流强度，改变对工作台的吸引力，从通过改变线圈中的电流强度，改变对工作台的吸引力，从而达到微位移的目的。其精度可达亚微米。而达到微位移的目的。其精度可达亚微米。而达到微位移的目的。其精度可达亚微米。而达到微位移的目的。其精度可达亚微米。该机构具该机构具该机构具该机构具有结构简单紧凑、重复精度高、无间隙、刚性好、传动惯有结构简单紧凑、重复精度高、无间隙、刚性好、传动惯有结构简单紧凑、重复精

10、度高、无间隙、刚性好、传动惯有结构简单紧凑、重复精度高、无间隙、刚性好、传动惯量小、工作稳定性好等优点量小、工作稳定性好等优点量小、工作稳定性好等优点量小、工作稳定性好等优点;但在磁场作用下伴有发热，但在磁场作用下伴有发热，但在磁场作用下伴有发热，但在磁场作用下伴有发热，故微动精度不高。它适用于精确位移调整、切削刀具的磨故微动精度不高。它适用于精确位移调整、切削刀具的磨故微动精度不高。它适用于精确位移调整、切削刀具的磨故微动精度不高。它适用于精确位移调整、切削刀具的磨损补偿、温度变形补偿及自动调节系统等损补偿、温度变形补偿及自动调节系统等损补偿、温度变形补偿及自动调节系统等损补偿、温度变形补偿

11、及自动调节系统等现在学习的是第11页，共29页现在学习的是第12页，共29页运动范围由公式由公式 工作台被磁铁吸引而移动的距离正比于（工作台被磁铁吸引而移动的距离正比于（NINI）的）的平方，当电流逐渐增大时气隙平方，当电流逐渐增大时气隙d d就越来越小，磁通量增大吸就越来越小，磁通量增大吸引力也显著增大。当达到某一临界值时，工作台就会突然引力也显著增大。当达到某一临界值时，工作台就会突然与电磁铁发生碰撞，此临界值可由课本式（与电磁铁发生碰撞，此临界值可由课本式（5-145-14）导出：）导出：现在学习的是第13页，共29页dd初始空气隙长度。初始空气隙长度。当 时，发生碰撞，则由上式得出由上

12、式得出现在学习的是第14页，共29页即当工作台移动达到初始间隙的1/31/3时，被吸向时，被吸向磁极。为此在设计时，应考虑到工作台运动到初磁极。为此在设计时，应考虑到工作台运动到初始间隙的始间隙的1/31/3时，在磁通路中磁通量达到饱和，即可以避免相撞。在磁饱和条件下，公式 不再适用现在学习的是第15页，共29页在上述条件下磁路阻力比气隙阻力大的多，自然，磁阻在上述条件下磁路阻力比气隙阻力大的多，自然，磁阻 不能忽略。随磁饱和产生，磁阻不能忽略。随磁饱和产生，磁阻 增大，工作台移动增大，工作台移动量减小若将开始磁饱和时的磁通量的大小定为量减小若将开始磁饱和时的磁通量的大小定为 由公式由公式 和

13、公式和公式 得出，当产得出，当产生磁饱和时，整个磁性物质的长度等于气隙长度生磁饱和时，整个磁性物质的长度等于气隙长度 ，B和NINI几乎成线性关系，定为范围可以扩大。磁芯环路几乎成线性关系，定为范围可以扩大。磁芯环路的形状设计成锥形，增大的形状设计成锥形，增大dSdS的同时，磁通量也增大，这的同时，磁通量也增大，这样样B B和NINI的关系就是线性关系。的关系就是线性关系。现在学习的是第16页，共29页图5-29所示，为一利用磁泄漏装置，当电流-磁力增大，磁极吸引工作台，使其间隙变小，则磁极磁阻减小，结果磁通量增大，使磁饱和磁性盘里的磁通量饱和，其磁阻和通过磁化极的磁泄露增大。结果，无论电流增

14、大多少，只有通过磁性的磁泄漏增加，而吸引工作台的磁通量不会增加多少，从而使力学特性得到调节，避免发生碰撞。现在学习的是第17页，共29页现在学习的是第18页，共29页运动精度 由于电磁驱动台的驱动是以磁场为介质的，因此磁场的分析和设计是电磁微动台整体结构设计的由于电磁驱动台的驱动是以磁场为介质的，因此磁场的分析和设计是电磁微动台整体结构设计的前提。尽管前提。尽管 目前学者已经对磁场分析、电磁力计算等重要问题进行了相关研究，目前学者已经对磁场分析、电磁力计算等重要问题进行了相关研究，但是还未形成一但是还未形成一套完整的电磁微动台磁场分析套完整的电磁微动台磁场分析 和设计的理论。特别是对边端效应、

15、局部饱和和设计的理论。特别是对边端效应、局部饱和 、推力波动等影响定、推力波动等影响定位性能的重要因素，以及如何实现长行程、大推力和高响应等问题都值得深入研究。位性能的重要因素，以及如何实现长行程、大推力和高响应等问题都值得深入研究。微动台的结微动台的结构是电磁驱动单元和位置检测单元安装的主体，是微动台稳定工作的基础。现有的电磁微动台在构是电磁驱动单元和位置检测单元安装的主体，是微动台稳定工作的基础。现有的电磁微动台在 设计上虽然也以质量轻、结构紧凑、工艺性好和便于控制等为设计准则，设计上虽然也以质量轻、结构紧凑、工艺性好和便于控制等为设计准则，但在如何保证质心驱动、但在如何保证质心驱动、散热

16、和减少磁力耦合等方面考虑不够，因此鉴于上述方面设计更加合理和散热和减少磁力耦合等方面考虑不够，因此鉴于上述方面设计更加合理和 新颖的结构是提高工作新颖的结构是提高工作台性能的重要途径之一。台性能的重要途径之一。电磁式微动台除了本身结构之外，其定位精度和响应速度，主要是靠电磁式微动台除了本身结构之外，其定位精度和响应速度，主要是靠控制系统来完成的。现今的电磁力的控制系统大多基于电流控制模式，在这种控制模式中忽略了控制系统来完成的。现今的电磁力的控制系统大多基于电流控制模式，在这种控制模式中忽略了线圈电感对电流变化的抑制作用，若线圈中电流的变化过于剧烈时，系统中实际电流与参考电流线圈电感对电流变化

17、的抑制作用，若线圈中电流的变化过于剧烈时，系统中实际电流与参考电流之间将出现较大误差，影响定位精度之间将出现较大误差，影响定位精度 。因此，为获得高性能的电磁力控制系统，必须从电磁力的。因此，为获得高性能的电磁力控制系统，必须从电磁力的电压方程出发建立更能准确体现微动台电磁特性的数学模型，以设计电磁微动台的控制系统。除电压方程出发建立更能准确体现微动台电磁特性的数学模型，以设计电磁微动台的控制系统。除此之外，可充分借鉴其他的控制原理和方法，如矢量控制理论、推力脉动抑制方法等此之外，可充分借鉴其他的控制原理和方法，如矢量控制理论、推力脉动抑制方法等现在学习的是第19页，共29页精度，稳定速度和气

18、隙的关系当不考虑饱和特性时，随精度和定位范围的确定，则合适的稳定速度和气隙长度也确定了。当公式可得到的移动距离的变化量和电流变化量之比为现在学习的是第20页，共29页当电流变化速度为 (A为常数），精度为K时，则现在学习的是第21页，共29页将 带入上式，得现在学习的是第22页，共29页电流变化速度I/A和气隙d变化量之间的关系如图5-30。在1um10mm之间，精度K为0.0um10um。为提高精度，应采取较高的电流变化精度。现在学习的是第23页，共29页参考文献1 1微型泵与电磁驱动微型泵与电磁驱动http:/10.11.248.20:8000/rewriter/SD/http/vvv9r

19、bhdmbdchqdbs9bnl/science/article/pii/S02621762http:/10.11.248.20:8000/rewriter/SD/http/vvv9rbhdmbdchqdbs9bnl/science/article/pii/S0262176204004110040041102 2在设计电磁驱动器操作条件下的高振动在设计电磁驱动器操作条件下的高振动http:/ 3电磁驱动系统的机器鱼电磁驱动系统的机器鱼http:/ 4研究对于电磁场成微波干燥设备研究对于电磁场成微波干燥设备http:/ 5电磁波的影响和热场的干燥过程的草药在微波场和热空气电磁波的影响和热场的干燥过程的草药在微波场和热空气http:/ 6电磁污染和我们的健康电磁污染和我们的健康http:/ 7高频电磁场归纳高频电磁场归纳Lipocalin 2Lipocalin 2表达表达http:/ 8分析研究的配方电磁波散射行为对圆柱形状的介电材料分析研究的配方电磁波散射行为对圆柱形状的介电材料http:/ 电磁驱动微运动的测量与控制方法电磁驱动微运动的测量与控制方法http:/