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基于扰动观测器的超精密宏微驱动定位技术研究

作　者: 蓝晨阳
导　师: 谭久彬
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 宏微双重驱动系统扰动观测器电流过采样 MT测速法
分类号: TN405
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着超精密加工设备与极大规模集成电路制造技术的飞速发展,对定位系统的定位精度、运动速度和加速度的要求也不断提高。传统的驱动方式难以同时满足大行程和高精度定位,宏微双重驱动方式能够有效地解决这个矛盾。宏微同时运动是宏微双重驱动方式中一种高效的控制策略,能够实现连续精密跟踪定位,但是控制相对复杂,对宏动台和微动台的动态特性要求高,特别是高加速情况下,宏微之间存在的作用力严重影响了宏动与微动的定位精度。在宏微双重驱动做连续阶跃运动时,宏微的相对位移极有可能导致微动大于行程范围,影响微动稳定性。为了抑制这种反作用力扰动,本课题在宏动伺服驱动系统中采用扰动观测器与PI控制器相结合的方式,提高宏动的动态特性和抗扰动能力,以降低宏微之间的反作用力扰动对系统的影响。本文在深入分析扰动观测器的基本原理和实现形式的基础上,指出扰动观测器设计的两个要点是Q滤波器和扰动量采集。Q滤波器可以滤除采样误差,还能抵消重构模型的相位超前,其设计综合考虑了扰动观测器的稳定性和抗干扰能力;电流和速度采样后得到扰动等效量,本课题设计并实现了电流过采样与MT测速法,提高电流与速度采集精度,从而提高扰动观测器观测扰动的能力和三闭环系统的定位精度。本课题基于Matlab/Simulink对宏微双重驱动系统中的扰动观测器进行了仿真,并在宏微双重驱动平台上进行实验。实验结果是直线电机的定位噪声降低了0.3μm,作用力扰动对直线电机产生的抖动减少了1.1μm。可见,在宏动直线电机驱动系统中引入扰动观测器能够提高系统定位精度和抗干扰能力,对提高宏微双重驱动系统的动态特性具有重要意义。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-17
  1.1 课题研究的背景及意义  9-10
  1.2 高速高精度定位系统的研究现状  10-15
    1.2.1 大行程高精度定位平台的研究现状  10-12
    1.2.2 宏微双重驱动系统定位控制技术研究现状  12-14
    1.2.3 扰动观测器的研究现状  14-15
  1.3 本文主要研究内容  15-17
第2章宏微双重驱动系统  17-35
  2.1 宏动直线电机驱动系统  17-30
    2.1.1 直线电机工作原理  17-18
    2.1.2 直线电机矢量控制系统  18-28
    2.1.3 直线电机驱动系统软硬件设计  28-30
  2.2 微动音圈电机驱动系统  30-32
    2.2.1 音圈电机数学模型  30-31
    2.2.2 音圈电机伺服控制原理  31-32
  2.3 宏微双重驱动系统模型  32
  2.4 扰动仿真  32-34
  2.5 本章小结  34-35
第3章扰动观测器的原理与设计  35-43
  3.1 基本思想  36
  3.2 结构原理  36-38
  3.3 扰动观测器的实现  38-40
    3.3.1 面向电流的扰动观测器  38-39
    3.3.2 面向速度的扰动观测器  39-40
  3.4 扰动观测器Q滤波器的设计  40
  3.5 扰动观测器的仿真  40-42
  3.6 本章小结  42-43
第4章扰动观测器的电流与速度检测  43-52
  4.1 电流检测  43-47
    4.1.1 电流检测电路设计  43-44
    4.1.2 基于FPGA的FIR滤波器实现  44-47
  4.2 速度检测  47-51
    4.2.1 光栅信号处理电路  47-48
    4.2.2 测速方法  48-51
  4.3 本章小结  51-52
第5章实验与数据分析  52-63
  5.1 系统实验台的建立  52-55
    5.1.1 宏微定位工作台  52-53
    5.1.2 宏动台单元的选择  53-54
    5.1.3 微动台单元的选择  54-55
  5.2 电流过采样实验  55-57
  5.3 MT法速度检测实验  57-59
  5.4 扰动观测器实验  59-61
  5.5 直线电机定位噪声对比实验  61-62
  5.6 本章小结  62-63
结论  63-65
参考文献  65-70
致谢  70

基于扰动观测器的超精密宏微驱动定位技术研究

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