CN109962646A - 一种六自由度磁悬浮平面电机 - Google Patents
一种六自由度磁悬浮平面电机 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109962646A CN109962646A CN201910241961.4A CN201910241961A CN109962646A CN 109962646 A CN109962646 A CN 109962646A CN 201910241961 A CN201910241961 A CN 201910241961A CN 109962646 A CN109962646 A CN 109962646A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- freedom
- degree
- planar motor
- maglev planar
- pedestal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 44
- NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N novaluron Chemical compound C1=C(Cl)C(OC(F)(F)C(OC(F)(F)F)F)=CC=C1NC(=O)NC(=O)C1=C(F)C=CC=C1F NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 36
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 27
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 38
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 24
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 9
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 8
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 5
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000011068 loading method Methods 0.000 claims description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 230000006870 function Effects 0.000 description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 238000005339 levitation Methods 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 239000010426 asphalt Substances 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000012938 design process Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N iron(III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]=O JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 230000009347 mechanical transmission Effects 0.000 description 1
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000004577 thatch Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N15/00—Holding or levitation devices using magnetic attraction or repulsion, not otherwise provided for
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Linear Motors (AREA)
- Control Of Linear Motors (AREA)
Abstract
本发明属于磁悬浮平面电机技术领域，公开了一种六自由度磁悬浮平面电机，包括：磁悬浮运动执行器；磁悬浮运动执行器包括基座、电机动子、若干个运动执行单元，每个运动执行单元包括两相线圈、一维Halbach阵列；两相线圈粘接在基座上，一维Halbach阵列粘接在电机动子内。本发明解决了现有技术中无法由单一运动执行器获得六自由度精密运动的问题。本发明通过多个一维磁悬浮运动执行器的组合实现六自由度的运动。
Description
技术领域
本发明涉及磁悬浮平面电机技术领域，尤其涉及一种六自由度磁悬浮平面电机。
背景技术
在超精密加工与检测领域，例如半导体光刻、高精度贴片、精密光学透镜制造、高性能显微设备中，常常需要高精度定位工作台在较大运动区域内，提供精确可控的平动和转动。传统的定位工作台无法消除机械传动机构中的摩擦以及支撑件的限制，导致其定位分辨率、运动自由度和响应频率受到影响。磁悬浮技术的出现，为高精度定位装置的设计提供了一个新的设计思路。高精度磁悬浮定位系统的运动部件通过磁力悬浮，与固定部件不相互接触，这使系统具有零摩擦、无后坐力、隔振、清洁、结构紧凑的特点，并能够在空间中实现六自由度的运动。这些特性可以帮助磁悬浮定位平台提高运动分辨率，增加运动自由度，实现复杂的运动轨迹。
磁悬浮平面电机是一种能够在较大行程范围内实现精确定位的磁悬浮运动执行器。电机的运动次级和固定初级分别采用磁体阵列和线圈阵列。线圈通入电流后，能够为运动次级同时提供竖直浮力和水平推力。由于不采用额外的支撑、导向单元，磁悬浮平面电机在行程范围内能够同时实现平动和转动。然而，目前无法由单一运动执行器获得六自由度精密运动。此外，由于磁悬浮系统本身处于开环不稳定状态，需要对运动部件的位置与角度进行精确测量，用于磁悬浮平面电机的闭环运动控制。因此，在磁悬浮平面电机的设计过程中，需要采用相应的传感系统对运动平台的位置与姿态进行动态反馈，通过合理的控制算法求解合适的控制信号。
发明内容
本申请实施例通过提供一种六自由度磁悬浮平面电机，解决了现有技术中无法由单一运动执行器获得六自由度精密运动的问题。
本申请实施例提供一种六自由度磁悬浮平面电机，包括：磁悬浮运动执行器；所述磁悬浮运动执行器包括基座、电机动子、若干个运动执行单元，每个所述运动执行单元包括两相线圈、一维Halbach阵列；所述两相线圈粘接在所述基座上，所述一维Halbach阵列粘接在所述电机动子内。
优选的，所述基座上设置有线圈定位座，所述两相线圈粘接在所述线圈固定座上；所述电机动子设置有凹槽，所述一维Halbach阵列粘接在所述凹槽内。
优选的，所述基座上设置有第一定位孔，用于将所述基座安装到光学平台上；所述线圈定位座上设置有第二定位孔，用于将所述线圈定位座安装到所述基座上。
优选的，所述六自由度磁悬浮平面电机还包括：传感测量单元；多个所述传感测量单元分布在所述磁悬浮运动执行器的四周；
所述传感测量单元包括：涡流传感器、激光位移传感器；所述涡流传感器用于测量所述电机动子的竖直方向位置、俯仰角、翻滚角；所述激光位移传感器用于测量所述电机动子的水平方向位置、偏航角。
优选的，所述传感测量单元还包括：涡流传感器安装座、激光位移传感器安装座；
所述涡流传感器安装座用于调整所述涡流传感器的安装高度；所述激光位移传感器安装座用于调整所述激光位移传感器的安装高度。
优选的，所述基座上设置有第一螺纹孔，用于将所述涡流传感器安装座安装到所述基座上；所述激光位移传感器安装座上设置有第二螺纹孔、第三定位孔，所述第二螺纹孔用于将所述激光位移传感器安装到所述激光位移传感器安装座上，所述第三定位孔用于将所述激光位移传感器安装座安装到光学平台上。
优选的，所述六自由度磁悬浮平面电机还包括：控制单元；所述控制单元包括：数据采集卡、模拟量发生卡、功率放大器；
所述功率放大器用于驱动所述两相线圈，所述数据采集卡用于获取所述传感测量单元的输出信号，所述模拟量发生卡用于为所述功率放大器提供输入电压信号。
优选的，所述六自由度磁悬浮平面电机还包括：下位机；所述下位机包括：FPGA模块、实时内核；
所述FPGA模块用于驱动所述数据采集卡、所述模拟量发生卡，所述实时内核用于运行控制算法、计算获得所述电机动子的位置与姿态信息。
优选的，所述六自由度磁悬浮平面电机还包括：上位机；所述上位机通过网线与所述下位机连接，所述上位机用于加载所述FPGA模块的驱动程序、所述实时内核的控制算法。
优选的，所述上位机包括人机交互模块，所述人机交互模块用于监测显示六自由度磁悬浮平面电机的状态信息，输入控制信息。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在本申请实施例中，提供的六自由度磁悬浮平面电机包括基座、电机动子、若干个运动执行单元，每个运动执行单元包括两相线圈、一维Halbach阵列；两相线圈粘接在基座上，一维Halbach阵列粘接在电机动子内。即本发明提供的六自由度磁悬浮平面电机包含多个一维磁悬浮运动执行单元，每个运动执行单元包含一组两相线圈、一条Halbach阵列，在线圈中施加一定电流后，一维磁体阵列可以同时受到水平方向和竖直方向的推力和浮力。即通过多个一维磁悬浮运动执行器的组合，磁悬浮平面电机的动子可以实现六自由度的运动，并与外界始终保持非接触状态。
附图说明
为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种六自由度磁悬浮平面电机中磁悬浮运动执行器的爆炸视图；
图2为本发明实施例提供的一种六自由度磁悬浮平面电机中运动执行单元的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种六自由度磁悬浮平面电机中传感测量单元的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种六自由度磁悬浮平面电机的总体框图；
图5为本发明实施例提供的一种六自由度磁悬浮平面电机中带有电流环反馈的功率放大器的电路原理图；
图6为本发明实施例提供的一种六自由度磁悬浮平面电机的控制原理框图；
图7为本发明实施例提供的一种六自由度磁悬浮平面电机中上位机的程序运行流程图。
其中，1-基座、2-电机动子、3-线圈定位座、4-第一定位孔、5-第一螺纹孔、6-第二定位孔、7-凹槽、8-一维Halbach阵列、9-两相线圈；
11-光学平台、12-涡流传感器、13-涡流传感器安装座、14-激光位移传感器安装座、15-激光位移传感器、16-第二螺纹孔、17-第三定位孔；
18-数据采集卡、19-模拟量发生卡、20-功率放大器、21-FPGA模块、22-实时内核、23-下位机、24-上位机、25-网线；
26-功率放大器的输入电压、27-接线端口、28-采样电阻、29-运算放大器、30-功放芯片、31-第一电阻、32-第二电阻、33-第三电阻；
34-解耦单元、35-控制器。
具体实施方式
本发明提供一种六自由度磁悬浮平面电机，将电磁力用于平面电机动子的支撑与驱动，使用非接触式传感器用于平面电机动子的位置与姿态反馈，实现电机动子在空间中三个平移方向与三个旋转方向的高精度运动控制。
本发明提供的一种六自由度磁悬浮平面电机，主要涉及三部分，分别是：
(1)磁悬浮运动执行器：即磁悬浮平面电机本体，采用若干个一维磁悬浮直线驱动器(即运动执行单元)合成获得多自由度的运动效果，此外还包含分别用于安装线圈的基座和用于安装永磁铁的电机动子。
(2)硬件系统；其中包含用于获得磁悬浮平面电机动子位置与姿态的传感测量单元，用于驱动线圈的线性功放电路，相应的数据采集卡，用于数据采集卡时序驱动的FPGA模块，运行控制算法的下位机微控制器，和运行上位机程序的主机。
(3)软件设计部分；通过Labview Real-time软件设计FPGA驱动程序，下位机相关控制算法，以及上位机的人机交互界面。
本发明所述第一部分是磁悬浮平面电机的本体设计。磁悬浮平面电机本体作用是为运动物体提供不同方向平动和转动。本体可以包含多个一维磁悬浮运动执行单元。设计人员可根据载荷与运动范围的需求，增加或者减少运动执行单元数量。本设计中各运动执行单元包含一组两相跑道型线圈以及一条Halbach阵列，在线圈中施加一定电流后，一维磁体阵列可以同时受到水平方向和竖直方向的推力和浮力。通过多个一维磁悬浮运动执行器的组合，磁悬浮平面电机的动子可以实现六自由度的运动，并与外界始终保持非接触状态。
本发明所述第二部分是磁悬浮平面电机的硬件系统，所述硬件系统可以测量得到磁悬浮平面电机动子当前的位置和姿态，为系统稳定工作提供所需激励电流。动子的质心位置和姿态由六个非接触式传感器测量得到，对传感器输出数据进行相关的线性运算，可以获得动子位置与姿态数据。传感器输出信号为模拟电压量，可以通过数据采集卡采集至下位机处理器中。磁悬浮系统中的每一个线圈都由一个带有电流环的功率放大器驱动，功率放大器的输入电压与输出电流满足比例关系。该电压为系统的控制信号，由下位机控制器控制相应的数模发生器板卡获得。另外，下位机微处理器通过网线与上位机进行通信，使磁悬浮运行过程中的状态数据可以在上位机显示器上进行实时展示。
本发明所述第三部分是磁悬浮平面电机的软件系统，软件系统运行于LabviewRealtime的上位机中。其包含三块，第一、数据采集卡、模拟量发生卡的驱动程序设计，该程序将运行于FPGA模块中；第二、用于处理传感器输出信号，用于实现系统控制算法的实时控制程序，该程序运行于下位机微处理器中；第三、用于磁悬浮运行状态数据的监测、存储与显示的上位机程序，该部分包含人机交互界面，运行于上位机。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本实施例提供了一种六自由度磁悬浮平面电机，如图1、图2所示，包括：磁悬浮运动执行器；所述磁悬浮运动执行器包括基座1、电机动子2、若干个运动执行单元，每个所述运动执行单元包括两相线圈9、一维Halbach阵列8；所述两相线圈9粘接在所述基座1上，所述一维Halbach阵列8粘接在所述电机动子2内。
具体的，所述基座1上设置有线圈定位座3，所述两相线圈9粘接在所述线圈固定座3上；所述电机动子2设置有凹槽7，所述一维Halbach阵列8粘接在所述凹槽7内。
如图1、图3所示，所述基座1上设置有第一定位孔4，用于将所述基座1安装到光学平台11上；所述线圈定位座3上设置有第二定位孔6，用于将所述线圈定位座3安装到所述基座1上。
此外，如图3所示，所述六自由度磁悬浮平面电机还包括：传感测量单元；多个所述传感测量单元分布在所述磁悬浮运动执行器的四周。所述传感测量单元包括：涡流传感器12、激光位移传感器15；所述涡流传感器12用于测量所述电机动子2的竖直方向位置、俯仰角、翻滚角；所述激光位移传感器15用于测量所述电机动子2的水平方向位置、偏航角。
所述传感测量单元还包括：涡流传感器安装座13、激光位移传感器安装座14。所述涡流传感器安装座13用于调整所述涡流传感器12的安装高度；所述激光位移传感器安装座14用于调整所述激光位移传感器15的安装高度。
如图1、图3所示，所述基座1上设置有第一螺纹孔5，用于将所述涡流传感器安装座13安装到所述基座1上；所述激光位移传感器安装座14上设置有第二螺纹孔16、第三定位孔17，所述第二螺纹孔16用于将所述激光位移传感器15安装到所述激光位移传感器安装座14上，所述第三定位孔17用于将所述激光位移传感器15安装座安装到光学平台11上。
下面对本发明做进一步的说明。
首先，对磁悬浮平面电机的装配进行说明。
如图1所示，磁悬浮平面电机的中包含多个图2所示的直线运动执行单元。图2给出的运动执行单元包含一个一维Halbach阵列8和两相线圈9。四个直线运动执行器为图1中的磁悬浮平面电机动子2提供了所需的磁力和磁力矩。四个一维Halbach阵列8均通过环氧树脂胶粘黏在平面的电机动子2的凹槽7内，在基座1上安置有八个线圈定位座3，每个线圈定位座3上设置有三个第二定位孔6，用于确定各线圈定位座3在基座1上的位置。四组两相线圈9通过502胶水粘在线圈定位座3上。即两相线圈9先粘在线圈定位座3上，再通过线圈定位座3安装在基座1上。
为了获得磁悬浮平面电机中电机动子2的实时位置与姿态以完成闭环控制，需要在磁悬浮平面电机系统中配置相应的传感器。如图3所示，在磁悬浮平面电机实际工作过程中，传感测量单元和平面电机的基座1均安装在同一块光学平台11上。三个用于测量动子竖直方向位置与俯仰角、翻滚角的涡流传感器12通过螺丝固定在基座1的三个不同的位置。涡流传感器12可以通过一系列类似第一螺纹孔5的螺纹孔安装在基座1上。考虑到传感器测量范围有限，优选设计高度合适的涡流传感器安装座13来调整涡流传感器12的安装高度。用于测量动子水平方向和偏航角的激光位移传感器15通过若干个第二螺纹孔16安装在激光位移传感器安装座14上。三个激光位移传感器安装座14分布在基座1的四周。激光位移传感器安装座14的第三定位孔17与基座1的第一定位孔4规格一样，和光学平台11的安装孔规格相匹配。考虑到激光位移传感器15测量范围有限，优选根据其测量范围调整激光位移传感器安装座14在光学平台11上的位置以及第二螺纹孔16的位置。
其次，对磁悬浮平面电机硬件系统设计与装配进行说明。
图4给出了磁悬浮平面电机的总体结构框图，其中展示了本系统所需的硬件单元。数据采集卡18用于获得激光位移传感器15和电涡流传感器12输出的电压信号，模拟量发生卡19用于给功率放大器20提供所需的控制电压信号。数据采集卡18和模拟量发生卡19的驱动程序通过FPGA模块21实现，控制算法通过实时内核22实现。FPGA模块21和实时内核22构成系统下位机23，FPGA模块21的驱动程序与实时内核22的控制算法均在上位机24编程完成，通过网线25下载至下位机23完成相应的计算工作。此外，上位机24还可以设计相应的人机交互界面用于电机的运行状态监测、数据记录和操作指令输入。下位机23可以由不同的设备制造商提供，也有通过不同的计算平台组合得到，用于进行编程的开发环境也是多种多样的，本设计采用Labview Realtime进行上位机24、下位机23的程序编写。
硬件电路中，用于驱动两相线圈9的功率放大器20是重要的功能电路单元，其典型设计方案如图5所示。功率放大器的输入电压26与两相线圈9上的激励电流成比例关系，两相线圈9串接在接线端口27上。为了提高功放电路的控制精度，电路中引入了电流环反馈环节。电流环机构包含采样电阻28和运算放大器29。为了获得足够的输出功率同时保证系统的工作精度，功放芯片30需要满足输出功率、电流稳定度、带宽等相关指标。图5所示的功率放大器的输入电压信号由模拟量发生卡19提供，输入电压与输出电流满足下列关系，其中R为采样电阻阻值，Rf为反馈电阻，Rin为电流环输入电阻，I为线圈激励电流，Vin为输入电压信号。
I＝Vin/(R·Rf)·Rin
第一电阻31阻值应等于第二电阻32和第三电阻33阻值的并联，以平衡运算放大器29的静态电流。
接着，对下位机控制程序的功能设计进行说明。
下位机主要包含两部分，一部分为用于板卡时序管理的FPGA模块21，另一部分为用于运行控制算法的实时内核22。工控领域，很多设备制造商能够整合FPGA模块和实时内核作为下位机23用于实时控制。本设计中，FPGA模块21构建了实时内核22与数据采集卡18、模拟量发生卡19的通信渠道，FPGA模块21的采样速率为100kHz，实时内核22运行的控制算法采样周期为4kHz，FPGA模块21也会将采集的传感器信号进行中值滤波，以减小噪声的影响。
FPGA驱动程序通过图形化语言编写，主要完成板卡初始化、中值平均和数据传输。FPGA驱动代码通过Labview Realtime中集成的高级综合工具HLS生成二进制代码，可下载至FPGA模块中。
系统控制算法是保证系统稳定工作的基础，图6给出了其控制原理框图。解耦单元34用于完成各直线运动执行器中各相线圈的电流分配，即合理分配图5中功率放大器20的输出量。通过给各跑道型线圈提供适当的电流激励，磁悬浮平面电机动子2可以获得所需要的磁力。
控制器35是针对磁悬浮系统的闭环补偿环节。对于磁悬浮系统来说，其本身可以等效为一个二阶系统，采用经典的超前滞后补偿、PID补偿均可以获得理想的控制效果。
解耦单元34的基础是磁力模型，对于磁悬浮平面电机来说，若两相线圈9通入单位电流，当一维Halbach阵列8的水平或竖直位置发生变化，一维Halbach阵列8所受的磁力大小也将发生变化。一般来说，两相线圈9通入单位电流后，一维Halbach阵列8所受磁力可通过数学物理方程与洛伦茨积分计算得到。
对于本磁悬浮平面电机中八个相互独立的跑道型线圈(即两相线圈9)来说，存在一个随磁悬浮平面电机动子位置与姿态变化而变化的电流-动力传递矩阵Γ，该传递矩阵为8×6，通过下列表达式可以完成磁力的解耦。其中ωdesired为控制器35求解获得的所需磁力和磁力矩。
I＝ΓT·（Γ·ΓT）-1·ωdesired
除控制算法外，实时内核22中需要完成磁悬浮平面电机动子的位置与姿态计算。动子的位置与姿态可以表示为三个相互正交的平移量和三个相互正交的旋转量，该六个量与传感器的六个输出量满足线性方程组，因此，可以构建姿态解算矩阵以实现传感器输出数据与位移、旋转量间的线性映射。姿态解算矩阵中的元素由各传感器的安装位置决定。
最后，对上位机程序的工作流程进行说明。
上位机程序完成人机交互功能，可以将磁悬浮系统的运行效果进行直观的展示。图7展示了磁悬浮平面电机上位机的运行流程。在系统运行之前，磁悬浮平面电机动子置于线圈上方。程序初始化后首先计算电机动子的初始位置和姿态，磁悬浮平面电机动子将运行至指定位置并悬停。之后，用户可以根据实际需求，让电机动子完成指定动作，包括位移阶跃、轨迹跟踪、步进运行等。上位机可以设置各线圈的输出电流上限，若解算出来激励电流大于该门限，线圈输出电流将强制设为小于该阈值电流量。若用于输入关机指令后，各线圈的激励信号将强制清0。
上位机程序可以通过多种程序设计语言进行设计，本设计使用的是Labview图形化编程语言，可以借助开发环境自带的显示模块对系统的运行过程进行直观的展示。
综上，本发明提供的六自由度磁悬浮平面电机主要由电机本体、传感器系统、功率放大器、下位机控制器、包含采集和产生模拟信号的硬件板卡、以及上位机电脑组成。为了保证磁悬浮平面电机的稳定、精确运行，需要传感器系统实时获得磁悬浮平面电机动子的空间位置与姿态。传感器系统获得的测量数据将输入控制器，通过相应的控制算法、电流解耦方法，可以求得各线圈上所需的激励电流。控制信号加载在带电流环的功率放大器上，能够为励磁线圈提供稳定的励磁电流，以产生维持电机动子精密运动的磁力和磁力矩。硬件系统包含数据采集卡和模拟量发生卡，通过FPGA模块与用于实现控制算法的实时内核成数据交互。上位机设计有人机交互界面，能够实时显示磁悬浮平面电机动子的运动状态，并获取用户输入的控制指令。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种六自由度磁悬浮平面电机，其特征在于，包括：磁悬浮运动执行器；所述磁悬浮运动执行器包括基座、电机动子、若干个运动执行单元，每个所述运动执行单元包括两相线圈、一维Halbach阵列；所述两相线圈粘接在所述基座上，所述一维Halbach阵列粘接在所述电机动子内。
2.根据权利要求1所述的六自由度磁悬浮平面电机，其特征在于，所述基座上设置有线圈定位座，所述两相线圈粘接在所述线圈固定座上；所述电机动子设置有凹槽，所述一维Halbach阵列粘接在所述凹槽内。
3.根据权利要求1所述的六自由度磁悬浮平面电机，其特征在于，所述基座上设置有第一定位孔，用于将所述基座安装到光学平台上；所述线圈定位座上设置有第二定位孔，用于将所述线圈定位座安装到所述基座上。
4.根据权利要求1所述的六自由度磁悬浮平面电机，其特征在于，还包括：传感测量单元；多个所述传感测量单元分布在所述磁悬浮运动执行器的四周；
所述传感测量单元包括：涡流传感器、激光位移传感器；所述涡流传感器用于测量所述电机动子的竖直方向位置、俯仰角、翻滚角；所述激光位移传感器用于测量所述电机动子的水平方向位置、偏航角。
5.根据权利要求4所述的六自由度磁悬浮平面电机，其特征在于，所述传感测量单元还包括：涡流传感器安装座、激光位移传感器安装座；
所述涡流传感器安装座用于调整所述涡流传感器的安装高度；所述激光位移传感器安装座用于调整所述激光位移传感器的安装高度。
6.根据权利要求5所述的六自由度磁悬浮平面电机，其特征在于，所述基座上设置有第一螺纹孔，用于将所述涡流传感器安装座安装到所述基座上；所述激光位移传感器安装座上设置有第二螺纹孔、第三定位孔，所述第二螺纹孔用于将所述激光位移传感器安装到所述激光位移传感器安装座上，所述第三定位孔用于将所述激光位移传感器安装座安装到光学平台上。
7.根据权利要求4所述的六自由度磁悬浮平面电机，其特征在于，还包括：控制单元；所述控制单元包括：数据采集卡、模拟量发生卡、功率放大器；
所述功率放大器用于驱动所述两相线圈，所述数据采集卡用于获取所述传感测量单元的输出信号，所述模拟量发生卡用于为所述功率放大器提供输入电压信号。
8.根据权利要求7所述的六自由度磁悬浮平面电机，其特征在于，还包括：下位机；所述下位机包括：FPGA模块、实时内核；
所述FPGA模块用于驱动所述数据采集卡、所述模拟量发生卡，所述实时内核用于运行控制算法、计算获得所述电机动子的位置与姿态信息。
9.根据权利要求8所述的六自由度磁悬浮平面电机，其特征在于，还包括：上位机；所述上位机通过网线与所述下位机连接，所述上位机用于加载所述FPGA模块的驱动程序、所述实时内核的控制算法。
10.根据权利要求9所述的六自由度磁悬浮平面电机，其特征在于，所述上位机包括人机交互模块，所述人机交互模块用于监测显示六自由度磁悬浮平面电机的状态信息，输入控制信息。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910241961.4A CN109962646B (zh) | 2019-03-28 | 2019-03-28 | 一种六自由度磁悬浮平面电机 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910241961.4A CN109962646B (zh) | 2019-03-28 | 2019-03-28 | 一种六自由度磁悬浮平面电机 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109962646A true CN109962646A (zh) | 2019-07-02 |
| CN109962646B CN109962646B (zh) | 2020-06-23 |
Family
ID=67025056
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910241961.4A Expired - Fee Related CN109962646B (zh) | 2019-03-28 | 2019-03-28 | 一种六自由度磁悬浮平面电机 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109962646B (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110932602A (zh) * | 2019-12-20 | 2020-03-27 | 武汉大学 | 一种六自由度磁悬浮转台、控制系统及方法 |
| CN111934516A (zh) * | 2020-09-21 | 2020-11-13 | 深圳市深信创联智能科技有限责任公司 | 一种低损耗式长行程的磁浮平面电动机 |
| CN112311192A (zh) * | 2020-10-20 | 2021-02-02 | 江苏科技大学 | 一种基于磁悬浮平面电机的物流装置及其控制方法 |
| CN113340439A (zh) * | 2021-02-08 | 2021-09-03 | 北国之光(深圳)科技有限公司 | 一种用于照明灯的自动化测量设备及自动测量方法 |
| CN114370812A (zh) * | 2022-01-20 | 2022-04-19 | 哈尔滨工业大学 | 一种y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置及方法 |
| CN115694263A (zh) * | 2022-11-15 | 2023-02-03 | 哈尔滨工业大学 | 一种集成式模块化六自由度磁悬浮平面运动装置 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102013856A (zh) * | 2010-12-20 | 2011-04-13 | 北京航空航天大学 | 一种集成化、高可靠磁悬浮飞轮数字控制装置 |
| CN103226296A (zh) * | 2013-04-27 | 2013-07-31 | 清华大学 | 一种带激光干涉仪测量的粗精动叠层工作台 |
| CN103546067A (zh) * | 2013-09-25 | 2014-01-29 | 清华大学 | 一种大角度旋转的大行程磁浮运动平台 |
| CN107247821A (zh) * | 2017-05-06 | 2017-10-13 | 安徽工程大学 | 动圈式永磁平面电机无位置传感器平稳起浮和下降方法 |
| US20180367067A1 (en) * | 2017-06-19 | 2018-12-20 | Nikon Research Corporation Of America | Motor with force constant modeling and identification for flexible mode control |
-
2019
- 2019-03-28 CN CN201910241961.4A patent/CN109962646B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102013856A (zh) * | 2010-12-20 | 2011-04-13 | 北京航空航天大学 | 一种集成化、高可靠磁悬浮飞轮数字控制装置 |
| CN103226296A (zh) * | 2013-04-27 | 2013-07-31 | 清华大学 | 一种带激光干涉仪测量的粗精动叠层工作台 |
| CN103546067A (zh) * | 2013-09-25 | 2014-01-29 | 清华大学 | 一种大角度旋转的大行程磁浮运动平台 |
| CN107247821A (zh) * | 2017-05-06 | 2017-10-13 | 安徽工程大学 | 动圈式永磁平面电机无位置传感器平稳起浮和下降方法 |
| US20180367067A1 (en) * | 2017-06-19 | 2018-12-20 | Nikon Research Corporation Of America | Motor with force constant modeling and identification for flexible mode control |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110932602A (zh) * | 2019-12-20 | 2020-03-27 | 武汉大学 | 一种六自由度磁悬浮转台、控制系统及方法 |
| CN111934516A (zh) * | 2020-09-21 | 2020-11-13 | 深圳市深信创联智能科技有限责任公司 | 一种低损耗式长行程的磁浮平面电动机 |
| CN112311192A (zh) * | 2020-10-20 | 2021-02-02 | 江苏科技大学 | 一种基于磁悬浮平面电机的物流装置及其控制方法 |
| CN113340439A (zh) * | 2021-02-08 | 2021-09-03 | 北国之光(深圳)科技有限公司 | 一种用于照明灯的自动化测量设备及自动测量方法 |
| CN114370812A (zh) * | 2022-01-20 | 2022-04-19 | 哈尔滨工业大学 | 一种y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置及方法 |
| CN114370812B (zh) * | 2022-01-20 | 2022-09-16 | 哈尔滨工业大学 | 一种y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置及方法 |
| CN115694263A (zh) * | 2022-11-15 | 2023-02-03 | 哈尔滨工业大学 | 一种集成式模块化六自由度磁悬浮平面运动装置 |
| CN115694263B (zh) * | 2022-11-15 | 2023-10-24 | 哈尔滨工业大学 | 一种集成式模块化六自由度磁悬浮平面运动装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109962646B (zh) | 2020-06-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109962646A (zh) | 一种六自由度磁悬浮平面电机 | |
| Kim et al. | High-precision magnetic levitation stage for photolithography | |
| Shan et al. | Ultra precision motion control of a multiple degrees of freedom magnetic suspension stage | |
| Fang et al. | Attitude sensing and dynamic decoupling based on active magnetic bearing of MSDGCMG | |
| Estevez et al. | 6-DoF miniature maglev positioning stage for application in haptic micro-manipulation | |
| CN110471311A (zh) | 一种微纳卫星姿轨控半物理仿真综合实验平台 | |
| Zhu et al. | Flexure-based magnetically levitated dual-stage system for high-bandwidth positioning | |
| Taylor et al. | Precise manipulation with endpoint sensing | |
| Salem | Mechatronics design of ball and beam system: education and research | |
| Shamisa et al. | Robust fault-tolerant controller design for aerodynamic load simulator | |
| Kozlowski et al. | High precision automated astronomical mount | |
| Park et al. | Wafer distribution system for a clean room using a novel magnetic suspension technique | |
| Geraldes et al. | Predictive modeling through dynamic error budgeting applied to the High-Dynamic Double-Crystal Monochromator for Sirius light source | |
| Fulford et al. | Control of a 5DOF magnetically levitated positioning stage | |
| Jiang et al. | Kinematic accuracy improvement of a novel smart structure-based parallel kinematic machine | |
| CN104881554B (zh) | 适用于ic装备工件定位运动台的仿真系统及其建模方法 | |
| Shameli | Design, implementation and control of a magnetic levitation device | |
| Torralba et al. | Preliminary modelling and implementation of the 2D-control for a nanopositioning long range stage | |
| Gorbounov et al. | Laboratory model of a magnetic levitation system | |
| Xue et al. | A New Composite Control Strategy for an Astronaut Virtual Operation Training System Based on Cable-Driven Technology | |
| Torralba et al. | Development of the control strategy of a 2D nanopositioning long-range stage | |
| Berkelman et al. | Multiple magnet independent levitation and motion control using a single coil array | |
| Kim | Precision dynamics, stochastic modeling, and multivariable control of planar magnetic levitator | |
| Xie | Mechatronics examples for teaching modeling, dynamics, and control | |
| CN209166457U (zh) | 一种光电稳定平台通用测试平台 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20200623 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |