CN117792005B - 一种直线磁阻电机的高精度力测量装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种直线磁阻电机的高精度力测量装置及控制方法，属于高端装备技术领域。测量装置包括磁阻电机、音圈电机和运动平台，直线磁阻电机包括E型组件、I型组件和电机底座；运动平台包括运动平台底座、导套、导轨、台体及光栅尺；E型组件固定装在电机底座上，运动平台底座、导套和音圈电机定子均固定于运动平台底座上，导轨滑动穿出导套，导套设置在台体内，台体固定在导轨上；导轨两端分别与I型组件的I型电磁铁及音圈电机动子连接，I型电磁铁与E型组件的双极电磁铁之间设有磁铁间隙，光栅尺安装于导轨位于音圈电机这一端的底部。控制方法包含磁阻电机的磁通控制回路和音圈电机的位置控制回路。本发明能够实现直线磁阻电机的高精度力测量。
Description
技术领域
本发明属于高端装备技术领域，具体涉及一种直线磁阻电机的高精度力测量装置及控制方法。
背景技术
遵从半导体业界的摩尔定律，集成电路芯片的集成度以指数级的速度增长，这种指数趋势直接表现为对集成电路制造过程中所需高端装备精度需求的增加。随着半导体行业对产品质量以及加工效率需求的增加，对高端装备的速度、加速度以及定位精度提出了更高的要求。目前，音圈电机是超精密运动***中最常用的执行器，它具有质量轻、体积小、线性度好、带宽高等优点，是高端装备技术中超精密控制的最佳选择。但是在体积以及质量等条件的限制下，音圈电机已经达到其物理极限，无法满足高端装备的更高要求，因此一种新的执行器的研究具有重要意义。
为了替代音圈电机在高端装备中的应用，开发了直线磁阻电机。与音圈电机相比较，直线磁阻电机具有小体积、小电流、小间隙、大出力的特点，能够满足高端装备对速度、加速度的高要求。但是与音圈电机输出力和电流之间的线性关系相比，直线磁阻电机的出力具有复杂的非线性特性，包括直线磁阻电机的输出力与电流的平方成正比的非线性和输出力与位移平方成反比的位置依赖性，以及直线磁阻电机铁磁材料的磁滞非线性。而高端装备在高精度定位过程中，需要在小间隙的条件下，对直线磁阻电机的出力精度提出严格的要求，因此需要对直线磁阻电机的输出力进行精确的测量和控制。
目前对于电机输出力一般采用力传感器进行测量，力传感器是根据牛顿运动定律的原理测量被测物体所受力的大小，但是力传感器只能够测量物体所受的总力，不能够单独测量电机的输出力，这导致利用力传感器测量的方式不能够准确测量直线磁阻电机的输出力，必须要通过其他可以测量的信号来测量或估计直线磁阻电机的输出力。
公开号为CN116718967A、公开日为2023年9月8日、名称为“一种磁铁磁力测量装置以及方法”的发明专利申请，提供了一种磁铁磁力测量装置以及方法，属于磁力测试技术领域。该装置可以测量磁铁在很小间距时的磁力大小，并且通过更换不同厚度的垫片可以测量连续间距的磁体间磁力大小。该发明专利申请测量磁力的装置及方法，属于利用力传感器进行接触式测量，实际测量结果为合力，且测量周期较长，不适合运用于高精度定位***之中。
公开号为CN115524045A、公开日为2022年12月27日、名称为“一种基于线圈模块的电磁力测量装置及其测量方法”的发明专利申请，采用了多个三维力传感器，通过最小二乘法对传感器进行标定，借助标定好的多个三维力传感器进行电磁力测量。该发明专利申请针对电动悬浮***测量其电磁力，属于特殊场景的应用，不适用于测量直线磁阻电机的高精度力测量。
发明内容
本发明的目的一在于提供一种直线磁阻电机的高精度力测量装置，为解决现有磁力测量装置难以测量磁铁在小间隙下的磁力、采用接触式测量导致应用范围局限、磁力随时间变化时难以测量或测量精度不高、采用力传感器测量精度难以提高的问题。本发明的直线磁阻电机的高精度力测量装置，不采用力传感器，利用非接触测量和间接测量的方法，对直线磁阻电机在不同微小间隙下产生的磁力进行精确的动态力测量。
本发明的目的二在于提供一种直线磁阻电机的高精度力测量装置的控制方法，为解决测量装置在测量时磁铁间隙难以固定且间隙稳定时间慢的问题。本发明的直线磁阻电机的高精度力测量装置的控制方法，能够精确控制直线磁阻电机输出力，通过利用音圈电机抵消直线磁阻电机的输出力的方式，实现直线磁阻电机磁铁间隙的精确、快速控制。
本发明的一种直线磁阻电机的高精度力测量装置，由直线磁阻电机和音圈电机联合控制高精度的运动平台。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种直线磁阻电机的高精度力测量装置，包括直线磁阻电机、音圈电机以及运动平台；直线磁阻电机包括E型组件、I型组件和电机底座；音圈电机包括音圈电机定子和音圈电机动子；运动平台包括运动平台底座、导套、导轨、台体及光栅尺；E型组件作为直线磁阻电机的定子，E型组件固定装在电机底座上，运动平台底座、导套和音圈电机定子均固定于运动平台底座上，导轨滑动穿出导套，导套设置在台体内，台体固定在导轨上，台体随导轨沿X轴方向运动；导轨一端与I型组件的I型电磁铁相连接，导轨另一端与音圈电机动子相连接，所述I型电磁铁与E型组件的双极电磁铁相对设置且二者之间设有磁铁间隙，光栅尺安装于导轨位于音圈电机这一端的底部，音圈电机动子沿着X轴方向与音圈电机定子滑动连接。
进一步的是，E型组件包括初级线圈、感应线圈、双极电磁铁及E型组件外壳；E型组件外壳固定在电机底座上，E型组件外壳一侧壁上设有通口一，双极电磁铁安装在E型组件外壳内，感应线圈缠绕在双极电磁铁的中间齿的四周侧面上，初级线圈缠绕在感应线圈的四周侧面上并与感应线圈同心，初级线圈、感应线圈以及双极电磁铁一侧端面设置在通口一处。
进一步的是，I型组件作为直线磁阻电机的动子，I型组件包括I型电磁铁及I型组件外壳；I型组件外壳的一侧壁上设有通口二，I型电磁铁固定在I型组件外壳内，且I型电磁铁一端设置在通口二处。
进一步的是，台体为U形，且台体内外顶面均为平面，台体两端均设有水平外沿，台体的两个外沿与导轨上端面固定连接。
一种直线磁阻电机的高精度力测量装置的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
步骤一：对音圈电机的位置控制回路的控制；
将光栅尺的参考位置信号Xd作为位置反馈变量，位置控制器CX会跟踪期望的参考位置信号Xd将音圈电机作为位置反馈执行器向导轨施加力；
步骤二：对直线磁阻电机的磁通控制回路的控制；
将直线磁阻电机的感应电压UR通过积分计算得到输出磁通B，并将得到的输出磁通B作为磁通反馈变量，直线磁阻电机的磁通控制器CB会跟踪期望的参考磁通信号Bd实现直线磁阻电机的磁通控制；
步骤三：对直线磁阻电机的磁通反馈力控制；其具体步骤为：
步骤三一：根据麦克斯韦方程组，推出直线磁阻电机的理论输出力F的表达式：其中A为磁铁间隙有效面积，B为直线磁阻电机1的输出磁通，g为磁铁间隙；由上述表达式推出直线磁阻电机的输出磁通B的表达式/>
步骤三二：将直线磁阻电机的输出力参考信号Fd和磁铁间隙g作为输入，得出直线磁阻电机的参考磁通信号Bd，即将Bd作为磁通控制回路的输入信号；
步骤三三：将直线磁阻电机的输出磁通B和磁铁间隙g作为输入信号，得出直线磁阻电机的实际输出力FR，即FR作用于导轨上，直线磁阻电机的实际输出力FR和音圈电机的输出力Fvc同时作用于导轨上；
步骤三四：直线磁阻电机的磁通控制回路和音圈电机的位置控制回路之间，将直线磁阻电机的输出力参考信号Fd作为力前馈信号，与音圈电机的出力系数的倒数1/Kmvc相乘后，得到音圈电机控制器的前馈电流IFF，IFF与IX相加得到音圈电机的电流Ivc，IX为位置控制器的控制量，以此来用音圈电机抵消直线磁阻电机对导轨施加的力。
进一步的是，步骤二中，将直线磁阻电机的感应电压UR通过积分计算得到输出磁通B具体为：
采集直线磁阻电机的感应线圈的感应电压UR，根据公式B＝-KR∫URdt，通过积分得到直线磁阻电机的输出磁通B，KR为常数。
本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明的一种直线磁阻电机的高精度力测量装置，能够实现运动平台的单自由度运动，实现主动调节直线磁阻电机磁铁间隙，提高磁力测量的效率，利用非接触测量和间接测量，将音圈电机充当为直线磁阻电机的力传感器，消除了力传感器的局限性，并可以实现直线磁阻电机输出力的动态测量。本发明的一种直线磁阻电机的高精度力测量装置的控制方法，通过音圈电机的位置控制和直线磁阻电机的磁通控制，实现间隙的精确控制。
综上，本发明的一种直线磁阻电机的高精度力测量装置及控制方法，能够精确测量和控制直线磁阻电机的出力。本发明用于超精密运动***中。
附图说明
图1是本发明提供的一种直线磁阻电机的高精度力测量装置的结构示意图；
图2是本发明提供的一种直线磁阻电机的高精度力测量装置的直线磁阻电机结构示意图；
图3是本发明提供的一种直线磁阻电机的高精度力测量装置的直线磁阻电机E型组件结构示意图；
图4是本发明提供的一种直线磁阻电机的高精度力测量装置的直线磁阻电机I型组件结构示意图；
图5是本发明提供的一种直线磁阻电机的高精度力测量装置的音圈电机结构示意图；
图6是本发明提供的一种直线磁阻电机的高精度力测量装置的运动平台结构示意图；
图7是本发明的直线磁阻电机的控制方法的框图。
图中：1-直线磁阻电机；1-1-E型组件；1-1-1-初级线圈；1-1-2-感应线圈；1-1-3-E型电磁铁；1-1-4-E型组件外壳；1-2-I型组件；1-2-1-I型电磁铁；1-2-2-I型组件外壳；1-3-直线磁阻电机底座；2-音圈电机；2-1-音圈电机定子；2-2-音圈电机动子；3-运动平台；3-1-运动平台底座；3-2-导套；3-3-导轨；3-4-台体；3-5-光栅尺。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1-图6所示，本实施方式提供了一种直线磁阻电机的高精度力测量装置，是一种由直线磁阻电机1和音圈电机2联合控制的高精度运动平台，所述高精度力测量装置包括直线磁阻电机1、音圈电机2以及运动平台3；直线磁阻电机1包括E型组件1-1、I型组件1-2和电机底座1-3；音圈电机2包括音圈电机定子2-1和音圈电机动子2-2；运动平台3包括运动平台底座3-1、导套3-2、导轨3-3、台体3-4及光栅尺3-5；
E型组件1-1作为直线磁阻电机1的定子，E型组件1-1固定装在电机底座1-3上，运动平台底座3-1(用于运动平台3位置的固定)、导套3-2和音圈电机定子2-1均固定于运动平台底座3-1上，导轨3-3滑动穿出导套3-2，导套3-2设置在台体3-4内，台体3-4固定在导轨3-3上，台体3-4随导轨3-3沿X轴方向运动(约束运动平台3五个自由度，以实现运动平台3沿着X轴单自由度上的直线运动)；导轨3-3一端与I型组件1-2的I型电磁铁1-2-1相连接，导轨3-3另一端与音圈电机动子2-2相连接，所述I型电磁铁1-2-1与E型组件1-1的双极电磁铁1-1-3相对设置且二者之间设有磁铁间隙，光栅尺3-5安装于导轨3-3位于音圈电机2这一端的底部(光栅尺3-5配合直线磁阻电机1和音圈电机2用于运动平台3的精准定位)，音圈电机动子2-2沿着X轴方向与音圈电机定子2-1滑动连接(音圈电机定子2-1为T形，音圈电机定子2-1下端与运动平台底座3-1上端固定连接，音圈电机动子2-2的两端侧壁沿X轴方向对应设有滑槽，滑槽与音圈电机定子2-1的水平方向的两端滑动连接)。
进一步的是，E型组件1-1包括初级线圈1-1-1、感应线圈1-1-2、双极电磁铁1-1-3及E型组件外壳1-1-4；E型组件外壳1-1-4固定在电机底座1-3上，E型组件外壳1-1-4一侧壁上设有通口一，双极电磁铁1-1-3安装在E型组件外壳1-1-4内，感应线圈1-1-2缠绕在双极电磁铁1-1-3的中间齿的四周侧面上，初级线圈1-1-1缠绕在感应线圈1-1-2的四周侧面上并与感应线圈1-1-2同心，初级线圈1-1-1、感应线圈1-1-2以及双极电磁铁1-1-3一侧端面设置在通口一处。
通过控制音圈电机2的输入电流大小，实现对音圈电机2输出力的调节；通过控制直线磁阻电机1的初级线圈1-1-1的输入电流大小，实现对直线磁阻电机1的输出力的调节。
进一步的是，I型组件1-2作为直线磁阻电机1的动子，I型组件1-2包括I型电磁铁1-2-1及I型组件外壳1-2-2；I型组件外壳1-2-2的一侧壁上设有通口二，I型电磁铁1-2-1固定在I型组件外壳1-2-2内，且I型电磁铁1-2-1一端设置在通口二处(直线磁阻电机1工作时，直线磁阻电机1的定子固定不动，直线磁阻电机1的动子沿着X轴方向运动)。
进一步的是，台体3-4为U形，且台体3-4内外顶面均为平面，台体3-4两端均设有水平外沿，台体3-4的两个外沿与导轨3-3上端面固定连接。
通过调节音圈电机2的输出力，配合光栅尺3-5读取的位置信息，实现导轨3-3在单自由度方向的运动以及定位，即实现直线磁阻电机1磁铁间隙大小的调节以及固定。
测量时，直线磁阻电机1通入电流，音圈电机2用于固定直线磁阻电机1的磁铁间隙大小，音圈电机2的输出力与直线磁阻电机1的输出力相等时，磁铁间隙固定。根据公式Fvc＝KvcIvc，其中Fvc为音圈电机2的输出力，Ivc为音圈电机2的电流，Kvc为常数(其取值与音圈电机的材料和尺寸相关)，通过测量磁铁间隙固定时音圈电机2的电流控制量，可以计算得出音圈电机2的输出力大小。
具体实施方式二：如图1-图7所示，本实施方式提供了一种直线磁阻电机的高精度力测量装置的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
步骤一：对音圈电机2的位置控制回路的控制；
将光栅尺3-5的参考位置信号Xd作为位置反馈变量，位置控制器CX会跟踪期望的参考位置信号Xd将音圈电机2作为位置反馈执行器向导轨3-3施加力；
步骤二：对直线磁阻电机1的磁通控制回路的控制；
将直线磁阻电机1的感应电压UR通过积分计算得到输出磁通B，并将得到的输出磁通B作为磁通反馈变量，直线磁阻电机1的磁通控制器CB会跟踪期望的参考磁通信号Bd实现直线磁阻电机1的磁通控制；将直线磁阻电机1的感应电压UR通过积分计算得到输出磁通B具体为：
采集直线磁阻电机1的感应线圈1-1-2的感应电压UR，根据公式B＝-KR∫URdt，通过积分得到直线磁阻电机1的输出磁通B，KR为常数(其取值与感应线圈匝数和中间齿的横截面积相关)；
步骤三：对直线磁阻电机1的磁通反馈力控制；其具体步骤为：
步骤三一：根据麦克斯韦方程组，推出直线磁阻电机1的理论输出力F的表达式：其中A为磁铁间隙有效面积，B为直线磁阻电机1的输出磁通，g为磁铁间隙；由上述表达式推出直线磁阻电机1的输出磁通B的表达式/>
步骤三二：将直线磁阻电机1的输出力参考信号Fd和磁铁间隙g作为输入，得出直线磁阻电机1的参考磁通信号Bd，即将Bd作为磁通控制回路的输入信号；
步骤三三：将直线磁阻电机1的输出磁通B和磁铁间隙g作为输入信号，得出直线磁阻电机1的实际输出力FR，即FR作用于导轨3-3上，直线磁阻电机1的实际输出力FR和音圈电机2的输出力Fvc同时作用于导轨3-3上；
步骤三四：直线磁阻电机1的磁通控制回路和音圈电机2的位置控制回路之间，将直线磁阻电机1的输出力参考信号Fd作为力前馈信号，与音圈电机2的出力系数的倒数1/Kmvc相乘后，得到音圈电机控制器的前馈电流IFF，IFF与IX相加得到音圈电机2的电流Ivc，IX为位置控制器的控制量，以此来用音圈电机2抵消直线磁阻电机1对导轨3-3施加的力(实现利用音圈电机2抵消直线磁阻电机1的输出力，提高磁铁间隙的控制精度)。
通过控制音圈电机2的输入电流大小，实现对音圈电机2输出力的调节；通过控制直线磁阻电机1的初级线圈1-1-1的输入电流大小，实现对直线磁阻电机1输出力的调节。
利用本发明的高精度力测量装置实现直线磁阻电机的高精度力测量方法的步骤是：
第一步：利用音圈电机2对运动平台3进行定位，确定直线磁阻电机1的磁铁间隙g，固定磁铁间隙g后音圈电机控制量为零，即输出力为零；
通过调节音圈电机2的输出力，配合光栅尺3-5读取的位置信息，实现导轨3-3在单自由度方向的运动以及定位，实现直线磁阻电机1磁铁间隙大小的调节以及固定。
第二步：直线磁阻电机1通电，音圈电机2用于控制磁铁间隙g固定，此时音圈电机2的输出力与直线磁阻电机1的输出力等大反向，通过测量音圈电机2的控制量得出音圈电机2的输出力，进而得出直线磁阻电机1的输出力，实现直线磁阻电机1的高精度力测量。
具体为：直线磁阻电机1通入电流，音圈电机2用于固定直线磁阻电机1的磁铁间隙g大小，音圈电机2的输出力与直线磁阻电机1的输出力相等时，磁铁间隙固定。根据公式Fvc＝KIvc，其中Fvc为音圈电机2的输出力，Ivc为音圈电机的电流，K为常数，通过测量磁铁间隙固定时音圈电机2的电流控制量，可以计算得出音圈电机2的输出力大小，将音圈电机2充当为直线磁阻电机1输出力的力传感器，实现直线磁阻电机1的高精度力测量。
具体实施方式三：如图1-图7所示，本实施方式提供了一种直线磁阻电机的高精度力测量装置的控制方法，所述控制方法包括对音圈电机2的位置控制回路的控制方法和对直线磁阻电机1的磁通控制回路的控制方法。
图7中，虚线方框内为音圈电机2的位置控制回路，其中Xd为参考位置，CX为音圈电机2的位置控制器，IX为位置控制器的控制量，Ivc为音圈电机2的电流，Gvc为音圈电机2，Fvc为音圈电机2的输出力，G为导轨3-3，X为光栅尺3-5读取的实际位置，将磁铁间隙g为零时的位置作为初始位置，则X代表磁铁间隙g的大小。
点划线方框内为直线磁阻电机1的磁通控制回路，其中Bd为参考磁通信号，CB为直线磁阻电机1的磁通控制器，IR为直线磁阻电机1的输入电流，GR为直线磁阻电机1，UR为直线磁阻电机1的感应线圈1-1-2的感应电压，1/s为积分器，B为直线磁阻电机1的输出磁通。
在磁通控制回路和位置控制回路之间，Fd为直线磁阻电机1的输出力参考信号，1/Kmvc为音圈电机2的出力系数的倒数，IFF为音圈电机2的前馈电流，Bd(Fd，g)和FR(B,g)均为直线磁阻电机输出力、输出磁通和磁铁间隙之间的关系式，FR为直线磁阻电机1的实际输出力。
步骤一：对音圈电机2的位置控制回路的控制；
音圈电机2的位置控制器Cx选择PID控制器，输入信号为导轨3-3的参考位置Xd，位置控制器CX控制音圈电机2的电流Ivc，通过控制音圈电机2的电流控制音圈电机2的输出力Fvc，Fvc施加在导轨3-3上，将光栅尺3-5的信号，即导轨3-3的实际位置X作为位置反馈变量，音圈电机2的位置控制回路，使导轨3-3的位置控制精度达到nm级。
步骤二：对直线磁阻电机1的磁通控制回路的控制；
直线磁阻电机1的磁通控制器CB选择PI控制器，输入信号为参考磁通信号Bd，磁通控制器CB控制直线磁阻电机1的输入电流IR，采集直线磁阻电机1的感应线圈1-1-2的感应电压UR，通过积分器1/s积分得到直线磁阻电机1的输出磁通B，将输出磁通B作为磁通反馈变量，实现直线磁阻电机1的磁通控制。
步骤三：对直线磁阻电机1的磁通反馈力控制；
根据麦克斯韦方程组，可以推出直线磁阻电机1的理论输出力F的表达式：其中A为磁铁间隙有效面积，B为直线磁阻电机1的输出磁通，g为磁铁间隙；由上述表达式推出直线磁阻电机1的输出磁通B的表达式/>
将直线磁阻电机的输出力参考信号Fd和磁铁间隙g作为输入，得出直线磁阻电机1的参考磁通信号Bd，即将Bd作为磁通控制回路的输入信号。
将直线磁阻电机1的输出磁通B和磁铁间隙g作为输入信号，得出直线磁阻电机1的实际输出力FR，即FR作用于导轨3-3上，直线磁阻电机1的实际输出力FR和音圈电机2输出力Fvc同时作用于导轨上。
在位置控制回路与磁通控制回路之间，将直线磁阻电机1的输出力参考信号Fd作为力前馈信号，与音圈电机2的出力系数的倒数1/Kmvc相乘后得到音圈电机2的前馈电流IFF，IFF与IX相加得到音圈电机2的电流Ivc，实现利用音圈电机2抵消直线磁阻电机1的输出力，提高磁铁间隙的控制精度。
以上仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围，并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种直线磁阻电机的高精度力测量装置，其特征在于：包括直线磁阻电机(1)、音圈电机(2)以及运动平台(3)；直线磁阻电机(1)包括E型组件(1-1)、I型组件(1-2)和电机底座(1-3)；音圈电机(2)包括音圈电机定子(2-1)和音圈电机动子(2-2)；运动平台(3)包括运动平台底座(3-1)、导套(3-2)、导轨(3-3)、台体(3-4)及光栅尺(3-5)；E型组件(1-1)包括初级线圈(1-1-1)、感应线圈(1-1-2)、双极电磁铁(1-1-3)及E型组件外壳(1-1-4)；I型组件(1-2)作为直线磁阻电机(1)的动子，I型组件(1-2)包括I型电磁铁(1-2-1)及I型组件外壳(1-2-2)；
E型组件(1-1)作为直线磁阻电机(1)的定子，E型组件(1-1)固定装在电机底座(1-3)上，运动平台底座(3-1)、导套(3-2)和音圈电机定子(2-1)均固定于运动平台底座(3-1)上，导轨(3-3)滑动穿出导套(3-2)，导套(3-2)设置在台体(3-4)内，台体(3-4)固定在导轨(3-3)上，台体(3-4)随导轨(3-3)沿X轴方向运动；导轨(3-3)一端与I型电磁铁(1-2-1)相连接，导轨(3-3)另一端与音圈电机动子(2-2)相连接，所述I型电磁铁(1-2-1)与双极电磁铁(1-1-3)相对设置且二者之间设有磁铁间隙，光栅尺(3-5)安装于导轨(3-3)位于音圈电机(2)这一端的底部，音圈电机动子(2-2)沿着X轴方向与音圈电机定子(2-1)滑动连接；
E型组件外壳(1-1-4)固定在电机底座(1-3)上，E型组件外壳(1-1-4)一侧壁上设有通口一，双极电磁铁(1-1-3)安装在E型组件外壳(1-1-4)内，感应线圈(1-1-2)缠绕在双极电磁铁(1-1-3)的中间齿的四周侧面上，初级线圈(1-1-1)缠绕在感应线圈(1-1-2)的四周侧面上并与感应线圈(1-1-2)同心，初级线圈(1-1-1)、感应线圈(1-1-2)以及双极电磁铁(1-1-3)一侧端面设置在通口一处；
I型组件外壳(1-2-2)的一侧壁上设有通口二，I型电磁铁(1-2-1)固定在I型组件外壳(1-2-2)内，且I型电磁铁(1-2-1)一端设置在通口二处。
2.根据权利要求1所述的一种直线磁阻电机的高精度力测量装置，其特征在于：台体(3-4)为U形，且台体(3-4)内外顶面均为平面，台体(3-4)两端均设有水平外沿，台体(3-4)的两个外沿与导轨(3-3)上端面固定连接。
3.一种权利要求1-2中任一权利要求所述的高精度力测量装置的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括以下步骤：
步骤一：对音圈电机(2)的位置控制回路的控制；
将光栅尺(3-5)的参考位置信号Xd作为位置反馈变量，位置控制器CX会跟踪期望的参考位置信号Xd将音圈电机(2)作为位置反馈执行器向导轨(3-3)施加力；
步骤二：对直线磁阻电机(1)的磁通控制回路的控制；
将直线磁阻电机(1)的感应电压UR通过积分计算得到输出磁通B，并将得到的输出磁通B作为磁通反馈变量，直线磁阻电机(1)的磁通控制器CB会跟踪期望的参考磁通信号Bd实现直线磁阻电机(1)的磁通控制；
步骤三：对直线磁阻电机(1)的磁通反馈力控制；其具体步骤为：
步骤三一：根据麦克斯韦方程组，推出直线磁阻电机(1)的理论输出力F的表达式：其中A为磁铁间隙有效面积，B为直线磁阻电机(1)的输出磁通，g为磁铁间隙；由上述表达式推出直线磁阻电机(1)的输出磁通B的表达式/>
步骤三二：将直线磁阻电机(1)的输出力参考信号Fd和磁铁间隙g作为输入，得出直线磁阻电机(1)的参考磁通信号Bd，即将Bd作为磁通控制回路的输入信号；
步骤三三：将直线磁阻电机(1)的输出磁通B和磁铁间隙g作为输入信号，得出直线磁阻电机(1)的实际输出力FR，即FR作用于导轨(3-3)上，直线磁阻电机(1)的实际输出力FR和音圈电机(2)的输出力Fvc同时作用于导轨(3-3)上；
步骤三四：直线磁阻电机(1)的磁通控制回路和音圈电机(2)的位置控制回路之间，将直线磁阻电机(1)的输出力参考信号Fd作为力前馈信号，与音圈电机(2)的出力系数的倒数1/Kmvc相乘后，得到音圈电机控制器的前馈电流IFF，IFF与IX相加得到音圈电机(2)的电流Ivc，IX为位置控制器的控制量，以此来用音圈电机(2)抵消直线磁阻电机(1)对导轨(3-3)施加的力。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：步骤二中，将直线磁阻电机(1)的感应电压UR通过积分计算得到输出磁通B具体为：
采集直线磁阻电机(1)的感应线圈(1-1-2)的感应电压UR，根据公式B＝-KR∫URdt，通过积分得到直线磁阻电机(1)的输出磁通B，KR为常数。
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06311771A (ja) * | 1993-04-20 | 1994-11-04 | Olympus Optical Co Ltd | ボイスコイルモータの制御装置 |
| CN101078889A (zh) * | 2007-06-29 | 2007-11-28 | 清华大学 | 一种6自由度微动工作台 |
| NL2004847A (en) * | 2009-06-30 | 2011-01-04 | Asml Holding Nv | Method for controlling the position of a movable object, a control system for controlling a positioning device, and a lithographic apparatus. |
| CN106026609A (zh) * | 2016-05-13 | 2016-10-12 | 中南大学 | 一种音圈电机 |
| CN107885036A (zh) * | 2016-09-29 | 2018-04-06 | 上海微电子装备（集团）股份有限公司 | 运动台驱动装置 |
| CN108279551A (zh) * | 2017-01-05 | 2018-07-13 | 复旦大学 | 光刻机运动平台及其微运动平台和控制方法 |
| CN115208124A (zh) * | 2022-09-16 | 2022-10-18 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种集成主动阻尼的精密运动平台及其控制架构 |
| CN218102857U (zh) * | 2022-09-16 | 2022-12-20 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种阻尼可调的驱动导向一体化精密运动平台 |
-
2023
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Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06311771A (ja) * | 1993-04-20 | 1994-11-04 | Olympus Optical Co Ltd | ボイスコイルモータの制御装置 |
| CN101078889A (zh) * | 2007-06-29 | 2007-11-28 | 清华大学 | 一种6自由度微动工作台 |
| NL2004847A (en) * | 2009-06-30 | 2011-01-04 | Asml Holding Nv | Method for controlling the position of a movable object, a control system for controlling a positioning device, and a lithographic apparatus. |
| CN106026609A (zh) * | 2016-05-13 | 2016-10-12 | 中南大学 | 一种音圈电机 |
| CN107885036A (zh) * | 2016-09-29 | 2018-04-06 | 上海微电子装备（集团）股份有限公司 | 运动台驱动装置 |
| CN108279551A (zh) * | 2017-01-05 | 2018-07-13 | 复旦大学 | 光刻机运动平台及其微运动平台和控制方法 |
| CN115208124A (zh) * | 2022-09-16 | 2022-10-18 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种集成主动阻尼的精密运动平台及其控制架构 |
| CN218102857U (zh) * | 2022-09-16 | 2022-12-20 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种阻尼可调的驱动导向一体化精密运动平台 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于EI磁阻电机和直线音圈电机的混合控制;谢松 等;仪器仪表用户;20170608;第24卷(第06期);第44页-第47页 * |
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