基于Prandtl−Ishlinskii模型的麦克斯韦磁阻驱动器率相关磁滞特性建模与分析

为克服麦克斯韦磁阻驱动器材料内部磁场强度与磁感应强度之间强烈的磁滞非线性以及大气隙下漏磁增加等因素引发的驱动器控制电压与输出位移之间的磁滞特性,提出一种率相关改进型Prandtl−Ishlinskii(P−I)模型对磁阻驱动器的磁滞特性进行建模.分析磁阻驱动器结构及其磁路和磁力模型,同时搭建基于柔性机构的磁阻驱动微定位平台试验系统,验证磁滞模型.为克服驱动器磁滞非线性,优化改进传统P−I模型,使其具有描述非对称率相关磁滞特性的能力,并利用粒子群算法完成参数辨识.通过对比试验验证所建模型对于磁阻驱动器磁滞非线性的描述能力.结果表明,不同频率输入信号下率相关P−I模型输出与实际输出之间的均方根误差均小于0.0049 mm,仅为整体行程的0.245%,证明了该模型的有效性和高精度.

超精密大行程麦克斯韦磁阻驱动器磁场建模与推力分析

为了克服大行程麦克斯韦磁阻驱动器在大气隙下漏磁大幅增加、气隙区磁场分布不均匀且非线性强烈等现象导致的磁场和推力解析模型精度较低等问题,利用考虑综合高斯函数的加权漏磁系数的磁路建模方法,改进了磁阻驱动器的三维漏磁分布计算方式,并得到了可准确描述其推力与输入电流函数关系的解析模型,从而为该类驱动器的设计及控制提供重要依据。首先,建立了大行程麦克斯韦磁阻驱动器考虑漏磁前后的工作磁路,分析了永磁偏置磁路的作用及使用永磁偏置结构后仍具有非线性的原因,并利用安培环路定律和磁路的欧姆定律以及磁场的可叠加性,建立了该磁阻驱动器的推力解析模型。然后,为了优化解析模型,提出了基于高斯曲线的加权漏磁系数计算方法,同时利用有限元仿真软件对大行程麦克斯韦磁阻驱动器的三维磁场分布及漏磁系数进行了分析计算,得到了考虑加权漏磁系数的推力解析模型。最后,搭建了大行程麦克斯韦磁阻驱动器推力测试系统,并通过对比优化前后解析模型计算推力与仿真推力和实测推力,验证了解析模型的准确性。结果表明,优化后解析模型的均方根误差仅为优化前的11.1%,其精度得到有效提升;同时,优化后解析模型计算推力与实测推力之间的均方根误差小于0.6 N,精度较高。研究结果对高端微纳制造装备与测量仪器中新型超精密驱动部件的设计有一定意义和参考价值。

大行程磁阻驱动微定位平台及其轨迹跟踪控制

麦克斯韦磁阻驱动器克服了传统压电陶瓷驱动器行程小及音圈电机推力密度和效率低等难题,在大行程高速微纳米定位中具有极大的应用潜力。设计了一种基于麦克斯韦磁阻驱动的大行程二自由度柔顺微定位平台,并对其进行了高性能轨迹跟踪控制。该定位平台由2个永磁偏置的麦克斯韦磁阻驱动器和二自由度并联解耦柔性导向机构组成,平台利用磁阻驱动器的非线性负刚度来部分补偿柔性导向机构的弹性恢复力,有效提高了运动行程和能量传递效率,使其在±2 mm行程范围内的所需推力从±120 N减少至±24 N。轨迹跟踪控制方面,为补磁阻驱动器偿驱动器软磁材料冲磁带来的磁滞非线性,利用逆Prandtl-Ishlinskii磁滞模型构建了率相关磁滞补偿控制器并将其置于前馈回路中。为解决平台低阻尼谐振及动力学模型不一致等问题,设计了含分数阶相位超前环节的PI反馈控制器以完成对系统开环频率特性的灵活调整,实现了对平台的高精度轨迹跟踪控制,有效减小了系统的跟踪误差。对2 mm幅值、1 Hz和10 Hz频率的三角波信号进行轨迹跟踪所得到的均方根误差分别为0.013 mm和0.017 mm。

磁阻驱动微定位台复合前馈控制与教学应用

为了克服麦克斯韦驱动柔顺微定位平台在大行程范围内存在的低阻尼谐振和动力学特性差异等问题,利用相位超前校正PI反馈控制+动力学前馈控制的复合闭环控制方法对其进行了高精度控制。首先,搭建了麦克斯韦驱动微定位平台,并针对不同工作点位进行了动力学模型辨识。然后,为提高系统相对稳定性,设计了含相位超前校正环节的PI反馈控制器。同时,利用辨识获得的动力学逆模型进行前馈补偿来进一步消除谐振的影响。最后,利用所提出的控制方法进行了跟踪实验并与其他方法进行了对比。实验结果表明:相比于PID控制,该控制器的表现更好,能够较好地满足大行程微纳米定位跟踪精度高、速度快、抗干扰能力强的要求。此外,所设计的定位平台也可以应用于控制理论相关课程实验,能够较好地解决控制类课程实验平台短缺等问题。