[發明專利]一種磁阻作動器電磁力建模與運動控制方法

有效

• 申請號: 201710332681.5
• 申請日: 2017-05-12
• 公開（公告）號: CN107422638B
• 公開（公告）日: 2019-05-31
• 發明（設計）人: 曾理湛;胡蘭雄;陳學東;趙鵬程;陳冬郎
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青;李智

本發明屬于非線性遲滯系統建模與控制相關技術領域，其公開了一種磁阻作動器電磁力建模與運動控制方法，該方法包括以下步驟：(1)建立磁阻作動器的初代正逆遲滯解析數學模型；(2)采用修形函數對所述初代正逆遲滯解析數學模型進行優化，以得到正逆遲滯解析數學模型；(3)根據安培定律建立磁路計算公式，并結合正逆遲滯解析數學模型推導出考慮遲滯效應的磁阻作動器的電磁力的計算公式及電磁力與電流之間的正逆遲滯解析數學模型的數學表達式；(4)結合得到的電磁力與電流之間的數學表達式，對磁阻作動器采用位移?力?電流多閉環串聯運動控制。上述方法考慮遲滯非線性對磁阻作動器的控制的影響，提高了精度，使用范圍較廣，有利于推廣應用。

技術領域

本發明屬于非線性遲滯系統建模與控制相關技術領域，更具體地，涉及一種磁阻作動器電磁力建模與運動控制方法。

背景技術

隨著微細加工技術和生物技術的特征尺寸進入納米量級甚至亞納米量級，其對運動系統的精度提出了更嚴苛的要求，在高生產率要求的驅使下，運動控制技術正朝著超精密、超高速的方向發展。精密作動器作為運動系統的核心部件，其性能的提高將極大推動光刻技術、數控加工、生物技術、納米表面形貌測量等相關技術的發展。

以IC光刻制造為例，目前主要是利用音圈電機實現IC光刻機硅片臺、掩膜臺的精密驅動控制，而音圈電機基于洛倫磁力原理產生電磁力、推力密度較低、發熱較大。磁阻作動器利用了磁場對導磁材料產生的吸引力，其電磁力密度是音圈電機的數十倍以上。因此，在相同電磁力要求下，磁阻作動器的質量、體積更小，其能耗也更少，能夠滿足運動系統發展的要求。但是，由于磁阻作動器鐵磁材料的磁化狀態總是落后于勵磁磁場的變化，存在非線性磁滯效應，導致其數學模型及控制方法比音圈電機復雜，磁阻作動器的精密驅動控制亟待解決。相應地，本領域存在著發展一種精度較高的磁阻作動器電磁力建模與運動控制方法的技術需求。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種磁阻作動器電磁力建模與運動控制方法，其基于磁阻作動器的工作特點，針對磁阻作動器電磁力建模與運動控制方法進行了設計。所述磁阻作動器電磁力建模與運動控制方法通過建立比較準確的正逆遲滯解析數學模型，以推導考慮遲滯效應的磁感應強度和電磁力的計算公式，同時推導得到了磁阻作動器電磁力與電流之間的關系式，進而結合位移-力-電流多閉環串聯控制策略，實現了磁阻作動器的精密運動控制。

為實現上述目的，本發明提供了一種磁阻作動器電磁力建模與運動控制方法，其包括以下步驟：

(1)結合遲滯回線，建立磁阻作動器的初代正遲滯解析數學模型及初代逆遲滯解析數學模型；

(2)采用修形函數對所述初代正遲滯解析數學模型及所述初代逆遲滯解析數學模型進行優化，以得到正遲滯解析數學模型及逆遲滯解析數學模型；

(3)根據安培定律建立磁路計算公式，并結合所述正遲滯解析數學模型及所述逆遲滯解析數學模型依次推導出考慮遲滯效應的磁場強度計算公式、考慮遲滯效應的磁阻作動器的電磁力的計算公式及電磁力與電流之間的正逆遲滯解析數學模型的數學表達式；

(4)結合得到的電磁力與電流之間的正逆遲滯解析數學模型的數學表達式，對磁阻作動器采用位移-力-電流多閉環串聯運動控制。

進一步地，所述修形函數為雙曲正切修形函數，所述修形函數表達式為：

g＝f(u)＝λ₃tanh(λ₄u)

式中，輸入信號u∈Rⁿ，參數λ₃,λ₄是影響修形后遲滯回線幾何形狀的控制參數。

進一步地，正逆遲滯解析數學模型的表達式分別為：