電磁驅(qū)動微運(yùn)動

關(guān)于電磁驅(qū)動微運(yùn)動第1頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三什么是電磁驅(qū)動？電磁驅(qū)動式微動臺是靠電磁力直接驅(qū)動的，通過控制線圈中電流的大小來控制電磁力的大小，從而帶動工作臺產(chǎn)生相應(yīng)的精密微位移。由于電磁微動臺是電磁驅(qū)動單元和并聯(lián)機(jī)構(gòu)相融合的產(chǎn)物，通過控制電磁驅(qū)動元件，可實(shí)現(xiàn)微動臺的精密運(yùn)動。由于磁力的非接觸性，可以達(dá)到很高的精度。當(dāng)在通電螺線管內(nèi)部插入鐵芯后，鐵芯被通電螺線管的磁場磁化。磁化后的鐵芯也變成了一個(gè)磁體，這樣由于兩個(gè)磁場互相疊加，從而使螺線管的磁性大大增強(qiáng)。為了使電磁鐵的磁性更強(qiáng)，通常將鐵芯制成蹄形。但要注意蹄形鐵芯上線圈的繞向相反，一邊順時(shí)針，另一邊必須逆時(shí)針。如果繞向相同，兩線圈對鐵芯的磁化作用將相互抵消，使鐵芯不顯磁性。另外，電磁鐵的鐵芯用軟鐵制做，而不能用鋼制做。否則鋼一旦被磁化后，將長期保持磁性而不能退磁，則其磁性的強(qiáng)弱就不能用電流的大小來控制，而失去電磁鐵應(yīng)有的優(yōu)點(diǎn)。第2頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三目前電磁驅(qū)動工作臺按其工作維數(shù)可以分為如下：一維電磁微驅(qū)動裝置：當(dāng)中目前主要是利用基于洛侖茲力的音圈電機(jī)作為微動驅(qū)動器。音圈電機(jī)的行程為毫米級，閉環(huán)控制精度可以達(dá)到納米級，非常適于小行程超精密運(yùn)動驅(qū)動。二維電磁微驅(qū)動裝置：主要是靠電磁驅(qū)動單元的組合驅(qū)動，平面支撐主要靠氣浮或磁浮實(shí)現(xiàn)。類似于平面電機(jī)，但與平面電機(jī)有著本質(zhì)的不同之處是，不存在明顯的齒槽效應(yīng)，該類型機(jī)構(gòu)主要應(yīng)用于芯片光刻機(jī)、光纖對接裝置和精密光學(xué)儀器中。三維電磁微驅(qū)動裝置：與二維機(jī)構(gòu)的工作原理類似，其多自由度的運(yùn)動是靠多個(gè)驅(qū)動單元共同作用完成，該機(jī)構(gòu)在半導(dǎo)體加工、顯微鏡掃描、微裝配和快速成型等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。第3頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三電磁驅(qū)動應(yīng)用實(shí)例圓形電磁驅(qū)動臺第4頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三磨床圓形強(qiáng)力電磁吸盤工作臺第5頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三新型電磁驅(qū)動器第6頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三電感傳感器的信號采集電路和基于AD698的電感傳感器信號調(diào)理電路電磁微運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)方法第7頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三電磁鐵通電使鐵芯磁化，吸引運(yùn)動機(jī)構(gòu)移動。運(yùn)動機(jī)構(gòu)的移動（運(yùn)動范圍0-5mm）改變了電感傳感器的空氣間隙從而改變電感值。電感值的變化會在信號處理電路上用輸出電壓表現(xiàn)出來。測得的電壓變化量接入A/D轉(zhuǎn)換片，轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量送入單片機(jī)處理并顯示結(jié)果。這樣就可以把電磁驅(qū)動鐵芯的實(shí)際位移測量出來，將所要得到的位移與實(shí)際需要量進(jìn)行比較后送PID控制部分根據(jù)得到的電壓信號來判斷實(shí)際位移量是否符合預(yù)想值并進(jìn)行調(diào)節(jié)，精度為1微米。最后控制電磁鐵的來對實(shí)際位移量來調(diào)節(jié)第8頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三電磁鐵的引力公式為

式中B為電磁場磁通密度

μ為導(dǎo)磁率

S為磁極截面面積電磁鐵引力：線圈電流與磁通密度關(guān)系為

N為線圈的匝數(shù)

ι為磁路長度

μo磁性材料導(dǎo)磁率

μ空氣導(dǎo)磁率

D為空氣隙長度

I為電流強(qiáng)度第9頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三由于

則改變電流后空氣隙長度發(fā)生變化，銜鐵發(fā)生移動從而實(shí)現(xiàn)了微位移運(yùn)動第10頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三磁致伸縮式微位移機(jī)構(gòu)它的工作原理如圖11所示。微動臺用片簧支撐，在微動臺的端部固定強(qiáng)磁體，它與磁致伸縮棒之間有一定的間隙，通過改變線圈中的電流強(qiáng)度，改變對工作臺的吸引力，從而達(dá)到微位移的目的。其精度可達(dá)亞微米。該機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、重復(fù)精度高、無間隙、剛性好、傳動慣量小、工作穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn);但在磁場作用下伴有發(fā)熱，故微動精度不高。它適用于精確位移調(diào)整、切削刀具的磨損補(bǔ)償、溫度變形補(bǔ)償及自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)等第11頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三第12頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三運(yùn)動范圍由公式工作臺被磁鐵吸引而移動的距離正比于（NI）的平方，當(dāng)電流逐漸增大時(shí)氣隙d就越來越小，磁通量增大吸引力也顯著增大。當(dāng)達(dá)到某一臨界值時(shí)，工作臺就會突然與電磁鐵發(fā)生碰撞，此臨界值可由課本式（5-14）導(dǎo)出：第13頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三d—初始空氣隙長度。當(dāng)時(shí)，發(fā)生碰撞，則由上式得出第14頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三即當(dāng)工作臺移動達(dá)到初始間隙的1/3時(shí)，被吸向磁極。為此在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到工作臺運(yùn)動到初始間隙的1/3時(shí)，在磁通路中磁通量達(dá)到飽和，即可以避免相撞。在磁飽和條件下，公式不再適用第15頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三在上述條件下磁路阻力比氣隙阻力大的多，自然，磁阻不能忽略。隨磁飽和產(chǎn)生，磁阻增大，工作臺移動量減小若將開始磁飽和時(shí)的磁通量的大小定為由公式和公式得出，當(dāng)產(chǎn)生磁飽和時(shí)，整個(gè)磁性物質(zhì)的長度等于氣隙長度，B和NI幾乎成線性關(guān)系，定為范圍可以擴(kuò)大。磁芯環(huán)路的形狀設(shè)計(jì)成錐形，增大dS的同時(shí)，磁通量也增大，這樣B和NI的關(guān)系就是線性關(guān)系。第16頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三圖5-29所示，為一利用磁泄漏裝置，當(dāng)電流-磁力增大，磁極吸引工作臺，使其間隙變小，則磁極磁阻減小，結(jié)果磁通量增大，使磁飽和磁性盤里的磁通量飽和，其磁阻和通過磁化極的磁泄露增大。結(jié)果，無論電流增大多少，只有通過磁性的磁泄漏增加，而吸引工作臺的磁通量不會增加多少，從而使力學(xué)特性得到調(diào)節(jié)，避免發(fā)生碰撞。第17頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三第18頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三運(yùn)動精度由于電磁驅(qū)動臺的驅(qū)動是以磁場為介質(zhì)的，因此磁場的分析和設(shè)計(jì)是電磁微動臺整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提。盡管目前學(xué)者已經(jīng)對磁場分析、電磁力計(jì)算等重要問題進(jìn)行了相關(guān)研究，但是還未形成一套完整的電磁微動臺磁場分析和設(shè)計(jì)的理論。特別是對邊端效應(yīng)、局部飽和、推力波動等影響定位性能的重要因素，以及如何實(shí)現(xiàn)長行程、大推力和高響應(yīng)等問題都值得深入研究。微動臺的結(jié)構(gòu)是電磁驅(qū)動單元和位置檢測單元安裝的主體，是微動臺穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的電磁微動臺在設(shè)計(jì)上雖然也以質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、工藝性好和便于控制等為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，但在如何保證質(zhì)心驅(qū)動、散熱和減少磁力耦合等方面考慮不夠，因此鑒于上述方面設(shè)計(jì)更加合理和新穎的結(jié)構(gòu)是提高工作臺性能的重要途徑之一。電磁式微動臺除了本身結(jié)構(gòu)之外，其定位精度和響應(yīng)速度，主要是靠控制系統(tǒng)來完成的。現(xiàn)今的電磁力的控制系統(tǒng)大多基于電流控制模式，在這種控制模式中忽略了線圈電感對電流變化的抑制作用，若線圈中電流的變化過于劇烈時(shí)，系統(tǒng)中實(shí)際電流與參考電流之間將出現(xiàn)較大誤差，影響定位精度。因此，為獲得高性能的電磁力控制系統(tǒng)，必須從電磁力的電壓方程出發(fā)建立更能準(zhǔn)確體現(xiàn)微動臺電磁特性的數(shù)學(xué)模型，以設(shè)計(jì)電磁微動臺的控制系統(tǒng)。除此之外，可充分借鑒其他的控制原理和方法，如矢量控制理論、推力脈動抑制方法等第19頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三精度，穩(wěn)定速度和氣隙的關(guān)系當(dāng)不考慮飽和特性時(shí)，隨精度和定位范圍的確定，則合適的穩(wěn)定速度和氣隙長度也確定了。當(dāng)公式可得到的移動距離的變化量和電流變化量之比為第20頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三當(dāng)電流變化速度為(A為常數(shù)），精度為K時(shí)，則第21頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三將帶入上式，得第22頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三電流變化速度I/A和氣隙d變化量之間的關(guān)系如圖5-30。在1um~10mm之間，精度K為0.0um~10um。為提高精度，應(yīng)采取較高的電流變化精度。第23頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三參考文獻(xiàn)1微型泵與電磁驅(qū)動0:8000/rewriter/SD/http/vvv9rbhdmbdchqdbs9bnl/science/article/pii/S02621762040041102在設(shè)計(jì)電磁驅(qū)動器操作條件下的高振動/detail/detail.aspx?tablename=SSJDTEMP_U&filename=SSJD121030002356&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYyRGsySUNUdFFRazZsdmJvMUJGQXlnV0s5Wk83ejN1aVp5OVc4WXV6eUtROGpLTWd3PQ==3電磁驅(qū)動系統(tǒng)的機(jī)器魚/detail/detail.aspx?tablename=SSJDLAST2012_U&filename=SSJD120821003601&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYyRGsySUNUdFFRazZsdmJvMUJGQXlnV0s5Wk83ejN1a4研究對于電磁場成微波干燥設(shè)備/detail/detail.aspx?tablename=SJDJ_U&filename=SJDJ000381778&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYyRGsySUNUdFFRazZsdmJvMUJGQXlnV0s5Wk83ejN1aVp5OVc4WXV6eUtROGpLTWd3PQ==第24頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三5電磁波的影響和熱場的干燥過程的草藥在微波場和熱空氣/detail/detail.aspx?tablename=SJDJ_U&filename=SJDJ000381779&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYyRGsySUNUdFFRazZsdmJvMUJGQXlnV0s5Wk83ejN1aVp5OVc4WXV6eUtROGpLTWd3P6電磁污染和我們的健康/detail/detail.aspx?tablename=SJDJ_U&filename=SJDJ000382509&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYyRGsySUNUdFFRazZsdmJvMUJGQXlnV0s5Wk83ejN1aVp5OVc4WXV6eUtROGpLTWd3PQ7高頻電磁場歸納Lipocalin2表達(dá)/detail/detail.aspx?tablename=SJDJ_U&filename=SJDJ000383974&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYyRGsySUNUdFFRazZsdmJvMUJGQXlnV0s5Wk83ejN1aVp5OVc4WXV6eUtROGpLTWd3PQ8分析研究的配方電磁波散射行為對圓柱形狀的介電材料/detail/detail.aspx?tablename=SJDJ_U&filename=SJDJ000390255&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYyRGsySUNUdFFRazZsdmJvMUJGQXlnV0s5Wk83ejN1aVp5OVc4WXV6eUt第25頁，講稿共29頁，2023年5月2日，星期三9數(shù)值模擬的電磁感應(yīng)加熱過程熱療法/detail/detail.aspx?tablename=SJDJ_U&filename=SJDJ000300651&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYyRGsySUNUdFFRazZsdmJvMUJGQXlnV0s5Wk83ejN1aVp5OVc4WXV6eUtROGpLTW10電磁場在生物組織對象/detail/detail.aspx?tablename=SJDJ_U&filename=SJDJ000563878&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYyRGsySUNUdFFRazZsdmJvMUJGQXlnV0s5Wk83ejN1aVp5OV