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基于DSP的平面开关磁阻电机位置控制器研发

日期:2017/7/14作者:www.51lunwen.com编辑:wangju点击次数:204
销售价格:150元论文编号:lw201707131444518902论文字数:39515 
论文属性:硕士毕业论文论文地区:中国论文语种:中文 

第 1 章 绪论


1.1 课题的来源、背景及意义

在许多高新技术领域,如集成电路制造、平面绘图、微型机械装配、激光切割等超精密加工及制造已经成为现代科技发展不可或缺的关键技术[1],因此,对具有高速度、高精度以及高稳定性的平面定位装置的需求日益迫切[2-5]。在这些高精度定位平台中,半导体产业当中的光刻机是其中最典型、最重要的设备[6]。光刻机是能够进行超高精度定位的光机电系统,决定其性能的一个重要指标是其所能加工 IC 芯片的关键尺寸。目前,22nm 节点的光刻机已批量生产,而荷兰的 ASML 公司正逐步将国内外的光刻机制造工艺带入 10nm 制程[7-9]。因此,微小至十几纳米甚至几纳米的关键尺寸直接意味着光刻机的平面定位系统具有纳米尺度的超高定位精度。在这种高精度定位平台领域,我国与发达国家仍有显著差距,所以我国在 973 和 863 计划的申请指南中多处涉及用于光刻机等的高精度平面定位系统,以推动并追赶国外光刻机的先进技术[10]。因此,研究高精度平面定位装置,对提高我国先进制造水平有重大意义。

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1.2 平面开关磁阻电机的国内外研究现状

平面开关磁阻电机由旋转式开关磁阻电机演变而成,将两台旋转式开关磁阻电机沿着径向剖开,分别在正交的 x 轴和 y 轴上按圆周展开成直线,并将两套励磁绕组安装在同一运动平台上,即可组成一台平面开关磁阻电机[16]。对于平面开关磁阻电机的研究尚属于初级阶段,主要集中于香港理工大学、深圳大学、华南理工大学、太原理工大学和安徽工程大学等高校团队。

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第 2 章 平面开关磁阻电机位置控制系统原理


2.1 平面开关磁阻电机的结构及工作原理

2004 年,香港理工大学的 N. C. Cheung 等首次提出新型的平面开关磁阻电机这一概念并研制出第一台平面开关磁阻电机样机,如图 1-3 所示。该研究团队对其数学模型、电磁场特性等进行了研究,并讨论了基于多种位置控制算法的平面开关磁阻电机位置控制系统,并在电机设计行程内进行了位置定位以及轨迹跟踪实验,其中报导的位置定位误差在±5μm 以内,动态位置误差在±0.5mm 范围内[27-29]。2008 年,华南理工大学杨金明研究团队基于平面开关磁阻电机特性与能量耗散理论,研究了基于鲁棒无源性控制算法的平面开关磁阻电机控制器,并对电机进行了位置定位以及直线轨迹跟踪实验,但并未给出确切的电机位置误差[30]。

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2.2 平面开关磁阻电机的 PID 位置控制算法

PID 控制器,即比例-积分-微分控制器,是在工业控制应用领域中普遍使用的控制元件。PID 控制器的控制方框图如图 2-7 所示,它将收集到的被控对象输出反馈 y(t)和系统输入的参考值 r(t)进行比较,然后将两者的差别 e(t)用于计算出系统新的输入值 u(t),这个新的输入值 u(t)的目的在于让系统的输出 y(t)可以达到或者保持在参考值 r(t)。PID控制器分成比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 三个部分,通过调节每个单元对应的参数 kp、ki和 kd,可以令控制系统满足设计的性能要求。

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第 3 章 平面开关磁阻电机位置控制研究...............17

3.1 平面开关磁阻电机 S 曲线加减速轨迹构造...............17

3.2 基于 PD 算法的平面开关磁阻电机控制研究...............26

第 4 章 基于 DSP 的平面开关磁阻电机位置控制器硬件与软件设计.............39

4.1 控制器设计方案...............39

4.2 控制器硬件设计................42

第 5 章 基于 DSP 的平面开关磁阻电机位置控制系统性能实验...............54

5.1 基于 DSP 的平面开关磁阻电机 PD 位置控制系统性能实验...............54

5.2 基于 DSP 的平面开关磁阻电机滑模变结构控制系统性能实验...............59



第 5 章 基于 DSP 的平面开关磁阻电机位置控制系统性能实验


5.1 基于 DSP 的平面开关磁阻电机 PD 位置控制系统性能实验

电机两轴在 PD 位置控制器的作用下稳态误差尽量达到最小。为了研究基于 DSP 的平面开关磁阻电机 PD 位置控制系统的性能,分别使用幅值为10 mm,周期为 3s 以及幅值为 100mm,周期为 5s 的经过 S 曲线加减速轨迹规划后的位置轨迹作为系统输入,使电机分别在平面位置(0 mm,0 mm)与平面位置(10 mm,10 mm)两点以及平面位置(0 mm,0 mm)与平面位置(100 mm,100 mm)两点间做往复运动。以仿真中优化设计得出的 PD 位置控制器参数作为基准进行小范围微调,使电机两轴在 PD 位置控制器的作用下稳态误差尽量达到最小。

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5.2 基于 DSP 的平面开关磁阻电机滑模变结构控制系统性能实验

为了研究基于 DSP 的平面开关磁阻电机滑模变结构控制系统的性能,分别使用幅值为 10 mm,周期为 3s 以及幅值为 100mm,周期为 5s 的经过 S 曲线加减速轨迹规划后的位置信号作为系统输入,使电机分别在平面位置(0 mm,0 mm)与平面位置(10 mm,10 mm)两点以及平面位置(0 mm,0 mm)与平面位置(100 mm,100 mm)两点间做往复运动。以仿真中得出的滑模变结构位置控制器参数作为基准进行小范围微调,使电机两轴在滑模变结构位置控制器的作用下稳态误差尽量达到最小。


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