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超精密宏动与微动驱动器设计

作　者: 潘国涛
导　师: 蒋秀珍
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 宏微运动 SVPWM 电流过采样驱动器
分类号: TM301.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

IC制造业的高速发展以及它在国家发展中的重要性要求我们努力发展大行程、高速度和高精度的定位技术。随着传统驱动方式再也无法满足我们的要求,宏微结合的概念也就应运而生,应用宏动驱动机构实现快速大行程的运动,运用微动驱动机构实现高精度的运动,很好的解决了运动速度与定位精度之间的矛盾。目前市场上的电机驱动器多是单轴驱动,并且其结构和固件程序都是不可知,不可变的,不利于宏微同步运动和驱动技术的进一步发展,也不适用于课题所依托的项目。因此本文研究了宏微两级运动模式,并分别为其设计了驱动器,在满足项目指标的前提下,增强了驱动器的可扩展性。宏动台采用SVPWM调制方式,提高了电源的利用率。本文在对直线电机建立了矢量控制模型后讨论了SVPWM的调制原理;分析了由此产生的死区效应及补偿方法;针对电流反馈量含有丰富的纹波干扰并且模拟滤波器无法实现锐截止这一情况引入了电流过采样技术,通过提高采样频率,将高频干扰信号转换成数字信号进行数字滤波的方法来提高反馈电流采集的精度。最后在此基础上进行了芯片选型,完成了宏动台的硬件电路设计以及电流环的软件编程。为了得到更高的响应速度和输入输出的线性度,微动台驱动器选择线性功率放大电路驱动。该部分的核心是如何进行功率放大,本文根据项目设计要求选择OPA548作为功率放大器件,设计了一种最大输出电流为8A并且输出范围可调;低压线性度好;具有保护功能的驱动电路。同时对其性能进行了仿真验证。在完成了硬件电路设计后,本文选择了两种满足项目要求的电机对驱动电路进行了性能测试,包括响应时间和开闭环伯德图测试等。同时,建立了宏动台驱动器的传递函数,应用Simulink软件对其性能进行了仿真验证。仿真显示,宏动台驱动器带宽为1KHz,实验显示,微动台驱动器带宽为3.2KHz,响应时间为250μs。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-14
  1.1 课题研究的背景及意义  9-10
  1.2 电机驱动技术研究现状  10-13
    1.2.1 交流电机控制方式  10-11
      1.2.1.1 变压变频控制  10
      1.2.1.2 矢量控制  10-11
      1.2.1.3 直接转矩控制  11
    1.2.2 音圈电机和直线电机驱动器  11-13
  1.3 本文主要研究内容  13-14
第2章宏微平台驱动系统分析  14-24
  2.1 宏微驱动装置选择  14-15
  2.2 直线电机驱动系统分析  15-22
    2.2.1 直线电机工作原理  15-16
    2.2.2 永磁同步直线电机数学模型  16-20
    2.2.3 永磁同步电机的矢量控制策略  20-22
  2.3 音圈电机驱动系统分析  22-23
    2.3.1 音圈电机原理  22
    2.3.2 音圈电机数学模型  22-23
    2.3.3 音圈电机传递函数  23
  2.4 本章小结  23-24
第3章宏动台驱动器设计  24-42
  3.1 电流环调制方法  24-29
    3.1.1 正弦磁通技术  24
    3.1.2 SVPWM调制技术  24-29
  3.2 死区效应分析  29-31
    3.2.1 死区效应产生的原因  29-30
    3.2.2 死区效应对电流环的影响  30-31
  3.3 电流过采样技术  31-34
    3.3.1 过采样对分辨率的影响  31-33
    3.3.2 过采样技术的抗频谱混叠作用  33-34
  3.4 宏动台驱动器软硬件设计  34-41
    3.4.1 DSP最小系统  34-35
    3.4.2 电流采样电路  35-38
    3.4.3 AD转换电路  38-39
    3.4.4 死区补偿  39-41
  3.5 本章小结  41-42
第4章微动台驱动器设计  42-50
  4.1 微驱动电路结构框图  42-43
  4.2 电路设计及器件选择  43-47
    4.2.1 功率放大电路  43-45
    4.2.2 DA转换与信号叠加电路设计  45-46
    4.2.3 电源设计  46-47
  4.3 微动台驱动电路仿真  47-49
  4.4 本章小结  49-50
第5章仿真与实验  50-61
  5.1 宏动台驱动器性能仿真  50-55
    5.1.1 电流环PID参数整定  50-52
    5.1.2 控制系统电流环仿真  52-55
  5.2 微动台驱动器实验  55-57
    5.2.1 线性度测试  55-56
    5.2.2 阶跃响应实验  56
    5.2.3 电路带宽测试  56-57
  5.3 宏动台驱动器实验  57-60
    5.3.1 输出电流稳定性实验  58-59
    5.3.2 电流过采样实验  59-60
  5.4 本章小结  60-61
结论  61-63
参考文献  63-67
致谢  67

超精密宏动与微动驱动器设计

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