第 1 章 绪论
1.1 课题研究的背景意义
在信息革命的推动下，精密定位技术得到迅猛的发展。高精度定位平台在装备制造业的高端领域中具有重要的地位。当今高精度定位平台的持有数量和加工精度是一个国家制造业水平的缩影，也是衡量一个国家的综合实力的重要指标。精密定位作为高精度定位平台的核心技术。精密定位是指显微探针被光电系统控制，使加工部件的精度朝着微小化的方向发展。目前我国精密定位技术的数量级正在从 60nm 级别向 1nm 级别不断减小，目前正向 10nm 过渡[1,2]。为了实现高精度定位的要求，传统的机械传动机构由于机械自身的摩擦、振动、噪声等原因，已不能满足加工部件精密定位的要求。因此，悬浮传动应运而生。悬浮机构根据加工部件的位置和姿态的不同，可分为单自由度悬浮装置和多自由度悬浮装置。多自由度悬浮装置在现实中应用十分广泛，其原理是将多个直线电机层叠组合实现精密定位。多自由度悬浮装置自身具有独特的优点：（1）对于光电系统，降低系统的单位动力消耗；（2）对于加工机床，消除加工机床的导轨磨损；（3）对于显微探针，提高显微镜的定位精度。本文是针对六自由度悬浮平台的结构和数学模型做进一步进行设计与分析，采用新的控制方法和理论。并且在六自由度悬浮平台的运动过程中，考虑到外部扰动对悬浮参数产生的影响，针对悬浮和运动状态分别提出模糊控制和交叉解耦控制的方法解决悬浮平台的稳定性。
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1.2 国内外六自由度悬浮平台研究现状及发展趋势
国外对六自由度悬浮平台的研究机构主要集中在美国俄亥俄州立大学、美国麻省理工大学、荷兰埃因霍温科技大学、韩国科学技术院等发达国家的知名院校。由于国外装备制造业发展水平较为发达，对六自由度悬浮平台具有较长的研究时间。因此，目前国外六自由度悬浮技术处于领先地位。国外已经出现很多制造六自由度悬浮平台的生产厂家。其中比较著名的有美国 Intel公司、Motorola 公司、AMD 公司、USAL 公司，日本的 Nikon 公司、Canon 公司，荷兰的ASML 公司等[3]。美国 Intel 公司生产的平台应用于极紫外光刻机，定位精度误差大约是 20nm。日本Canon 公司生产的平台同样应用于光刻机的微刻系统，其平台结构与美国 Intel 公司的平台相近，但定位精度误差可达到 15.6nm[4]。从发展趋势上来看，主要有三种控制方式的六自由度悬浮平台，分别是基于电磁铁控制的六自由度悬浮平台、基于洛伦兹线圈控制的六自由度悬浮平台、基于重力补偿控制的六自由度悬浮平台。1995 年，美国麻省理工大学设计了世界上第一个磁悬浮定位平台。它是在悬浮框架四个角分别固定四台直线电机，通过改变四台直线电机永磁体产生的相对电磁力，实现直线电机动子在垂直方向上悬浮运动，改变动子上缠绕线圈的电流，实现动子在水平方向的运动，从而实现悬浮平台在六个自由度上的运动，协调控制每台直线电机可以实现最大行程50mm×50mm 的运动[5]。1997 年，荷兰代尔夫特理工大学设计了一个由三台直线电机驱动的六自由度磁悬浮定位平台，通过电磁铁定子和动子上缠绕的次级线圈相互作用，达到 160 mm×160mm 的最大行程，在控制方式上采用基于神经网络观测器的前馈补偿控制[6]。2000 年，美国俄亥俄州立大学的两位教授设计了基于电磁铁控制的短距离微动六自由度悬浮平台[7]。其行程为4mm×4mm，在 2mm 行程范围内可旋转 1 度。该悬浮平台在水平方向由 6 组永磁体进行定位控制，垂直方向由 4 组电磁铁进行悬浮控制，在平台运动时，功率损耗较大。
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第 2 章 U-T 型六自由度悬浮平台模型
2.1 引言
悬浮系统的基本原理是通过电磁铁或者电磁绕组产生的电磁力使固定的定子与运动的动子没有机械接触，实现无机械摩擦的运动。系统的悬浮方式有两种：排斥型悬浮和吸引型悬浮。吸引型悬浮是在运动动子上方的固定定子上装有电磁线圈，电磁线圈通电后产生强磁场，磁场感应出与运动动子重力方向相反的电磁力，当电磁力与运动动子重力相等时，运动动子悬浮起来。吸引型悬浮只与电磁线圈通电后产生的电磁力有关，与运动动子运动速度无关。吸引型悬浮多用于精密零部件加工机床。排斥型悬浮是在运动动子下方的固定定子上装有电磁线圈，电磁线圈通电后产生强磁场，当运动动子运动时，动子切割磁感线产生与运动动子重力方向相反的电磁力，当电磁力与运动动子重力相等时，运动动子悬浮起来。排斥型悬浮与运动动子运动速度有关，运动速度越快，产生的电磁力越大。只有高速运动，运动动子才能真正悬浮。排斥型悬浮多用于磁悬浮列车。排斥型悬浮与运动速度相关，悬浮系统结构较为简单，但在高精度机床中很难控制。吸引型悬浮虽然悬浮系统结构较为复杂，但可在不同的运动速度中进行悬浮控制。在 U-T悬浮平台中采用的是吸引型悬浮技术。
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2.2 U-T 型悬浮平台结构分析
图 2.1 为 U-T 型悬浮平台的结构示意图。其中：（1）左端悬浮线圈；（2）右端悬浮线圈；（3）定子铁心；（4）后端悬浮线圈；（5）动子铁心；（6）铝架；（7）永久磁铁[24,25]。从图 2.1 可以看出，U-T 型悬浮平台的动子为 T 形，定子为 U 形。为了确保平台稳定性，悬浮平台由三个悬浮点构成悬浮平面。悬浮平台悬浮的工作原理是平台的端点固定有通直流电的悬浮线圈，通过改变悬浮线圈电流的大小和方向，从而改变系统中通过的磁力线的数目，从而调节悬浮高度。悬浮平台移动的工作原理是 T 形动子上缠绕的线圈通直流电后，动子产生的磁场与平台的磁场相互作用产生推力，推动 T 形动子运动。U-T 型悬浮平台磁通如图 2.1 标线所示。磁通从永磁体正极出发，经过 U 形定子穿过前端悬浮气隙到达 T 形动子，经过 T 形动子穿出后端悬浮气隙，回到永磁体负极。图 2.2 是以右悬浮点为例，对悬浮点处的磁力进行分析。结合图 2.1 可以发现，悬浮平台端部的控制线圈通过改变线圈电流大小来调节 T 形动子在垂直方向的运动。控制线圈中的磁力线从线圈上方顺时针方向通过上部悬浮气隙、T 形动子、下部悬浮气隙回到线圈下方，控制线圈的磁通在前端悬浮气隙处向下作用，T 形动子即向下运动。反之，T 形动子即向上运动。控制线圈除了控制 T 形动子在垂直方向的运动以外，还起到平衡 T 形动子稳定悬浮的作用[26]。
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第 3 章 U-T 型悬浮系统控制器设计...... 15
3.1 模糊控制概述.........15
3.1.1 模糊控制基本原理....... 15
3.1.2 模糊控制器设计步骤....17
3.2 T-S 模糊控制器的设计............ 19
3.3 解耦控制概述.........27
3.4 交叉耦合控制器的设计........... 29
3.4.1 悬浮平台耦合分析....... 29
3.4.2 交叉解耦控制器的设计.........30
3.5 仿真结果及分析.....31
3.5.1 悬浮系统 T-S 模糊控制.........31
3.5.2 悬浮系统交叉解耦控制.........34
3.6 本章小结....... 36
第 4 章 U-T 型悬浮系统电路模块设计及 Proteus 仿真............37
4.1 主要硬件电路模块设计............ 37
4.2 软件程序设计......... 38
4.3 Proteus 仿真调试.....40
4.4 本章小结........ 43
第 5 章 结论........44
第 4 章 U-T 型悬浮系统电路模块设计及 Proteus 仿真
为了验证上节提出的控制方法在 U-T 型悬浮平台的实际效果，本章设计了基于Atmega16 处理器的控制系统，并利用 Proteus 软件对硬件电路进行仿真调试。
4.1 主要硬件电路模块设计
4.1.1 硬件电路模块总体设计
图 4.1 是 U-T 型悬浮平台硬件电路结构框图。为了实现系统的控制算法，系统的主控芯片选择 AT 公司的 Atmega16 处理器。检测部分使用三个电涡流传感器，三个电涡流传感器分别安装在 T 形动子的三个端部。电涡流传感器的模拟检测信号经过 A/D 转换变成数字信号传送给 Atmega16 处理器。经过算法运算，Atmega16 处理器输出六路 PWM 控制信号。每二路 PWM 控制信号经过驱动电路处理后变为直流电，通过改变直流电的大小来控制线圈中的磁场强度，从而改变悬浮平台的悬浮和运动[43]。从图 4.1 可以看出，悬浮平台的检测部分决定了悬浮平台的测量精度，是悬浮平台各部分电路设计的重点。悬浮平台检测部分的传感器采用型号为 KD2306/2S1 的电涡流传感器。KD2306/2S1 是美国卡曼公司生产的导轨式电涡流传感器。具体参数如表 4.1 所示。由于 Atmega16 处理器内部的 A/D 转换器是 10 位，达不到 16 位数据转换的要求。因此，采用型号为 AD594 的 16 位 A/D 转换器与之匹配。
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结论
本文以六自由度 U-T 型悬浮平台为研究对象，结合电磁回路的基本原理，建立了 U-T型悬浮平台的数学模型。针对悬浮平台在悬浮时受到扰动会出现位置偏差和运动时受到扰动会出现耦合偏差这一特点，设计了基于 T-S 模型的模糊控制来解决系统悬浮状态的位置偏差和交叉解耦的控制方法解决系统运动状态的耦合偏差。通过 Matlab 仿真软件对系统进行了仿真并做出了详细的分析。主要的工作如下：在悬浮平台 z 轴方向，由于悬浮点的悬浮距离都很小，当悬浮点受到微弱的扰动时，系统的稳定会产生严重的偏差。并且，系统所受的扰动是时刻变化的。模糊控制是最适合的控制方法。本文通过理论公式的推导设计了基于 T-S 模型的模糊控制器。仿真结果表明当悬浮系统受到 100N 脉冲干扰时采用 T-S 模糊控制的系统的扰动误差明显小于没有采用该控制策略的系统。当系统受到 100N 的周期干扰时悬浮系统具有同样良好的稳定性。在悬浮平台 xy 轴平面方向，由于系统是由三个悬浮点构成的，三个悬浮点依靠 T 形动子所连接。T 形动子内部在运动速度不一致的情况下会产生耦合。当系统所受的扰动改变悬浮气隙参数时，系统的运动的速度也会发生改变，因而需要解耦。本文以两个悬浮点为例，推导出了 T 形动子中心旋转和竖直移动之间的定量关系，从而设计了交叉解耦控制器。仿真结果表明当悬浮系统受到周期脉冲干扰时，悬浮系统的运动速度保持一致。最后本文对六自由度 U-T 型悬浮平台在硬件电路及软件程序方面进行了设计。并通过Proteus 仿真软件对其进行了仿真验证。
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参考文献(略)