● 摘要
本论文以应用于先进制造和检测设备上的直线电机驱动的H型精密气浮运动平台为研究对象，分析研究了这类工作台的功能要求，确定了一种采用H型气浮导轨传动的直线电机运动平台的总体方案，对H型运动平台的气浮导轨设计方法、双边直线电机的同步运动控制、工作台外部扰动的控制、摩擦力模型辨识和补偿控制、误差建模与补偿等关键技术进行深入分析和系统研究，研制了两个具有微米级定位精度的H型直线电机高性能运动平台，并开发了工作台相关的软、硬件系统。基于有限元计算方法和工程计算方法，开发了空气轴承设计计算软件，为静压气浮导轨设计提供了一个实用分析计算工具，运用有限元计算方法分析静压气浮导轨内气膜压力分布情况，结合H型工作台的结构特点，提出了静压气浮导轨的预加载方法和技术，对气浮导轨进行了结构创新设计，包括运用气膜预加载技术设计了闭式结构的工作台双边导轨，以及在X轴气浮导轨的设计中提出了以大基面作为气浮工作面并结合真空腔预加载技术来提高性能的方法，避免了工作台X、Y轴导轨在竖直方向上的相互影响。实验测试表明，所开发的工作台气浮导轨具有较高承载能力和静态刚度，获得了预期效果。基于H型工作台双边电机的同步速度偏差，提出了一种改进型并联同步控制器。根据力矩平衡原则设计了负载动态分配环节，将等效惯量负载按位置不同分配给双边的直线电机，使双边直线电机保持良好的加速度同步响应，克服了工作台X轴方向的位置变化对双边电机同步响应的影响。设计了模糊PID复合控制器，运用模糊控制自适应调节工作台不同运行阶段PID控制器的参数，使之保持较高的运动性能。实验验证表明，本文提出的改进型并联同步控制算法解决了传统串、并联同步控制策略对双边直线电机高精度同步运动控制局限性，取得了较好的同步控制效果。为了解决H型调试工作台导轨不同位置摩擦特性存在差异的问题，提出了一种基于工作台运动位置的增强型的Stribeck模型，并通过实验辨识了H型调试工作台的增强型Stribeck摩擦模型和LuGre摩擦模型。分别基于两种摩擦模型对工作台进行摩擦补偿实验研究。比较研究实验结果表明，增强型Stribeck摩擦模型取得了和动态LuGre摩擦模型接近的补偿效果；由于实验辨识方法和补偿技术比较容易实现，本论文提出的增强型Stribeck摩擦模型适合用于长行程导轨的摩擦建模及补偿控制。在分析H型直线电机定位平台误差组成和特点的基础上，采用误差补偿技术来提高工作台的定位精度。用激光矢量测量技术测量了工作台X、Y方向的定位误差；利用最小二乘法建立了工作台的分段线性、分段多项式误差模型；利用BP神经网络建立了工作台人工神经网络误差模型。根据H型工作台电机定位误差特点，建立了X轴电机的一维误差预测模型，而Y轴的双边电机则建立了二维误差场预测模型，并构造用于误差补偿的一维或二维误差校正表。通过误差补偿有效的提高了工作台的定位精度，将工作台两个方向的定位精度提高到1μm。此外，针对直线电机气浮工作台外部扰动对工作台的性能影响较大的问题，提出了一种基于工作台名义模型的速度型干扰观测器，并进行了实验验证，有效地抑制了直线电机进给控制系统的外部扰动。最后，在各项关键技术研究的基础上，开发了H型直线电机精密运动平台的实验系统，并进行了双边直线电机同步寻相、同步回零等H型工作台实用数控技术的实验研究，为H型工作台的工业应用奠定了基础。