电磁悬浮式微驱动器的同步跟随驱动设计

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1、浙江理工大学学报，第26卷，第4期，2009年7月JournalofZh~iangSci—TechUniversityVo1．26，No．4，Ju1．2009文章编号：1673—3851(2009)04—0534—04电磁悬浮式微驱动器的同步跟随驱动设计姜伟光．杨涛，陈军，陈本永(浙江理工大学纳米测量技术实验室，杭州310018)摘要：提出了一种基于CPLD控制的多路电流方向快速转换的新方法，解决了电磁悬浮式微驱动器的磁场同步跟随问题，实现了微动平台的同步跟随运动。设计了以CPLD为核心的快速电流方向变换同步跟随驱动电路，通过光耦隔离同步触发

2、可控硅迭到导线通电模式转换的控制，达到了电流方向改变目的，实现了电磁场的同步跟随运动。用实验验证了电磁悬浮式微驱动器同步跟随驱动设计的可行性和实用性。关键词：微驱动器；磁场同步跟随；CPLD；可控硅中图分类号：TM302文献标识码：A0引言随着科技的不断发展，微驱动器在精密机械制造、机器人、生物医学等领域的应用越来越广泛，占据着极为重要的地位[卜引。目前微动器可以分为电磁驱动[、压电驱动[]、静电驱动[]和形状记忆合金驱动[。]等。相比其它微驱动器，电磁驱动器采用的是运动体和驱动机构分离的单一驱动结构，具有噪声小、寿命长、无需润滑、无污染等优

3、点，消除了摩擦、磨损对运动造成的影响，因此，易于实现大范围的微运动，是近年来国内外微运动技术研究的热点。。。电磁悬浮式微驱动器由电磁悬浮机构、驱动电路、精密测量和运动控制等部分组成，其中驱动部分是实现精密微运动的关键。在空间做快速大范围精确运动要求微驱动器能够快速地跟随，以提供同步的电磁悬浮力。基于此，本文提出了一种基于复杂可编程逻辑器件(complicatedprogrammablelogicdevice，CPLD)控制的多路电流方向快速转换方法，实现了电磁悬浮式微驱动器的快速同步跟随运动。1磁场同步跟随式微驱动器结构2电磁悬浮式微驱动器由

4、永磁阵列和导线阵列两部分构成[】¨，如图1所示。上面永磁阵列由磁化强度方向各异的小磁块按照45。旋转角型的Halbach阵列[1]经由XY方向二维矢量叠加的方式排列，会产生5个强磁场点，将其嵌入电磁悬浮式微驱动器作为动子使用；下面导线阵列是由垂直的多层导线正交叠放而成的，通过改变通电模式产生与永磁体对应相同的极性达到同步跟随悬浮状态，作为定子使用固定在实验台上。将永磁阵列置于导线阵列之上放置，1．永磁阵列，2．永磁阵列的5个峰值点，3．气底层导线按一定的通电模式通电，将产生悬浮力使两者之间产生一隙高度，4．z方向导线层，5．Y方向导线层定高度

5、的气隙，微驱动器依靠这种排斥力实现空间中的同步跟随微图1电磁微驱动器结构图收稿日期：2008一l1—14基金项目：国家自然科学基金资助项目(60575055)；浙江省教育厅基金(Y200702862)作者简介：姜伟光(1982一)，男，山东烟台人，硕士研究生，研究方向为微驱动技术。第4期姜伟光等：电磁悬浮式微驱动器的同步跟随驱动设计535运动。当悬浮体发生水平位移时，底层的导线阵列电磁场必须同步跟随移动，以保持区域峰值磁场的5点对应。以永磁阵列向右上角方向运动为例，要求底层导线阵列产生的磁场也随其移动，磁场的动态跟随通过控制CPLD电路快速切

6、换导线阵列内的通电模式实现，如图2所示。(a)运动前(b)向上运动(c)向右运动图z底层驱动线路通电模式改变对应电磁场变化示意图经过对电磁悬浮式同步跟随微驱动器的理论分析，永磁体在空间的运动由平动和转动组合完成，要实现平台在空间同步跟随运动，必须快速控制底层导线阵列中电流的方向，最终改变底层电磁场使其跟随运动。要实现同步跟随运动，要求驱动电路的电流范围为O～1．2A，电压范围为16～30V，响应速度达到s级。本文的核心是改变通电模式以改变电流方向，实现磁场同步跟随运动。改变通电模式的关键是实现可控硅的同步触发，一般有两种方法：光耦隔离触发和变

7、压器触I上位机l发[1。光耦隔离触发能有效地隔离前后级信号直接触发可控jn[DSP控制模块硅，提高了抗干扰性；而变压器触发的次级需要进行整流才能{触发可控硅，而且要变化一种模式就要求有一个单极输人多极前置放大A／D转换’cPLD控制模块输出的变压器，这样会增加微驱动器的结构复杂性，并且结构介不易灵活改变。本系统采用了光耦隔离对可控硅进行快速同f电涡流传感器导线阵列I驱动模块步触发，使底层的导线阵列通电模式发生改变，达到改变电磁介微运动体(永磁阵列)场的目的，最终实现微驱动器的跟随运动。电磁悬浮式同步跟随微驱动器设计的总体框图如图3所示。图3磁

8、场同步跟随微驱动器总体框图2微驱动器同步跟随硬件电路设计本文的驱动模块采用的是以功率运算放大器PA12A为核心的电路，具有良好的过载保护功能。本文的核心是CPLD控