一种六自由度磁悬浮平面电机设计

设计概述

在超精密加工与检测领域，例如半导体光刻、高精度贴片、精密光学透镜制造、高性能显微设备中，常常需要高精度定位工作台在数百毫米的运动范围内，提供精确可控的平动和转动。传统的定位工作台无法消除机械传动件间的摩擦和承载件间的限制，导致其定位分辨率、运动自由度和响应频率受到影响。磁悬浮技的出现，为高精度定位装置的设计提供了一个新的设计思路。高精度磁悬浮定位系统的运动部件通过磁力悬浮，与固定部件不相互接触，这使系统具有零摩擦、无后坐力、隔振、清洁、结构紧凑的特点，并能够在空间中实现六自由度的运动和复杂的运动轨迹。
基于此，本作品集合用于获得磁悬浮平台动子位置与姿态的传感系统，用于驱动线圈的线性功放电路，相应的数据采集卡，用于驱动数据采集卡的FPGA控制器，运行控制算法的和下位机微控制器，和运行上位机程序的主机，设计了一个六自由度磁悬浮控制平台系统。
随着对加工和测量装备精度要求的不断提高，有关长行程、超精密运动控制的研究引起了人们越来越多的兴趣。已有研究表明，影响长行程、超精密运动控制精度的最主要因素是摩擦力非线性。而磁悬浮正是一种实现长行程、超精密运动控制的较为理想的方式。本作品所设计的六自由度磁悬浮控制平台系统能提供多自由度的复杂运动，在超精密加工与检测领域具有广泛的应用前景。

系统组成及功能说明 /System Construction & Function Description

整个系统框架如图2.1所示：

本作品包含磁悬浮执行系统、传感器系统、功率放大其器、AD\DA板卡、pynq-z2开发板。数据采集模块获得激光传感器和涡流传感器的模拟量经pynq-z2的FPGA部分驱动的AD转换后由pynq搭载的Cortex-A9核运算处理，之后将所得结果DA至功率放大器以驱动线圈工作产生所需的磁场。发挥了pynq-z2搭载处理器的优势，能更加迅速方便的获取和处理数据。

各个模块介绍

1.磁悬浮执行系统
磁悬浮平台中包含四个一维的直线运动执行单元。一维运动执行单元包含一个1维Halbach阵列和一组两相跑道型线圈。四个一维直线运动执行器为磁悬浮平台的多自由度运动提供了所需的磁力和磁力矩。四个Halbach阵列均粘黏在运动平台的凹槽内，四组两相线圈固定在定位座上。整个磁悬浮执行器实物图如图2.2.1所示。

海尔贝克阵列为由磁铁径向充磁阵列和磁铁切向充磁阵列结合在一起的新型磁铁结构，这样的效果就使得阵列中一边的磁场强度增强，同时使得另一边磁场减弱，此时在空间中的一侧就形成了近似正弦分布的空间磁场 。

2.传感器系统
动子平台的姿态和位置信息对系统的控制至关重要，为精确的获取数据采用了如图的系统来测量动子的空间信息。
图中三个激光位移传感器LS1、LS2、LS3检测动子在水平面上的位置，三个涡流传感器EG1、EG2、EG3检测动子竖直面上的空间信息。传感器均和底座安装在同一光学平台，且考虑到传感器的测量范围有限，需要设计合适的高度安装涡流传感器。实物图如下

功率放大器
驱动线圈需要较大电流，故功率放大器必不可少。功放电路采用了如图2.2.3.1的压控恒流源电路设计。
实物图如下：

4.AD/DA板卡
传感器的值和驱动线圈的信号都是模拟量，AD/DA在数字控制系统中当然不可或缺。正好可以利用FPGA的并行处理优势来驱动AD/DA芯片。采用了TLV5630 8通道12位DA芯片，为和功放电路匹配还在其每一路的输出接入放大电路。AD为ADS8688 8通道16位芯片，因为有六个传感器所以只用到了六个通道。两芯片及外围电路集成到PCD板。pynq-z2开发板上的5v和3.3v恰好可以为芯片供电，此外还需正负15v为放大电路供电。板卡实物图及电路如图2.2.4所示。

5. pynq-z2开发板
pynq-z2开发板在系统中充当控制驱动角色，具体为Cortex-A9解算模型和FPGA驱动AD\DA芯片。这很好的利用了pynq集成处理器的优势，较普通FPGA免去了处理器IP的麻烦变得更方便，又比普通ARM多了FPGA的优势。PS的算法程序在软件设计部分介绍，PL端主要有由硬件描述语言编写的两个驱动AD/DA的模块。PS和PL间采用AXI_Lite IP通信。Block design如图2.2.5所示：

控制策略

1.传感系统
利用激光传感器和涡流传感器的采集数据经过矩阵运算反解出动子平移量xp、yp、zp以及旋转量α、β、γ。
激光和涡流传感器的测量结果以矢量的形式表示为和建立一个非线性方程组：

之后结合实际传感器的空间位置求解的值表示为：

以及

由此得到动子在坐标系内的空间位置和姿态。
2.控制稳定方法
借助老师建立的磁力模型，得到控制信号的输出表达式为：

式中为6×8电流-合力变换矩阵由上一步骤求解得来的xp、yp、zp、γ为参数解出，G是平台的重力，而As是功率放大器的电导增益。为列向量是动子的期望空间位置和姿态。
采用PID增量控制，控制求解方程为：


程序流程

硬件系统由用于获得磁悬浮平台姿态信息的传感系统、驱动线圈的线性功放电路、数据采集卡、用于驱动数据采集卡和运行控制算法的实时控制器以及运行上位机程序的主机组成。
预计实现功能：
（1）实现磁悬浮平台沿各轴的平移运动；
（2）实现磁悬浮平台沿各轴的旋转运动；
（3）实现磁悬浮平台的圆形轨迹跟踪。
目前，三个功能均已实现，系统运转良好，功能具体实现情况见附件视频。

总结

4.1主要创新点
（1）使用pynq-z2作为核心数据处理板，相比使用单片FPGA板，开发环境高度集成，信息通讯方便，处理速度高；
（2）使用运动执行器输出的电磁力提供平台的竖直浮力与水平推力，将其悬浮技术运用于平台中；
（3）基于传感器单元输出传感系统完成系统闭环控制，对电磁运动执行器的驱动电流进行精确调整，实现磁悬浮平台稳定、精确的位置与姿态控制。
4.2可扩展之处
（1）将参数控制模块以可视化界面在显示屏上显示。如将磁悬浮平台移的距离、旋转的角度、圆周轨迹运动的半径、运动的时间等变量的控制以可视化界面显示在显示屏上。
4.3 关于FPFA比赛
可能这个比赛规格比较大，在总决赛验收考核时，是不同组老师分别负责一部分参赛小组，所以不同老师评判标准也有所不同，可能会造成差异性，另外比赛赛程可能因为时间紧凑，奖项评判标准并未做详细说明，不过一般老师考核会进行一些问题提问，主要围绕是对板子资源开发利用情况，另外有一项，进行比赛前一天会小组共同做一道题，难度不大，做一些仿真，最后检查时序图是否正确，而且过不过其实影响不是很大。关于项目讲述，当时比赛时，我们有好几个组在一个房间，我记得有一个小组是做垃圾分拣，看着功能挺多，花里胡哨的，可能更贴近生活一些，最后决赛拿到了一等奖，傍边还有一组，我觉得当时老师问答回答的都挺好，但是也抱憾拿了国三，还有一个是做婴儿身高检测，名次也较为不错，而我们成绩不理想的原因，我想有一部分也和项目立意有关，太实验室化，和平常生活距离远了一些些，以上仅是个人感想，供大家交流参考。