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高频响应音圈电机的建模与控制研究

2020-12-11阅读(161)

高频响应音圈电机的建模与控制研究

论文摘要

音圈电机是一种特殊的无需任何中间传动转换装置就能带动负载进行直线运动或者摆动运动的电机,它具有高频响应、高速度、高加速度、高定位精度、结构简单、体积小、质量轻、力特性好、控制方便等优点。在半导体引线键合技术中,音圈电机由于具有微米、亚微米、甚至几十纳米的定位精度而被大量应用,为了生产的高效率,此时音圈电机都工作在高频状态中,例如第一代键合机工作能力在10线/秒;第二代键合机在25线/秒,第三代键合机将达到40线/秒,然而大量的实验表明,键合机中的音圈电机工作在40Hz的高频状态时,存在很复杂的迟滞现象,严重影响音圈电机的定位精度。该文以音圈电机的广泛应用为背景,受到国家自然科学基金等项目的大力支持,研究工作在此基础上展开,论文的具体内容如下:1)回顾了音圈电机的发展历史,介绍了音圈电机的结构原理与国内外的研究现状;指出了音圈电机在高频、高速情况下存在的复杂迟滞问题,即该种迟滞现象是一种非单调函数的迟滞现象;2)分析复杂迟滞特性,改进了C-S迟滞模型,使它能够适应非单调函数形式的多值对应关系,并在此基础上建立了基于C-S的神经网络混合复杂迟滞模型,实验验证结果是建模精度0.44%,满足音圈电机复杂迟滞建模的要求;3)进一步研究复杂迟滞建模原理,改进建模方法,提出了基于神经网络的动态复杂迟滞模型,该模型利用神经网络能够以任意精度逼近复杂的非线性曲线的能力,把输入信号前一时刻的输入值作为神经网络的一个辅助输入,解决了神经网络不能实现迟滞对应的多值映射问题,实验结果是该模型对复杂迟滞同样有较高的建模精度;4)根据复杂迟滞特性,复杂迟滞的逆也是一种复杂迟滞,根据复杂迟滞建模原理,建立基于神经网络的动态复杂迟滞逆模型,以复杂迟滞逆模型为基础结合PID控制算法设计了基于神经网络的动态复杂迟滞逆模型控制器;5)将基于神经网络的动态复杂迟滞逆控制算法在MATLAB中仿真,仿真结果电机的跟踪性能良好,复杂迟滞现象被抵消;在cSPACE实物音圈电机平台中验证复杂迟滞逆模型控制器,音圈电机的跟踪效果满足精度要求,证明控制方法有效。逆模型控制是一种先进的控制策略与控制技术,该文应用逆模型控制的思想,设计了音圈电机复杂迟滞逆模型控制器,实验证明,应用该控制器的音圈电机系统复杂迟滞现象被消除,系统跟踪性能得到明显提高,与其他控制方法进行比较,该控制方法提高了音圈电机控制效果,并且该逆模型控制器结构简单,应用方便,参数易学习。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 音圈电机及其发展概述
  • 1.2 课题研究背景及意义
  • 1.3 课题来源与主要内容
  • 1.4 论文结构安排
  • 第二章 音圈电机及其研究现状分析
  • 2.1 音圈电机原理
  • 2.1.1 音圈电机结构
  • 2.1.2 音圈电机动力学方程
  • 2.1.3 音圈电机的种类
  • 2.2 音圈电机迟滞定位误差特性
  • 2.3 音圈电机控制研究现状
  • 2.4 小结
  • 第三章 高频音圈电机复杂迟滞特性建模与验证
  • 3.1 迟滞模型概述与音圈电机复杂迟滞特性
  • 3.1.1 迟滞的定义
  • 3.1.2 迟滞模型研究现状
  • 3.1.3 音圈电机复杂迟滞特性
  • 3.2 基于C-S 的神经网络混合复杂迟滞模型
  • 3.2.1 C-S 迟滞模型概述
  • 3.2.2 C-S 复杂迟滞模型的改进
  • 3.2.3 基于C-S 的神经网络混合复杂迟滞模型结构
  • 3.2.4 验证基于C-S 的神经网络混合复杂迟滞模型
  • 3.3 基于神经网络的动态复杂迟滞模型
  • 3.3.1 基于神经网络的动态复杂迟滞建模原理
  • 3.3.2 基于神经网络的动态复杂迟滞模型结构
  • 3.3.3 验证基于神经网络的动态复杂迟滞模型
  • 3.4 小结
  • 第四章 音圈电机复杂迟滞逆模型控制
  • 4.1 逆模型控制现状
  • 4.1.1 自适应逆模型控制
  • 4.1.2 支持向量机逆模型控制
  • 4.1.3 模糊逆模型控制
  • 4.2 音圈电机复杂迟滞逆模型与复杂迟滞逆控制器
  • 4.2.1 复杂迟滞逆模型结构
  • 4.2.2 复杂迟滞逆模型控制器结构
  • 4.2.3 复杂迟滞逆模型控制器中的PID 控制作用
  • 4.3 仿真验证复杂迟滞逆模型控制器
  • 4.3.1 仿真实验参数设定
  • 4.3.2 仿真实验结果
  • 4.4 小结
  • 第五章 音圈电机复杂迟滞逆模型控制算法的实物平台实现
  • 5.1 音圈电机控制平台概述
  • 5.1.1 试验平台音圈电机
  • 5.1.2 Elmo Cello 驱动器
  • 5.1.3 TMS320F2812 DSP 开发板
  • 5.1.4 cSPACE 系统与操作界面
  • 5.2 音圈电机复杂迟滞逆模型控制实现
  • 5.2.1 MATLAB S-function 介绍
  • 5.2.2 基于cSPACE 系统的复杂迟滞逆模型控制系统编程
  • 5.2.3 复杂迟滞逆模型控制效果及其讨论
  • 5.3 音圈电机常规控制方法实现并与复杂迟滞逆模型控制对比
  • 5.4 小结
  • 第六章 结论与展望
  • 6.1 结论
  • 6.2 课题展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 作者读研期间已发表的论文

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