Исследование и разработка прецизионного планарного электропривода

• Автор: Тяпкин, Михаил Геннадьевич
• Шифр специальности: 05.09.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 165 с. : ил.

Аннотация.
В работе приводятся результаты исследования и разработки прецизионного планарного электропривода на базе планарного линейного шагового двигателя. Основное внимание в диссертационной работе уделяется разработке способов увеличения точности при сохранении стоимости комплектного планарного электропривода. Показано, что значительное увеличение точности может быть достигнуто за счет разработки емкостной системы измерения положения и калибровки планарного электропривода.
Приводятся результаты разработки емкостной системы измерения положения планарного электропривода, подробно описаны алгоритмы цифровой обработки сигналов и автоматического повышения точности. По результатам аттестации с помощью эталонной измерительной системы на базе лазерных интерферометров показано, что емкостная система измерения положения обладает субмикронными разрешением и повторяемостью.
Приводятся результаты разработки средств и методов аттестации точности планарного электропривода, представлен метод исключения погрешности измерения. Проведена аттестация точности разработанного прототипа планарного электропривода с интегрированной емкостной системой измерения. Подробно описан метод калибровки планарного электропривода по всей рабочей плоскости, позволяющий значительно сократить размеры калибровочной таблицы. Ожидаемым результатом калибровки планарного электропривода является увеличение точности позиционирования до величин не хуже ±2.5 мкм, что дает хорошие перспективы его использования в современной микроэлектронной промышленности.

Содержание.
Введение
В.1. Объект исследования
В.2. Обзор мировых образцов прецизионного планарного электропривода
В.З. Цель и задачи работы
В.4. Краткое содержание разделов
Глава 1. Исследование способов увеличения точности планарного электропривода.22 1.1. Система управления прецизионного планарного электропривода
1.1.1. Конфигурация прецизионного планарного электропривода
1.1.2. Структура управления планарного электропривода
1.1.3. Математическая модель планарного двигателя
1.1.3.1. Описание планарного двигателя ЬМ8РХ
1.1.3.2. Математическое описание планарного вентильного двигателя
1.1.3.2.1. Математическое описание идеализированного линейного шагового двигателя в неподвижных координатах
1.1.3.2.2. Математическое описание идеализированного линейного шагового двигателя в подвижных координатах
1.1.3.3. Планарный вентильный двигатель
1.1.3.3.1. Структура планарного вентильного двигателя
1.1.3.3.2. Расчет параметров регуляторов тока
1.1.4. Управление вентильным двигателем с учетом ограничений по току и напряжению
1.1.4.1. Ограничения электропривода
1.1.4.2. Управление с учетом ограничений по току
1.1.4.3. Управление с учетом ограничений по току и напряжению
1.1.4.3.1. Общий вид механических характеристик вентильного двигателя с токовым управлением
1.1.4.2.2. Характеристики минимума потерь и ослабления поля
1.1.4.2.3. Расширение диапазона регулирования скорости планарного вентильного двигателя
1.1.5. Генератор траектории
1.2. Система измерения положения планарного электропривода
1.2.1. Индуктивные датчики положения
1.2.2. Оптические датчики положения
1.2.3. Емкостные датчики положения
1.3. Способы увеличения точности планарного электропривода
Глава 2. Емкостная система измерения положения
2.1. Принцип действия емкостного датчика положения
2.2. Функциональная схема емкостной системы измерения положения
2.3. Оптимизация формы чувствительного элемента
2.3.1. Оптимизация расстояния между электродами датчика и поверхностью статора планарного двигателя
2.3.2. Оптимизация ширины электродов
2.3.3. Оптимизация скоса электродов
2.3.4. Чувствительность к поперечной модуляции
2.3.5. Эффект разворота
2.3.6. Результаты оптимизации чувствительного элемента
2.4. Аппаратная обработка сигналов емкостного датчика положения
2.5. Цифровая обработка сигналов емкостного датчика положения
2.5.1. Демодуляция сигналов
2.5.2. Методы вычисления положения
2.5.3. Методы фильтрации сигналов
2.5.4. Коррекция сигналов
2.5.4.1. Методы коррекции сигналов
2.5.4.2. Коррекция сигналов емкостного датчика положения
2.5.5. Выравнивание сигналов датчиков
2.6. Установка емкостной системы измерения положения в якорь планарного двигателя.
2.7. Тестирование емкостной системы измерения положения
2.7.1. Инициализация емкостной системы измерения положения
2.7.2. Разрешение емкостной системы измерения положения
2.7.3. Зависимость сигналов емкостной системы измерения положения от величины воздушного зазора
2.7.4. Проверка работы емкостной системы измерения положения на большой скорости
Глава 3. Аттестация точности планарного электропровода с емкостной системой измерения положения
3.1. Аттестационный стенд планарного электропривода

и, = т„+- Ш'Р, =л/„ + А ^ - ©АА,

СІ/ СІ/
^ = *А + А ~+“'А = *А + А ^• (ал+ хр"1 ^
где со= р-У~электрическая скорость.
При этом индуктивности фаз в идеализированном случае равны:
А= А = А + А •
Уравнение электрического равновесия в матричной форме имеет вид:

А;, = л-А0+А„^-«-т,0,

где А/, =

■ вектор напряжения по осям и д,

- вектора тока,

ММч '

(1.28)
(1.29)
(1.30)
■ матрица индуктивностей,
- вектор первой гармоники потокосцепления возбуждения.
Уравнение (1.26) примет вид (для осевого двигателя 261):

Ап = А,и +А.Л-1 +А«,.Л-, = А*Аг А.л і ~'
■8Іп(4Є^).
(1.31)
1.1.3.3. Планарный вентильный двигатель.
1.1.3.3.1. Структура планарного вентильного двигателя.
ПВД строится на базе четырех вентильных двигателей. ВД с аналоговым усилителем тока (рис. 1.9) состоит из ЛШД, датчика положения, аналогового усилителя с регулятором тока, и обратной связью по току, цифроаналогового преобразователя (ЦАП), ЗТ и координатного преобразователя {dq/сф).