摘 要: 磁悬浮式微动工作台由于运动平台和驱动机构采用非接触式的磁悬浮驱动技术而易于实现大范围高精度的微运动. 本文论述了磁悬浮式微动工作台驱动电路的主要性能参数、驱动方案的选择, 设计了两种驱动电路, 并进行了实验研究,最后根据试验结果对两种驱动电路进行分析比较, 得出了满足该磁悬浮式微动工作台运动要求的驱动方法, 为磁悬浮式微动工作台的整体设计及其控制提供了技术支持.
关键词: 磁悬浮; 微动工作台; 驱动电路
微动工作台是微米/ 纳米科学技术研究应必备的关键仪器设备, 为从事微米/ 纳米科学技术研究提供一维、二维或三维的微运动. 概括国内外的微动工作台有: 柔性铰链机构微动工作台、滚珠丝杆微动工作台、滑动导轨微动工作台、气浮式微动工作台和磁悬浮式微动工作台等五大类[ 1] . 在这些实现精密运动的微动工作台中, 有一共同的关键部件——驱动电路系统, 通过它才能给各种工作台提供合适的电流或电压, 从而输出所需功率来驱动它们运动, 例如: 驱动电路通过驱动电机运转带动滚珠丝杆微动工作台运行[ 2] , 驱动电路通过驱动压电陶瓷PZT 来使其伸缩达到驱动柔性铰链机构微动工作台实现微运动[ 3-4] . 可见, 驱动电路系统是精密仪器设备的核心之一, 在实现微运动方面起着至关重要的作用.
磁悬浮式微动工作台由于运动平台和驱动机构采用非接触式的磁悬浮驱动技术, 消除了摩擦、磨损对运动精度造成的影响, 因此, 易于实现大范围高精度的微运动, 是近年来国内外微运动技术研究的热点[ 5-9] . 磁悬浮式微动工作台一般由电磁悬浮机构、驱动电路、精密测量和运动控制等部分组成, 其中,驱动电路部分是磁悬浮式微动工作台实现微米/ 纳米级微运动的关键基础.
1 磁悬浮式微运动驱动方案选择
磁悬浮式微动工作台的结构如图1 所示, 四组永磁阵列分别嵌入在运动平台底面的四边中间, 与之对应布置四组定子绕组, 运动平台在永磁阵列和定子绕组的电磁力的相互作用下被浮起和产生运动, 通过控制通入四组定子绕组电压或电流的大小和方向, 可实现运动平台x 、y、z 、Hx 、Hy 、Hz 6 个自由度的微运动.
经过对该磁悬浮式微动工作台的理论分析[ 10] ,对驱动电路的要求为: 相电流: 0~ 1. 1 A, 相电压: 0~ 15 V, 每个定子所要达到的功率5. 4 W.
按照电磁驱动控制对象的受控方式, 可把功率放大器分成驱动电流控制和驱动电压控制两种. 驱动电压控制和驱动电流控制各有所长. 驱动电压控制的优点是: ① 装置的模型更为精确, 因而鲁棒性更好; ② 开环不稳定性较弱; ③ 刚度较低, 易于实现. 而驱动电流控制的优点有: ① 控制装置描述简单, 可满足大多数应用场合; ② 易实现简单的PD或PID 控制. 驱动电压控制的主要应用领域是大型或超大型系统, 例如磁悬浮火车. 对于大多数小型系统而言, 驱动电流控制是可以满足的, 特别是当功率放大器的峰值输出电压成倍地高出工作点电压时,允许忽略放大器中电流控制回路的动力学影响. 所以在本文中采用了驱动电流控制方案.
该驱动电路是以大功率运算放大器为核心的功率放大电路, 因此对于功放芯片的选择是至关重要的. 根据开关管工作方式的不同, 功率放大电路可分为线性功放和开关功放两种, 前者的优点是功放稳定度、负载稳定度高, 输出纹波电压小, 瞬态响应快,结构简单, 技术成熟, 但功耗大、体积大. 开关功放的优点是功耗小, 效率高, 体积小, 缺点是电流纹波较大. 考虑到磁悬浮式微动工作台需要稳定的电流使运动平台处于稳定, 不致于波动太大, 所以本文采用了线性功率放大器.
2 驱动电路设计
本文设计的磁悬浮式微动工作台的驱动系统总体框图如图2 所示:
主要由差分放大、反馈放大、功率放大三部分组成.输入信号V in 是从计算机PC 经D/ A 转换后输入,差分放大兼有低通滤波的作用, 反馈回路用来保证电流回路的稳定性.
针对该驱动方案本文设计和选择了两种具体实现电路, 进行分析比较, 分别是以LM1875 和PA12A 这两种大电流大电压输出的功放为核心的功率驱动放大电路. 两种芯片的显著特点是当在大功率输出时仍能保持低失真的性能, 有较好的线性度, 并且有良好的过载保护, 在电流过大、温度过高时不至于烧坏芯片. 两种驱动电路的实现分别如图3、4 所示. 两种驱动电路的差分放大、反馈放大采用了T I 公司的TL072ACP 双通道运算放大器, 主要起到反相放大作用, 并对高频噪声等外界的干扰信号加以滤波; 由0. 01 uF 和27 k欧 组成的反馈环节1用来补偿控制回路, 从而保证了反馈放大器的闭环回路的带宽1. 6 kHz; 功放部分的输出直接接到定子绕组, 再通过反馈电阻R9 ( 反馈环节2) 以保证电路的整体稳定. 为了保证电压、电流不至于过大而损坏线圈, 使用了二极管限压、保险管限流保护.
3 实验及结果分析
分别给两种实现电路的LM1875 和PA12A 提供相同的外界电压电源±17 V; 数模转换卡D/ A( DAQ-2501, ADLINK 公司) 为驱动电路提供50Hz 的正弦波作为输入信号; 正弦波幅值以间隔0. 2V 增加, 变化范围从0. 2 V 到2. 0 V, 记录输出到定子绕组的电流值. 实验结果如图5、6 所示.
从上图的试验结果可见两者有较好的线性输出. 图5 电流输出最大可以达到1. 1 A, 在0~ 0. 95A( 系统主要在该范围内运动) 内有很好的线性度,相应的电压输出实际测得0~ 15 V, 能够满足要求.在相同条件下图6 电流最大为0. 7 A , 测得输出电压范围0~ 12 V, 输出线性度较好, 并且可以调节供电电压来提高最大值的输出.
对于图5、图6 结果所产生的原因, 一方面在试验之前通过调节反馈电阻R9 ( 见图3 和图4) 使两者电路都有相似的闭环增益, 从图中可以看出具有类似的输入输出关系. 另一方面主要是由于LM1875在外界电源电压±17 V 下有较大的输入偏置电流220 nA, 而在相同条件下PA12A 只为10 nA. 当输入信号为1. 4 V 以后时在前置运放作用下输入PA12A 时超过10 nA, 使输出达到饱和, 因此图6在此后就几乎处于水平状态; 而LM1875 还远未达到最大输入, 图5 保持上升状态.
与实测值比较得到偏差如表1.
得到其均方误差为: M = 0. 029 3. 线性度理论检验为:
Y接近于1.
以上说明LM1875 电路输入输出具有良好的线性关系. 对PA12A 电路输出数据作以上相同分析, 计算得到线性回归直线:
经过定量分析得出两种实现方法都具有良好的线性度和较小的线性误差, 都能实现驱动目标. 但显然以LM1875 为核心的驱动电路无论在误差方面还是在线性度方面都优于PA12A 驱动电路, 并且PA12A 芯片存在内耗高、效率低、高价格且在高输出时散热慢等缺点, 因此经过综合的分析和评价, 本文认为LM1875 驱动电路无论在性能方面还是在制造成本方面更具有可行性.
4 结 论
驱动电路是磁悬浮式微动工作台实现微运动的关键部分. 本文经过对磁悬浮式微动工作台驱动电路性能参数的论述及驱动方案的选择后, 设计了两种驱动电路. 通过对这两种驱动电路进行分析和试验以后, 得出了以LM1875 为核心的驱动电路在性能、制造成本等方面更具有可行性. 在保证了高功率输出的前提下, 实现了较大电流的输出, 使综合效果达到最优. 为磁悬浮式微动工作台的控制提供了技术支持.
参考文献:
[ 1] 雷勇, 陈本永, 杨元兆, 张丽琼, 王俊茹, 冯平. 纳米级微动工作台现状及发展趋势[ J] . 浙江理工大学学报, 2006. 1: 22-26.
[ 2] 谢传钵. 分步重复投影光刻机精密快速定位工作台研究[ J ] .光电工程, 1996, 23( 4) : 65-72.
[ 3] 薛实福, , 李庆祥. 精密仪器设计[ M ] . 清华大学出版社,1991, 8.
[ 4] Aw ab dy B A. , S hih W C and David M. Au slander. Nanometer Posit ioNIng of a Linear Mot ion St ag e under S tat ic Loads[ J] . IE EE Transact ions on Mechat ronics , 1998, 2 ( 3 ) : 113-120.
[ 5] 宋文荣. 微电子制芯领域中磁悬浮精密定位平台的研究[ D] .[ 博士论文] , 中国科学院, 2002.
[ 6] 李黎川, 丁玉成, 卢秉恒. 超精密磁悬浮工作台及其解耦控制[ J] . 机械工程学报, 2004, 41( 9) : 84-88.
[ 7] Kim W J. H igh-precision pl anar magneti c levit at ion[ D] . [ 博士论文] , U SA: Massachu set t s In st itut e of Technol ogy, 1997.
[ 8] Kuo S K, Shan X M, Menq C H . Large T ravel U lt ra Precisi onx y H Moti on Cont rol of a Magnet ic-S uspension S t age [ J ] .IEEE Trans act ions on Mechat ronics, 2003, 8( 3) : 334- 341.
[ 9] Verma S , Kim W J. Six-Axis Nanoposit ioning Device WithPrecision Magn et ic Levit at ion T echnology [ J ] , IEEE T rans action s on Mechat ronics , 2004, 9( 2) : 384- 391.
[ 10] 雷勇, 陈本永, 张丽琼, 王俊茹, 冯平. 磁悬浮式纳米级微动工作台的理论分析与建模研究[ J ] . 仪器仪表学报, 待发表.
