磁悬浮式微动工作台驱动方案的设计与实现

　　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.