电磁悬浮静电驱动旋转微镜控制系统设计

为了实现对电磁悬浮微镜绕轴向-180°到+180°角度的旋转控制.对该系统所采用的电磁悬浮、静电驱动、转角闭环控制等进行研究。首先,设计和制造了电磁悬浮微镜的定子和转子结构。接着,对通过线圈的电流频率、电流大小与悬浮高度的关系进行仿真和实验,实验结果和仿真结果基本一致。然后,在分析变电容驱动原理的基础上,进行旋转控制实验,说明在按相序通电情况下,转子能实现旋转。最后,介绍了采用高精度的电容检测的转角闭环控制系统。实验结果表明:在激励电流峰-峰值是0.5A,激励频率为20MHz时,转子悬浮到100μm高度,能够实现指定角度的控制,基本满足电磁悬浮微镜的控制要求。     

静电悬浮转子微陀螺微位移信号检测系统的设计

为实现对悬浮转子微陀螺转子五自由度的测量,提出了一种频分复用的微位移检测原理,主要介绍了多频率信号发生器,前置放大器,锁相放大器组成的测试系统,设计了一种基于DDS技术的多频率信号发生器和基于锁相放大原理的解调电路。实验和分析结果表明,该电路能实现多自由度微位移检测,设计的多频率信号发生器的频率分辨率能达到0．005821Hz,相位分辨率可以达到0．006rad,检测轴向灵敏度为1．34V／μm,检测径向灵敏度为0．092V／μm,测量电路的轴向位移分辨率为0．45nm,径向位移分辨率为6．6nm,转角的分辨率为0．25μrad,位移检测电路的分辨率,灵敏度和测量范围能够满足静电悬浮转子微陀螺的控制需要。     

静电悬浮微陀螺系统模型的研究

静电悬浮微陀螺需要一套支承系统将高速旋转的环形转子稳定地悬浮在电极环腔中心.在推导被控对象静电力模型的基础上,构建了静电悬浮系统的5轴闭环控制模型,利用该模型分析了悬浮微陀螺的加速度/角速率测量原理,设计了基于数字控制的支承线路.依据敏感表头的结构参数确定了支承线路的电参数,结合悬浮系统性能指标,通过反复仿真来设计控制器参数,分析了悬浮系统的闭环动态特性、刚度特性和抗过载能力.对数字控制器的扫频结果表明:考虑采样频率引起的相位滞后,在剪切频率附近相位误差小超过15°.     

悬浮转子式微陀螺的反电动势转速检测

根据液浮转子式微陀螺闭环驱动系统对转子转速测量的需求,提出了一种适用于悬浮转子式微陀螺的反电动势转速检测方法.根据楞次定律,永磁转子在附有检测线圈的定子中转动时,会切割磁感线感应出反电动势.对反电动势信号进行分析,即可测得转子的转速.由于检测线圈与驱动线圈共用定子铁芯,这种检测方法在降低定于结构复杂度的同时,也引入了矩形波驱动信号带来的毛刺干扰.干扰信号经过模拟低通滤波器衰减后,通过模数转换器转换为数字信号.该信号通过单片机上运行的过零检测算法处理后,即可得到当前转子的转速.测试结果表明,该转速检测系统在刷新率为4 Hz、转速达到5 000 r/min以上时,测量值的相对误差在0.3％以内,其非线性误差为0.41％,能够满足对悬浮转子式微陀螺转速进行检测的要求.     

光纤传感测量系统在超导转子旋转装置中的应用

介绍了超导转子旋转驱动原理以及应用在超导转子旋转装置中的一种光纤传感测量系统。光纤传感测量系统包括微位移光纤传感器、转速光纤传感器、电机控制光纤传感器和信号读取图形,该系统能够进行转子悬浮微位移和旋转速度的测量并提供转子旋转所需的控制信号。在4.2K低温下进行了转子悬浮旋转实验,超导球形转子悬浮微位移测量分辨率为10μm,转子转速达到了1013rpm。实验结果为进一步应用光纤传感测量系统精确监控超导转子工作姿态提供了参考。     

磁悬浮转子微陀螺中转子微加工方法的研究

微陀螺是微小卫星、微飞行器等装备中不可缺少的惯性器件，磁悬浮转子陀螺能克服机械支承和定位的摩擦，使之可以达到普通陀螺的精度要求。本文介绍了磁悬浮转子微陀螺的基本原理，根据产生电涡流、保持稳定悬浮和旋转的需求，对转子进行了设计，对比研究了溅射、蒸镀、冲压等三种加工微转子的方法，悬浮试验证明冲压铝箔法制备的转子能够满足微陀螺的要求。     

小型无轴承永磁薄片电动机设计

针对小型无轴承永磁薄片电动机的设计要求，基于理论计算与有限元仿真设计定、转子，并以转矩和悬浮力为目标设计电动机转矩绕组与悬浮绕组，以转子旋转坐标系为基础设计转子悬浮力直接控制策略。建立仿真模型对转子起浮及电动机升速过程进行仿真，仿真分析表明电动机起浮响应速度快，运行稳定。并搭建试验台进行验证，试验结果表明转子静浮时振动不超过±5μm,转速达到2 000 r/min时振动不超过±40μm,实现了电动机的稳定悬浮及旋转。     

磁悬浮转子陀螺的研究进展

悬浮转子陀螺具有精度高的潜在优点,并可同时测量二轴角速度和三轴加速度.它可分为静电悬浮转子与磁悬浮转子陀螺两种类型.本文就国内外研究的磁悬浮转子陀螺的各种结构及其工作原理、工艺和性能特点进行了阐述,特别是对磁悬浮转子微陀螺发展的最新进展作了较详细的介绍.     

悬浮式球转子压电作动器的设计及实验研究

针对机械转子式陀螺仪对支承和高转速的特定要求,设计出一种兰杰文振子和压电圆盘复合驱动的定子,从而在定子振动输出面获得足够振幅的行波运动,实现对球转子的超声近场非接触支承和高速驱动。对圆盘定子进行了结构动力学设计,使其工作频率与兰杰文振子频率基本一致。样机模态实验表明复合定子频率一致性较好。通过悬浮高度和转速测试发现,转子悬浮稳定,转速与驱动频率有关,在200 V激励电压下的共振频率附近可获得最大转速3 880  r/min。     

轴向磁化永磁微电机最小尺寸分析及定转子制作

在轴向磁化永磁电机设计中,为研究尺寸效应对其性能的影响,采用基于单元边的有限元方法对这种双转子电机的转矩进行了仿真计算,得出了轴向磁化永磁微电机定子线圈线宽和线间距均为50μm的最佳布线密度;分析了电机在结构、转矩和气隙磁场多方面因素共同限制下所能达到的最小尺寸,即精密机械意义上的能满足实际应用的最小电机直径为10 mm,厚4 mm,通以0.1 A的电流时能获得47μN.m的转矩。并采用一体化多极磁化方法和深刻蚀成型电铸工艺分别制作了直径为10 mm电机的转子永磁体和硅片上的平面定子线圈。分析方法和结果可对该类电机微小型化过程中的设计起指导作用。