直线电机驱动高性能工作台运动控制

 

系统的建模及仿真

 

 

齐 畅     刘 强 

北京航空航天大学机械工程及自动化学院 ASM-BUAA 运动控制研究中心 100083 

 

摘要：高速、高加速、高精度的 XY 工作台的运动系统具有高阶次、多变量、时变性、非线性、强耦合等特

点，其建模过程十分复杂，本文分析了一种直线电机驱动的高性能工作台运动控制系统的运动特点，将工
作台动态分为主运动和多个附加振动，基于动力学原理，建立了全面反映系统动态特性的数学模型，在
Matlab/Simulink 环境下进行计算仿真，仿真结果与实验测试结果的比较表明，所建模型在较宽的频率范
围内反映了工作台运动系统的动态特点，可以较好地分析和解释工作台运动频率特性的多种现象。 

关键词：运动控制，动态建模，计算机仿真，工作台 

中文分类号：TF703 

 

引言： 

本文所研究的工作平台是现代集成电路制造和封装设备的核心部件，具有高速度（

min

/

48m

>

）、高

加速度运动（最大加速度可达 g

6 ）、精确定位（精度

m

µ

1

〈

级）的特点

，

即具有很高的动态性能。因此，对

象在运动中的高阶次、多变量、时变性、非线性、强耦合成为影响系统动态特性的重要因素。为了进一步
提高工作台的工作性能，需要研究工作台的动态特性，因而建立系统的精确数学模型是至关重要的。

 

工作台直线电机驱动部分已经有了较为精确的数学模型，本文主要建立机械部分的数学模型，对其进

行仿真，并与实验结果比较，验证模型的准确性。本文的研究目的是建立可描述系统在较宽频带范围内动
态特性的参数化数学模型，以分析影响系统动态性能的因素，为其机械结构改进设计和新控制算法的研究，
提高系统的动态特性，提供理论依据和可用于仿真研究的对象模型。

 

 

1. 

模型的建立 

 

由于工作台系统很复杂，建模时根据需要对系统进行了一定的简化，并做出了相应的假设。假设如下：

 

（

1）  不考虑动子上垂直作用力、运动以及振动； 

（

2）  在两侧导轨所加的预紧力均匀且相等； 

（

3）  不考虑滚子打滑以及其他异常现象； 

（

4）  轴位置反馈无滞后； 

（

5）  工作台所有负载质量对称； 

从振动分析观点看，复杂的动力学系统，由无限个质点组成，这里使用质点动力学方法，把所研究的

对象以及外界对它的作用简化为一个力学模型。该模型既要简单，又要与实际研究对象动态特性等效

[1]

。