无传感器原位自调试反模型方法在磁阻执行器中的应用

《Sensors and Actuators A: Physical》：Sensorless In Situ Self-Commissioning Inverse Modeling for Reluctance Actuators

　　

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  该无传感器在线方法仅通过位移信息即可提取参数。
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  能够处理复杂的非线性问题，包括与位移相关的磁通链变化、磁滞现象、涡流以及磁通泄漏等问题。
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  采用混合模型，将物理结构与数据驱动的精确算法相结合。
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  可实现51–64纳米级的跟踪精度，性能优于依赖传感器的方法。

章节要点

引言

与洛伦兹执行器相比，磁阻执行器具有更高的力密度，因此越来越适用于纳米定位和扫描镜等超精密应用领域[1]。然而，其性能会受到诸多严重非线性因素的制约，比如与位移相关的磁通链变化、磁滞现象、涡流以及磁通泄漏等问题[3]。因此，要实现高精度的力反馈控制，就需要有一个能够精确描述这些非线性电磁特性的逆模型

磁阻执行器的逆模型分析

如图1所示，磁阻执行器通常采用包含前馈控制器C_FF和反馈控制器C_FB的二维控制架构来进行控制。为了实现高控制精度，即准确地将指令力F_c转换为实际输出力F，就需要一个能够精确描述非线性电磁特性的逆模型$i(F,x)$。本章将对磁阻执行器的各种非线性特性进行深入分析，并构建出精确的参数逆模型。

无传感器识别方法

本章介绍了所提出的无传感器现场识别方法。为便于理解，该方法从系统层面逐步详细到参数层面：首先介绍软感知原理和安全工作范围，接着阐述用于确定集总模型、精确模型参数以及扩展磁滞特性的三个调试步骤。为避免将硬件假设、安全约束与参数计算方法混为一谈，下文会对相关内容进行区分阐述

验证、应用与对比分析

对采用无传感器方法得到的高精度磁阻执行器混合驱动逆控制模型进行了分两阶段的验证。首先，在没有反馈和控制器的纯开环模式下，验证该逆模型能否将指令力F_c准确转换为实际作用力F；其次，通过加入反馈和前馈控制器，进一步验证该模型在提升控制性能方面的效果。

结论

本文提出了一种针对磁阻执行器的全面无传感器现场自调试逆模型构建框架，可有效解决其存在的非线性耦合问题以及参数对机械装配精度的敏感性问题。该框架采用高精度的混合驱动逆模型，将基于物理原理的分析结构与数据驱动的磁滞补偿机制相结合，既保证了模型的物理合理性，又提升了补偿精度。此外，本文还设计了一种多阶段识别策略，无需借助外部辅助设备即可完成该模型的参数确定

作者贡献说明

王雷杰：负责文章的撰写与修改、模型验证以及相关研究工作。赵宇飞：负责文章初稿的撰写、模型验证、软件开发、方法设计、相关研究工作，同时还承担了形式化分析、数据整理以及概念构思等工作。叶伟楠：负责文章的撰写与修改、模型验证以及数据整理工作。朱宇：负责文章的撰写与修改、项目监督、资源协调、项目管理工作，同时还负责资金筹措以及概念构思等工作。张明：负责文章的撰写与修改、项目监督、资源协调以及资金筹措工作

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关联或个人关系。

致谢

本研究部分得到了中国国家重点研发计划项目（编号：2024YFA1013104）的支持。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关联或个人关系。

赵宇飞于2022年在中国大连理工大学机械工程学院获得机械工程学士学位，目前他正在北京清华大学攻读机械工程博士学位。他的研究方向主要为光刻机中磁阻执行器的建模、设计及控制技术。

赵宇飞|王雷杰|朱宇|叶伟楠|李欣|张明