一种多稳态电磁微驱动器结构设计及应用研究.pdfVIP

摘要

电磁微驱动器具有行程大、作用力大、造价低廉以及对工作环境的要求低等优点，

在微机电系统产品设计、精密操作、微输送/定位等领域具有广泛的应用需求。目前，

在基于模拟信号控制的电磁微驱动器中，大量反馈传感器的安装造成微型器件集成困

难，不利于微机电系统对微型化的设计需求，持续的能量输入使系统能耗增高，尤其

是在高频工况下受焦耳热影响较为突出等问题。针对上述问题，本文设计了一种新型

的多稳态电磁微驱动器，并探求了其应用，其主要研究内容如下：

（1）结合电磁驱动原理和磁吸保持原理，设计了一种多稳态电磁微驱动器，该驱

动器采用开环控制，具有三个方向的运动自由度，可在其行程内十二个离散位置（包

含六个稳态位置）之间灵活切换。相比于传统微驱动器，控制简单，结构紧凑，有效

地改善了系统的集成水平，仅在执行驱动操作中输入能量，降低了系统的能耗负担。

（2）加工并搭建了该驱动器的实验样机及系统的实验平台；结合仿真和实验结果

对比分析了执行部件MPM在不同运动阶段所展现的动态性能，其最大平均速度达

133.3mm/s，验证了仿真模型的准确性和该微驱动器设计的合理性；通过表面温升测试

排除了载流元器件因过热产生故障的风险。

（3）探究了多稳态电磁微驱动器的应用——微定位装置，该装置由三个微驱动器

模块所构成，并基于惯性驱动原理为其设计了驱动方案。该定位装置具有平面二自由

度的线性定位能力及绕z轴的旋转定位能力，可实现微米级的定位精度，并达到毫米

级的输出行程。采用遗传算法对微定位装置的结构参数进行了多目标优化。

（4）搭建了微定位装置的实验平台并设计了该装置的开环控制系统。以实际定位

需求为依据，开展了多项实验以测试其定位性能。实验结果表明：该装置的最小定位

步长值可达71.05μm/0.02°，最高负载质量可达16.8g。

关键词：电磁微驱动器；多稳态结构；微定位装置；开环控制

论文类型：应用研究

ABSTRACT

Electromagneticmicro-actuatorhastheadvantagesoflargestroke,largeforce,lowcost,and

lowrequirementsfortheworkingconditions.Ithasawiderangeofapplicationsinthefields

ofMEMSproductdesign,precisionoperation,microconveyance/positioning,etc.

Nowadays,inelectromagneticmicroactuatorsbasedonanalogsignalcontrol,the

installationofmanyfeedbacksensorsinthemicro-actuatorscontrolledbyanalogsignals

makesitdifficulttointegratemicro-devices,whichisnotconducivetothedesign

requirementsofMEMSforminiaturization,andthecontinuousenergyinputfurther

increasesthesystemenergyconsumption,especiallyunderhighfrequencyconditions,which

areseriouslyaffectedbyJouleheateffect.Aimingattheaboveproblems,anewtypeof

multi-stableelectromagneticmicro-actuatorisdesigned,anditsapplicationisexplored.The

mainresea