معرفي، شبيه سازي و بررسي تجربي موقعيت دهنده صفحه اي اجسام مبتني بر تكنولوژي موتور سنكرون خطي با آهن رباي دائم

Introduction, Simulation and Experimental Investigation of a Planar Positioner Based on Permanent Magnet Linear Synchronous Motor Technology

هدف از پژوهش حاضر، طراحي و ساخت عملگري است كه با استفاده از نيروهاي عكس العمل ميان سيم پيچ هاي حامل جريان در استاتور و چيدماني از آهن رباي دائمي (چيدمان هالباخ) متصل به متحرك، جابه جايي يك پايه متحرك و موقعيت دهي اجسام انجام گيرد. به اين ترتيب با توجه به موقعيت اوليه و موقعيت مطلوب توزيع جريان در سيم پيچ هاي استاتور به گونه اي تغيير مي كند تا نيروي لازم براي انتقال متحرك به موقعيت مطلوب فراهم شود. در اين پژوهش از تركيب موتورهاي سنكرون خطي با آهن رباهاي دائمي براي ايجاد حركت در دو بعد استفاده مي شود. استاتور شامل دو دسته سيم پيچ مستطيلي است كه به صورت عمود برهم نصب شده اند. متحرك شامل چهار چيدمان آهن ربا هالباخ تخت است. دو چيدمان براي ايجاد حركت در راستاي x و دو چيدمان ديگر به منظور ايجاد حركت در راستاي y مورد استفاده قرار مي گيرد. ابتدا رابطه بين نيرو و كاموتاسيون جريان به شكل تحليلي ارائه شد، سپس پارامتر هاي طراحي از قبيل ابعاد متحرك و فضاي كاري انتخاب شده و متناسب با آنها، ابعاد آهن رباهاي مورد نياز براي ساخت چيدمان تعيين شد و با توجه به ابعاد چيدمان، ابعاد و تعداد دور سيم پيچ ها نيز مشخص شد. با استفاده از پارامتر هاي طراحي به روابط كاموتاسيون، شبيه سازي حركت صفحه اي عملگر انجام گرفت. نتايج به دست آمده مطابقت زيادي با روابط تحليلي داشت. آزمايش هاي تجربي براي بررسي قابليت موقعيت دهي و حركت دو بعدي متحرك انجام گرفت. دقت عملگر ساخته شده 5ميلي متر و حداقل زمان پاسخ براي عملگر 0/5ثانيه است. كمترين مقدار خطا در موقعيت 25ميلي متري اتفاق مي افتد. علت آن مي تواند در نزديك بودن اين موقعيت به دوره ي تناوب مغناطيسي موتور باشد.

The aim of this research is to design and fabricate an actuator, which operates based on reaction forces between current carrying stator coils and magnetic arrays (Halbach arrays) connected to the mover, in order to move a motion stage for positioning objects. Thus, according to the initial and intended position of the mover, current commutation in stator coils is changed in a way that required force for transporting the mover to the desired position is provided. In this research, the integration of two perpendicular synchronous linear motors is utilized in order to create the planar motion. The stator consists of two sets of rectangular coils, which are placed perpendicular to each other. Mover consists of four Halbach arrays, which two Halbach arrays are used for x-axis motion and the other two arrays are used for y-axis motion. First, the analytic relationship between the applied magnetic force and current commutation was introduced. Then, the design parameters such as mover dimensions and stator workspace were determined. Concerning these parameters, dimensions of cubic magnets for Halbach array fabrication were obtained and with respect to array dimensions, the dimensions and number of turns for stator coils were determined. Using these design parameters and commutation equations, the planar motion of the actuator was simulated. The simulation results showed good agreement with the analytical results. Experimental tests were conducted in order to investigate the positioning capabilities and 2 dimensional motion. The precision of the fabricated actuator is 5mm and the minimum response time of actuator is 0.5sec. The minimum position error occurs at 25mm position that is due to the closeness to motor magnetic period.