六自由度纳米工作台驱动控制方法及系统研究

论文摘要

微位移驱动技术是精密测量与精密制造的关键技术之一。随着微纳制造技术的快速发展,需求纳米级驱动控制技术的领域越来越多。本学位论文选题来源于国家自然科学基金“纳米三坐标测量机关键技术的研究”,重点研究用于微小器件表面形貌测量的全场并行共焦显微镜关键部件——六自由度纳米工作台的驱动技术及驱动系统,实现微动平台的快速调整、高精度定位和微型化。六自由度纳米工作台采用单层结构,由八个压电陶瓷驱动器并行驱动,因此必须建立工作台位移与各驱动器驱动量之间的关系;压电陶瓷驱动器具有位移分辨率高,体积小,响应快,输出力大,不发热等优点,但其固有的迟滞和蠕变严重影响了它的定位精度;驱动电源的品质直接影响工作台的定位精度,而目前市场上有售的压电陶瓷驱动电源,输出通道数、体积、输出电压稳定性均难以满足课题研制的六自由度微动工作台并行驱动的需求。因此本论文围绕六自由度纳米工作台高精度驱动控制技术开展了系统深入的研究,主要的研究工作和创新点如下:(1)建立六自由度纳米工作台并行驱动控制模型根据六自由度纳米工作台的结构参量,建立了工作台三个移动参量及三个转动参量与八个压电陶瓷驱动器驱动量之间的数学关系。(2)研究压电陶瓷驱动器高精度的开环控制方法所研制的六自由度工作台有微型化要求,没有安装位移传感器的空间,只能采用开环控制。而压电陶瓷驱动器的迟滞、蠕变特性严重影响开环控制精度。因此从压电陶瓷材料的变形机理入手,深入研究了压电陶瓷驱动器的迟滞特性和蠕变特性,提出了压电陶瓷驱动器的“抗迟滞”和“抗蠕变”高精度开环控制方法。实验结果表明:压电陶瓷驱动器的最大迟滞误差下降了90%左右,蠕变误差也减小了一个数量级,定位稳定时间也大大缩短,使通过开环控制实现六自由度的高精度定位成为可能。上述驱动方法已申请2项国家发明专利,其中1项已获批。(3)研制微型化多通道高精度压电陶瓷驱动电源性能良好的驱动电源是实现压电陶瓷高精度定位的关键,本论文研究主要从拓展通道数、降纹波、抗干扰、减小体积和控制放大器工作温度等几个方面入手,自行研制出了微型化低纹波的多通道压电陶瓷驱动电源,并完成了相应的特性标定实验。经测试,八路电源输出电压的非线性误差小于0.05%,分辨率为6mV,静态电压纹波小于9mV,功率带宽可达5kHz,连续输出电流可达1.5A,连续工作8小时电压变化量小于0.01%,体积仅为280*260*120mm(博实三通道压电陶瓷电源体积为385*150*340mm),满足压电陶瓷驱动的要求。(4)六自由度纳米工作台驱动实验研究工作台实际的结构参量与其理论值间存在差异,各驱动器特性也不完全一致,因此对六自由度纳米工作台进行了各自由度的位移特性标定实验,确定了各自由度的驱动特性,并建立了修正后的六自由度并行驱动控制模型,继而对纳米工作台的最终运动精度进行标定,实验验证了前期的研究成果。六自由度纳米工作台的最大重复性误差小于28nm,可以满足全场并行共焦检测插值采样的需求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 微位移驱动技术概述
• 1.2 纳米工作台的研究现状
• 1.3 压电陶瓷驱动电源的发展状况
• 1.4 论文研究来源及主要研究内容
• 第二章 六自由度纳米工作台并行控制方法研究
• 2.1 六自由度纳米工作台整体结构形式设计及分析
• 2.2 六自由度纳米工作台运动控制模型建立
• 2.2.1 微动工作台单自由度运动控制模型
• 2.2.2 微动工作台六自由度相关运动控制模型
• 第三章 压电陶瓷驱动器高精度驱动控制策略研究
• 3.1 压电陶瓷驱动器驱动原理
• 3.2 压电陶瓷基本特性研究及全新控制策略的提出
• 3.2.1 压电陶瓷驱动器的非线性、蠕变和迟滞特性
• 3.2.2 压电陶瓷驱动器产生迟滞和蠕变的微观机理
• 3.2.3 压电陶瓷驱动器全新控制策略的提出
• 3.3 压电陶瓷蠕变特性及抗蠕变驱动方法研究
• 3.3.1 压电陶瓷驱动器蠕变特性研究
• 3.3.2 压电陶瓷抗蠕变驱动方法研究
• 3.4 压电陶瓷驱动器抗迟滞驱动方法研究
• 3.4.1 实验装置及实验研究程序设计
• 3.4.2 实验及结果分析
• 3.5 压电陶瓷非线性修正控制方法研究
• 第四章 多通道压电陶瓷驱动电源研究
• 4.1 多通道压电陶瓷驱动电源整体结构设计
• 4.2 多通道压电陶瓷驱动电源输入接口模块设计
• 4.3 高压功率放大电路模块的设计
• 4.3.1 高压功率放大电路设计
• 4.3.2 高压功率放大电路直流稳压电源设计
• 4.4 高压功率放大电路温度控制系统设计
• 4.4.1 PA93高压功率运算放大器温度特性研究
• 4.4.2 温度控制系统设计
• 4.5 驱动电源的性能标定实验
• 4.5.1 实验装置和测试系统构建
• 4.5.2 电源线性度测试
• 4.5.3 电源输出纹波测试
• 4.5.4 电源漂移测试
• 4.5.5 电源频率响应测试
• 4.6 小结
• 第五章 六自由度工作台驱动特性标定实验
• 5.1 六自由度微动工作台的定位精度分析
• 5.2 六自由度微动工作台特性标定实验
• 5.2.1 实验系统构建
• 5.2.2 工作台运动特性标定实验
• 5.2.3 压电陶瓷驱动器精确驱动控制模型
• 5.3 工作台最终驱动特性标定实验
• 第六章 总结与展望
• 6.1 研究工作的总结
• 6.2 研究工作的展望
• 参考文献
• 附录
• 附录1:抗蠕变驱动程序代码
• 附录2:抗迟滞驱动程序代码
• 附录3:压电陶瓷驱动电源软件程序代码
• 附录4:六自由度工作台驱动控制程序
• 攻读博士学位期间发表论文及成果