宏/微两级驱动的大行程高精度二维定位平台基础技术研究

论文摘要

本论文以研究大行程、高精度定位平台为主要目的,结合浙江省科技计划（国际合作）项目“纳米级超精密定位平台的研制”（No.2004C24003）,研制了以平面电机及超磁致伸缩致动器为驱动单元,以基于平面电容传感器的二维位移直接解耦测量系统为测量单元的大行程高精度二维定位平台,并进行了动力学分析、优化、控制和相应的技术基础研究与实验研究。第一章阐述了超精密定位平台的研究背景与意义,介绍了其中的驱动与测量技术,综合评述了当前国内外超精密定位平台大行程驱动方式、两级驱动方式以及位移测量技术的研究现状及其发展趋势,重点分析了实现大行程高精度二维定位的若干基础技术。最后给出了论文的主要研究内容,阐述了各章节结构之间的关系。第二章研究了超磁致伸缩致动器的动态磁滞模型。在致动器（准）静态磁滞模型的基础上,结合涡流阻抗的估算方法,建立了致动器在不同频率下的动态模型;研究了动态模型的数值计算方法,并对仿真与实验结果进行了对比分析。第三章根据超磁滞伸缩致动器（GMA）微动平台的磁、机特性,推导了GMA微动平台的动力学模型;建立了基于一阶有限差分-强跟踪滤波的扩展卡尔曼-布斯滤波方法,对GMA微动平台的位移测量信号进行滤波:并对所提滤波方法进行了仿真分析与实验验证。第四章研究了基于磁滞逆补偿的超磁致伸缩致动器自适应控制方法。采用二分法数值求解超磁滞伸缩致动器（GMA）（准）静态与动态磁滞全逆模型,并将逆模型应用于GMA精密定位控制系统的前馈补偿环节。对模糊PID控制、广义最小方差—模糊PID控制以及广义预测PID控制等自适应控制算法的控制效率、控制精度进行了仿真与实验研究。利用磁滞前馈逆补偿结合多模广义预测PID控制算法,提高GMA微动平台的定位精度和起动阶段的平稳性。第五章针对二维位移的测量,提出了基于平面电容传感器原理、具有直接解耦效果的二维位移测量方法。对比了无限大平行板电容器电容量计算公式、Hereen模型、MAXWELL静电场理论以及有限元等四种电容量计算方法的计算结果,在此基础上计算了传感器的灵敏度。最后,结合灵敏度指标对传感器的结构参数进行了设计。第六章研制了基于平面电容传感器的二维位移直接解耦测量系统。研究了基于平面电容传感器的二维位移直接解耦测量系统研制所采用的主要技术:采用电荷放大器检测电路对传感器输出微弱信号进行放大检测,以消除PCS分布电容的影响;采用锁相检测原理对检出的信号进行相敏解调,以消除由检测电路寄生电容造成的相移;利用研制的传感器所产生的相位若为90度的两路信号进行运动辨向、1/4周期计数、相位细分以及位移量整合计算;最后,叙述了测量系统所采用的抗干扰技术。第七章进行了宏/微两级驱动的大行程高精度二维定位系统实验研究。构建了宏/微驱动二维大行程精密定位实验平台,以及基于平面电容传感器的测量系统实验平台,对其进行了实验研究,分析了影响平台性能的主要因素。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究的背景及意义
• 1.2 国内外关于精密定位平台的研究现状
• 1.2.1 大行程高精度定位平台的研究现状
• 1.2.2 两级驱动精密定位平台的驱动技术
• 1.2.3 位移测量技术的研究现状
• 1.3 大行程高精度定位平台的关键技术
• 1.4 论文主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 超磁致伸缩致动器的动态磁滞模型研究
• 2.1 引言
• 2.2 超磁致伸缩致动器的结构与工作原理
• 2.3 超磁致伸缩致动器的准静态（静态）Jiles-Atherton磁滞模型
• 2.4 超磁致伸缩致动器的动态Jiles-Atherton磁滞模型
• 2.4.1 涡流损耗的表现形式
• 2.4.2 涡流阻抗的估算
• 2.5 超磁致伸缩致动器动态Jiles-Atherton磁滞模型的数值求解
• 2.6 超磁致伸缩致动器动态模型仿真与实验研究
• 2.7 本章小结
• 第三章 位移测量信号的在线滤波方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 基于超磁致伸缩致动器驱动的微驱动平台动力学模型
• 3.3 一阶有限差分及强跟踪滤波基本理论
• 3.4 基于一阶有限差分及强跟踪滤波的扩展卡尔曼-布斯滤波
• 3.5 基于扩展卡尔曼-布斯滤波的位移测量信号滤波仿真分析
• 3.6 基于扩展卡尔曼-布斯滤波的位移测量信号滤波实验研究
• 3.7 本章小结
• 第四章 基于磁滞逆补偿的超磁致伸缩致动器自适应控制方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 Jiles-Atherton磁滞全逆模型的数值求解及仿真
• 4.2.1 准静态（静态）磁滞全逆模型的数值求解及仿真
• 4.2.2 动态磁滞全逆模型的数值求解及仿真
• 4.3 基于磁滞逆补偿的超磁致伸缩致动器自适应控制
• 4.3.1 基于磁滞逆补偿的自适应控制方法
• 4.3.2 多种自适应控制方法的仿真分析
• 4.4 基于磁滞逆补偿的超磁致伸缩致动器多模自适应控制
• 4.4.1 多模自适应控制系统的基本构成与工作原理
• 4.4.2 控制模式切换条件
• 4.5 基于磁滞逆补偿的超磁致伸缩致动器控制实验研究
• 4.5.1 超磁致伸缩致动器的磁滞逆补偿实验
• 4.5.2 多种自适应控制方法的实验研究
• 4.5.3 基于磁滞逆补偿的超磁致伸缩致动器多模自适应控制实验
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于平面电容传感器的二维位移直接解祸测量方法研究
• 5.1 引言
• 5.2 基于平面电容传感器的二维位移直接解耦测量原理
• 5.2.1 二维位移直接解耦测量原理
• 5.2.2 辨向功能扩展
• 5.3 平面电容传感器电容量的计算
• 5.4 平面电容传感器灵敏度的计算
• 5.5 平面电容传感器结构参数设计
• 5.6 本章小结
• 第六章 基于平面电容传感器的二维位移直接解耦测量系统研制
• 6.1 引言
• 6.2 信号检测与调理
• 6.3 辨向与位移测量
• 6.3.1 运动辨向
• 6.3.2 1/4周期计数
• 6.3.3 相位细分
• 6.3.4 位移量整合计算
• 6.4 抗干扰技术
• 6.5 本章小结
• 第七章 宏/微两级驱动的大行程高精度二维定位平台实验研究
• 7.1 引言
• 7.2 定位平台的构建
• 7.3 定位平台的重复定位精度与定位精度实验研究
• 7.3.1 宏定位系统实验研究
• 7.3.2 微定位系统实验研究
• 7.3.3 宏/微两级驱动定位系统实验研究
• 7.4 二维位移直接解耦测量系统测试平台的构建
• 7.5 二维位移直接解耦测量系统实验研究
• 7.5.1 直接解耦测量原理的验证
• 7.5.2 检测电路的零漂测量
• 7.5.3 线性度测量
• 7.5.4 分辨率和灵敏度测量
• 7.5.5 重复精度的测量
• 7.6 影响平台性能的主要因素分析
• 7.7 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 研究展望
• 作者攻读博士学位期间发表的学术论文、获得的科研成果、参加的科研项目
• 发表的学术论文
• 获授权（申请）专利
• 参加的科研项目
• 参考文献