全压电驱动的二维大行程纳米定位平台研究

摘要

随着先进加工制造，微电子工程，生物医学工程、光学精密工程等现代科学技术的快速发展，这对精密定位技术提出了越来越高的要求，不但要求具有纳米级定位精度，而且需要能够实现大行程跨尺度定位。然而大行程和高精度是一对不可兼得的矛盾体，研究如何在大行程范围内快速、稳定地实现纳米级定位，开展大行程跨尺度精密定位的研究具有重大的理论和现实意义。
　　本文针对国家863重大项目“微细结构跨尺度高分辨层析成像与检测系统”对大行程跨尺度纳米定位的要求，基于宏微结合和全压电驱动的思想，结合压电马达和压电陶瓷的全压电驱动方式，研制了全压电驱动的二维大行程纳米定位平台。根据课题要求，首先对大行程纳米定位平台系统进行了定位方案和总体结构设计，整个定位平台系统由压电马达驱动的大行程定位平台和压电陶瓷驱动的微动定位平台组成。并且对定位平台系统的各主要组成部分进行了工作机理分析和对比选型分析，在此基础上提出了全压电驱动定位控制原理，并在理论上建立了该定位系统的动力学模型。
　　其次，采用了等效电路法和运动学方法，建立了压电马达驱动的定位平台的等效电路模型，得到了系统模型传递函数。研究了压电马达驱动定位系统控制方法，基于压电马达AC连续驱动模式和DC扫描模式提出了一种跨尺度纳米定位方法，采用增量式PID算法实现了定位系统稳定输出和高动态响应。对压电陶瓷驱动的微动定位平台进行了结构设计，并从理论解析法和有限元仿真两方面对微动台静态、动态性能进行了分析和验证，得到了其铰链基本结构参数、刚度及固有频率，并对其进行了建模分析。
　　最后，分别搭建了压电马达驱动的定位平台以及压电陶瓷驱动的微动定位平台实验测试系统，对所设计的两级压电驱动平台的各项定位性能进行了测试。实验结果表明基于压电马达和压电陶瓷驱动的全压电驱动定位策略可以实现大行程跨尺度纳米定位的要求。
　　本文研究内容属于基础性研究工作，在后期研究中将进行两级压电驱动的定位平台系统集成和大闭环定位控制研究。

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第一章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 课题背景及研究意义

1.3 大行程纳米定位技术研究现状及分析

1.4 主要研究内容

1.5 本章小结

第二章 全压电驱动的二维大行程纳米定位台方案设计

2.1 引言

2.2 大行程纳米定位平台系统总体方案设计

2.3 全压电驱动定位控制原理

2.4 本章小结

第三章 压电马达驱动的定位平台系统建模及控制方法研究

3.1 引言

3.2 压电马达驱动的定位平台建模分析

3.3 压电马达驱动的定位平台控制方法研究

3.4 小结

第四章 压电陶瓷驱动的微动平台设计与建模分析

4.1 引言

4.2 压电陶瓷致动器

4.3 二维微动平台结构设计与分析

4.4 压电陶瓷驱动的微定位平台建模分析

4.5 本章小结

第五章 全压电驱动的定位平台实验研究

5.1 引言

5.2 压电马达驱动的定位平台实验系统搭建

5.3 压电马达驱动的定位平台调试

5.4 压电马达驱动的定位平台实验测试研究

5.5 压电陶瓷驱动的微动定位平台实验测试研究

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间科研成果

致谢