导读:本文包含了纳米定位平台论文开题报告文献综述及选题提纲参考文献，主要关键词:纳米定位平台,纳米压印,压电陶瓷驱动器,柔性铰链
纳米定位平台论文文献综述
温志杰[1]（2017）在《压电陶瓷驱动纳米定位平台的设计、分析与应用》一文中研究指出纳米定位平台可提供纳米级运动分辨率和定位精度,在集成电路制造、超精密加工等前沿领域具有广泛的应用。以压电陶瓷驱动器及柔顺平台组成的纳米定位平台系统在精密定位技术、扫描探针显微技术以及微操作等高精密加工技术中发挥着重要的作用。近年来纳米制造技术等领域的高速发展,对纳米定位平台的设计、建模、辨识、运动控制以及应用等多方面关键技术提出了挑战。本论文以压电陶瓷驱动纳米定位平台为对象,针对其中的柔顺平台设计、包含非线性迟滞环节的动力学建模与解耦辨识、轨迹跟踪及定位控制,以及纳米定位平台在具体的纳米压印技术中的应用展开研究。首先,提出了基于卡式第二定理的柔性铰链平台分析及设计方法。利用该方法展开静力学分析,并获得平台刚度矩阵的解析表达式。在此基础之上建立系统拉格朗日动力学方程,针对平台刚度及自由度间的耦合度进行了尺寸优化。针对纳米定位平台“迟滞+线性+时滞”环节构成的动力学模型,分析了各环节间在辨识工作中的耦合关系。基于率无关基本假设及谐波线性化等方法,提出了一套解耦辨识策略。针对Bouc-Wen非线性环节辨识方法有限且辨识效率较低等不足,提出一种直接积分法,求解获得模型输出与待辨识参数间的半解析表达,并采用基于梯度的优化方法进行辨识,提高了计算效率。采用谐波线性化方法估算线性环节的实际输入,辨识获得更准确的线性环节参数。提出了一种基于微分求积方法的时滞环节辨识方法。通过辨识实验,验证了解耦辨识策略及针对各环节辨识方法的有效性和优越性。为进一步提高纳米定位平台的定位精度及动态性能,设计了一种时滞控制器。采用本文提出的直接积分法,对包含时滞控制器的闭环系统进行分析,获得系统输出的半解析表达式。在此基础上,根据Floquet稳定性判据计算获得控制器参数稳定域,并利用多层共轭梯度优化方法在参数稳定域内获得最优控制参数。通过实验,验证了本文所设计的时滞控制器可在保证响应速度的同时提高定位精度。将纳米定位平台相关技术应用于纳米压印技术中。开发了一套紫外照射纳米压印实验系统。针对传统纳米压印装备中,用于实现模板与基片间的平行对准的被动式机构刚度较低,回转中心位置限制较严格等不足,利用本文提出的平台设计及分析方法,设计了一种具有力感觉功能的主动式姿态调整机构。通过力传感器监测获得信息推算模板与基片间的角度偏差,并通过六自由度微运动平台调整模板姿态,提高平行度。对纳米压印精对准过程进行了建模,采用本文提出的解耦辨识策略获得了压印精对准过程动力学模型,并设计了控制器。展开纳米压印实验,可实现最小30 nm的图案转移,平行度误差<15 nm。从而验证了本文提出的设计、辨识以及控制方法在实际纳米定位应用中的有效性。(本文来源于《上海交通大学》期刊2017-10-01）
李春霞[2]（2017）在《压电驱动二维纳米定位平台的高速栅格扫描运动控制方法研究》一文中研究指出压电陶瓷驱动纳米定位平台在精密装备中广泛应用,其已成为原子力显微镜(AFM)的关键部件。纳米科技的快速发展对AFM成像速度的要求越来越高,当前高速AFM发展的关键在于保证压电陶瓷驱动纳米定位平台XY平面的高速精密栅格扫描运动。而纳米定位平台的低谐振频率是限制其运动速度的根本因素,目前已有的高刚度柔顺机构设计往往以损失平台的运动行程为代价。平台机械结构的低阻尼谐振模态产生了低增益裕量问题,限制了闭环控制带宽,制约了平台运动速度的提升。压电陶瓷驱动器存在复杂的磁滞非线性,且高频时与系统振动特性耦合,严重影响了平台的运动精度。纳米定位平台X/Y轴间的交叉耦合也限制了其双轴栅格扫描运动精度的提升。本学位论文以压电陶瓷驱动纳米定位平台为研究对象,深入研究了二维高带宽纳米定位平台的机构设计、磁滞非线性补偿、谐振振动抑制以及交叉耦合控制的理论和方法,旨在实现压电陶瓷驱动二维纳米定位平台的高速栅格扫描运动,为其应用于高速AFM提供了基础。论文的主要研究内容如下:设计了压电陶瓷驱动二维并联高带宽纳米定位平台。为实现结构上完全解耦,采用了四组柔性铰链模块对称布局的机械结构。利用卡式定理建立了平台的静力学与动力学模型,以提高机构一阶谐振频率为目标,以平台行程、柔性单元应力满足工作条件为约束,进行了柔顺机构结构参数优化设计。进一步,采用有限元方法对平台性能进行了仿真验证。最后,加工了平台模型并搭建了实验系统对其性能进行实验验证。实验结果表明,所设计的纳米定位平台同时取得了较高的谐振频率、相对较大的行程以及接近解耦的优良性能。针对纳米定位平台栅格扫描运动时需要跟踪的周期性叁角波路径,给出了一种磁滞分解方法,并理论分析得出在周期性输入信号下磁滞非线性对系统的影响可视为周期性干扰。提出了采用改进型重复控制通过抑制周期性干扰来直接消除磁滞非线性,从而避免了磁滞建模及求逆的复杂过程。该方法可以同时补偿由系统振动特性引起的跟踪误差,解决了磁滞非线性与系统振动特性在高频时耦合作用的问题。此外,改进型重复控制改善了传统重复控制对非周期干扰放大的问题。实验结果表明,所提出的控制器有效补偿了由磁滞非线性及振动特性引起的跟踪误差,实现了纳米定位平台对于高频叁角波的精密跟踪。实验分析得出在叁角波路径下磁滞非线性对系统的影响主要分布于叁角波奇次谐波分量处。结合磁滞分解,提出将磁滞非线性视为系统奇次谐波周期性干扰,采用奇次谐波重复控制来抑制磁滞非线性,从而省去了磁滞建模及求逆过程。该方法同样实现了对磁滞非线性与系统振动特性的同时补偿。对奇次谐波重复控制进行了改进以适用于压电陶瓷驱动纳米定位平台的非最小相位特性,并给出了稳定性与鲁棒稳定性定理。相对于传统重复控制,该方法内存使用量减半,更利于实际应用。实验结果表明,所设计的控制器实现了纳米定位平台对叁角波路径的高精度、快速跟踪。提出了递归时滞位置反馈的新型主动阻尼控制方法,并以此为基础设计了双闭环结构的高带宽控制策略。其中,递归时滞位置反馈控制器置于内环,用于抑制平台的谐振振动。为了分析由递归时滞位置反馈引入的中立型时滞系统,提出了一种求解中立型时滞微分方程的数值积分方法,并通过对系统最右极点优化配置来确定控制器参数。对于抑制谐振振动后的系统,在外环设计了高增益位置跟踪控制器,减小由磁滞非线性、模型不确定性及外界干扰引起的跟踪误差。实验结果表明,所提出控制器有效提升了系统控制带宽,实现了高精度运动控制,同时对系统谐振频率变化具有鲁棒性。针对纳米定位平台栅格扫描运动中快轴对慢轴的耦合影响,提出了一种基于改进型重复控制的耦合补偿方法。实验分析发现,在栅格扫描运动中快轴对慢轴的耦合影响可视为慢轴输出端的周期性干扰。因此,在慢轴输入为0、快轴跟踪叁角波时,对慢轴采用改进型重复控制“训练”、获取耦合补偿控制信号。进一步,当平台进行栅格扫描运动时,将耦合控制信号以前馈方式输入给慢轴,从而实现对快轴耦合影响的补偿。该方法避免了耦合频响辨识及建模,应用更为容易。实验结果验证了所提出的耦合控制方法有效减小了由快轴耦合引起的慢轴跟踪误差,并显着提升了二维平台高速栅格扫描运动精度。(本文来源于《上海交通大学》期刊2017-07-01）
马乐通[3]（2017）在《大行程气浮磁驱纳米定位平台的设计与驱动》一文中研究指出纳米机械加工、激光直写、非球面光学零件的测量等,对高精密定位平台提出越来越高的要求:在大行程范围内具有纳米级定位精度。传统的纳米定位平台采用柔性铰链结合压电陶瓷驱动的方式实现,但行程只有几十到几百微米。宏微结合的大行程纳米定位平台,宏运动采用伺服电机驱动,微运动采用压电陶瓷驱动,但结构和控制复杂。针对以上问题,本文提出气浮导向的电磁直接驱动纳米定位平台,设计并制造定位平台机械本体,搭建叁自由度定位平台驱动系统,建立定位平台动力学模型,设计定位平台控制器并进行实验验证。首先,以叁个磁驱动单元为驱动元件,气浮为导向设计叁自由度纳米定位平台,实现X方向、Y方向和绕Z旋转叁个自由度的运动。分析定位平台运动的力分配方法;建立定位平台运动部件的有限元模型,综合考虑模态频率和重量对动平台结构进行优化。其次,搭建叁自由度纳米定位平台驱动系统。以线性放大器为功率放大器件设计定位平台驱动器;以PCI9054桥接芯片和FPAG芯片为基础设计多通道数据采集卡;以Matlab/Simulink中的xPC-Target实时系统为核心,搭建纳米定位平台的半实物仿真系统;对纳米定位驱动系统的可行性进行验证。最后,对纳米定位平台进行动力学建模和控制,完成叁自由度纳米定位平台力分配;在此基础上搭建叁自由度纳米定位平台实验系统,设计PID控制器和基于干扰观测器的PID控制器;完成纳米定位平台的点到点运动,实验验证平台在大行程下的纳米定位分辨率的可行性。(本文来源于《上海交通大学》期刊2017-05-01）
郭兴旺[4]（2016）在《纳米定位与扫描平台模型辨识与控制算法研究》一文中研究指出纳米定位技术是前沿科学、工程技术领域的关键技术之一。纳米定位技术通常是以纳米定位与扫描平台控制系统的形式来实现,而对于纳米定位与扫描平台控制系统而言,由于其本身固有的迟滞性、蠕变性、负载性等特性,直接影响纳米定位与扫描平台的定位精度。针对纳米定位与扫描平台,对其进行建模、参数辨识以及控制算法的研究进行设计仿真和实验研究。论文主要工作内容如下:(1)综述了纳米定位与扫描平台被广泛应用在许多尖端领域;阐述研究纳米定位与扫描平台及其控制系统的重要意义;介绍国内外纳米定位与扫描平台及其控制系统的发展现状,说明我国发展纳米位移定位技术的必要性。(2)阐述了纳米定位与扫描平台的构成及其迟滞性、蠕变性、温度性、非线性和负载特性;介绍机理分析建数学模法、测试法数学建模以及两者相结合的数学建模方法;描述基于Bouc-wen模型对纳米定位与扫描平台进行数学建模;采用机理分析与测试法相结合的理论知识,将纳米定位与扫描平台关于迟滞性的数学模型较为精确的建立出来,并对其存在的非对称性进行优化改进。(3)研究了纳米定位与扫描平台模型参数辨识。首先简单介绍了辨识的发展史以及原理;其次对模型辨识需要遵循的误差准则以及步骤进行了描述。最小二乘法由于原理简单、参数少、易于求解、易于实现,且使用过程中无需用到数理统计的知识,甚至其他方法无法辨识的时候,都可以进行辨识参数。故而,最小二乘法成为模型参数辨识的主要手段。本文基于最小二乘法对所建模型进行未知参数的辨识以及利益MATLAB编译环境进行仿真。(4)对纳米定位与扫描平台控制方法进行研究。首先在控制方式方面,简单介绍开环控制和闭环控制的原理和特点。其次在控制算法方面,详细介绍了传统PID控制算法的原理和数字PID控制算法,以及PID控制算法的优化和文章提出的迟滞补偿和PI反馈的复合控制,并通过MATLAB仿真实验观察传统PID控制在理想与有干扰的情况下对纳米定位雨扫描平台的控制效果。(5)本文在MATLAB编译环境下,对纳米定位与扫描平台所建模型,改进前后进行仿真实验对比;在控制算法上,对纳米定位与扫描平台在传统PID控制算法、优化后的PID控制算法以及本文提出的迟滞补偿和PI反馈的复合控制算法进行仿真实验对比。从仿真结果可以看出,改进后的模型更接近纳米定位与扫描平台的实际测量值,复合控制算法更有助于提高纳米定位与扫描平台定位的快速性以及精确度,且可以使得控制量达到纳米级。综上所述,本文主要对纳米定位与扫描平台模型辨识与控制算法进行研究,实验结果表明了所建模型以及算法的可行性,有效保证了系统的定位精度。(本文来源于《沈阳建筑大学》期刊2016-11-01）
孙玉琼[5]（2016）在《面向压电驱动纳米定位平台的自抗扰运动控制》一文中研究指出随着纳米科学和纳米技术的飞速发展,微纳操控系统逐渐应用到超精密成像、半导体加工、生物医学、数据存储等诸多尖端技术领域。然而,微纳操控系统固有的迟滞等非线性特性,以及系统广泛存在的内部动态不确定性和外部干扰等,都严重影响着系统的运动精度和闭环稳定性,也对实现纳米级分辨率的运动控制理论提出了严峻挑战。本学位论文以纳米压电定位平台为研究对象,深入研究了自抗扰控制理论(ADRC),旨在满足纳米伺服系统在精确性、速度、稳定性、鲁棒性以及抗干扰性能等方面的要求。在传统ADRC算法的基础上,提出对其状态反馈算法和扩张状态观测器(ESO)设计方法的改进措施,给出相关的理论证明,具体研究内容如下：(1)以自主设计的纳米压电伺服平台为控制对象,从电路特性、机械特性、压电效应和迟滞效应等多场耦合特性入手,建立了纳米定位平台的综合动力学模型,基于离散傅里叶变换算法对伺服系统进行在线辨识,得到系统的传递函数,为后续ADRC算法的设计提供模型基础。(2)将ADRC算法应用于含有驱动器非线性、模型不确定性、传感器噪声等多源干扰的纳米伺服平台控制中,并通过仿真和实验验证了其有效性。(3)针对传统自抗扰控制在参数调节、性能优化上的局限性,提出了基于混合非线性反馈的改进自抗扰控制设计,在不增加控制系统设计难度的前提下,提高了闭环系统瞬态响应性能,使得系统在大量内外不确定性的影响下,仍然可以保持对参考信号的良好跟踪性能,文中同时给出了混合非线性反馈作用下的闭环系统渐进稳定性分析,并证明了ESO和混合非线性反馈控制律作用下的增广系统的跟踪误差收敛性。(4)提出ESO的改进措施：首先,采用遗传算法对ESO的设计参数进行了优化；接着,将可获得的控制对象信息引入到ESO设计中,并给出了其误差的收敛性证明；在此基础上设计了添加控制对象信息的变增益扩张状态观测器,在降低观测器负担的同时,避免了初始阶段的峰值现象,通过坐标变换和李雅普诺夫方法证明了观测误差的收敛性。最后,利用仿真和实验对比验证了对扩张状态观测器的两种改进措施的优越性。(本文来源于《山东大学》期刊2016-05-19）
[6]（2016）在《QNP-Z轴压电纳米定位平台 艾罗德克运动控制技术(上海)有限公司》一文中研究指出Aerotech推出一系列Z轴压电纳米定位平台,可满足极高精度要求的科研和工业需求。此款新型QNP-Z平台与现有的包括QNP-L直线平台和QNP-XY平台在内的产品,为精度要求最高的应用提供了全套解决方案。它们具有很高的分辨率、线性、重复性和高动态性能,能够满足显微镜到光学对准等最严苛的应用需求。该平台具有0.15 nm的分辨率,0.007%的线性和1 nm的双向重复性,从而保证了纳米级精度。(本文来源于《传感器世界》期刊2016年04期）
潘鹏,孙伏俊,杨飞雨,汪成伟,汝长海[7]（2015）在《基于粘滑原理纳米定位平台的设计和分析》一文中研究指出为了能实现跨尺度纳米定位操作,研制了一个基于粘滑驱动机理的纳米定位平台。采用柔性铰链的驱动机构,在对其在垂直方向上和驱动方向上的刚度进行分析的基础上,进行尺寸优化,从而减少定位平台在垂直方向产生耦合运动。致动器采用迭堆型压电陶瓷,实验分析发现压电陶瓷驱动器在有预紧力作用下,实际位移输出小于标称位移,当预紧力越大时,压电陶瓷的实际输出位移越小。在导向方面,采用双列交叉滚柱导轨,实现了载物台的多样化设计,从而提高了定位平台的适用性。同时结合LuGre摩擦模型对定位平台进行了动力学分析,优化其结构设计。单自由度粘滑驱动纳米定位平台的最大尺寸为28 mm×34 mm×12 mm,具有10 nm的分辨率、0.021 mm/s的速度和10 mm的行程。(本文来源于《微纳电子技术》期刊2015年11期）
曲朋[8]（2015）在《基于FPGA的纳米定位平台控制器的滤波器设计》一文中研究指出纳米定位技术是前沿科学、工程技术领域的关键技术之一。纳米定位技术通常是以纳米定位平台控制系统的形式来实现,而对于纳米定位平台控制系统而言,由于存在信号采集和量化噪声、系统本身的机械噪声,直接影响纳米位移平台的定位精度。针对纳米平台运动过程中噪声信号对平台定位精度的影响,进行数字滤波算法的设计仿真和实验研究。论文主要工作内容如下:(1)介绍了纳米定位平台控制器的滤波器设计意义;介绍了国内外纳米定位平台控制器和数字滤波器的发展现状。说明我国针对纳米定位平台控制器的滤波器设计的研究尚处于初级阶段。(2)对纳米定位平台运动过程中存在的噪声特点进行分析,得出存在的噪声为随机噪声。由于采用普通选频滤波器无法进行滤除,本文采用卡尔曼滤波器来滤除该类噪声。建立了卡尔曼滤波算法的信号模型,并且详细的阐述了卡尔曼滤波算法的推导过程。(3)介绍了纳米定位平台控制系统的整体组成结构。对纳米定位平台的系统进行分析,并建立了纳米位移定位平台模型。利用卡尔曼滤波算法对纳米位移平台进行滤波,并利用MATLAB进行仿真观察滤波效果。通过改变过程噪声和观测噪声的幅值,来观测对卡尔曼滤波器的滤波效果的影响。仿真结果表明卡尔曼滤波器能够使纳米位移平台的定位偏差最大为7nm,定位精度得到了明显的改善。(4)对市场上主流的FPGA芯片进行了介绍了,阐述了FPGA芯片的工作原理和内部组成结构。介绍了该纳米定位平台控制器中FPGA芯片的特点和所具有的功能,并且对FPGA的开发工具以及开发流程和指导原则进行了详细的说明,为后序的FPGA开发提供了良好基础。(5)在纳米定位平台控制系统中以FPGA作为控制器来验证卡尔曼滤波算法的有效性和可行性。利用MATLAB/Simulink中的DSP Builder工具和Quartus II工具相结合,实现了纳米位移定位平台控制器的滤波器设计和仿真操作。根据实际响应曲线对比得知,采用本文设计的滤波算法能够有效滤除控制系统中产生的噪声,验证了算法的可行性。综上所述,本文主要对纳米定位平台控制器的滤波器算法进行了研究,实验结果表明了所提算法的可行性,有效保证了系统的定位精度。纳米定位平台控制器的滤波器设计的提出,对相关类似系统的滤波器算法设计具有一定的借鉴价值。(本文来源于《沈阳建筑大学》期刊2015-11-01）
杨梅菊[9]（2015）在《压电驱动纳米定位平台的高带宽控制理论和方法研究》一文中研究指出随着纳米科技的飞速发展,纳米定位平台的应用越来越广泛。压电驱动器因具有响应速度快、定位精度高、输出力大等优点被广泛用于驱动纳米定位平台的柔性铰链机构。但是,压电驱动器存在的复杂磁滞非线性,严重影响了系统的定位精度,甚至可能造成闭环系统的不稳定。同时,压电驱动定位平台的低阻尼谐振振动会产生低增益裕量问题,限制了闭环系统控制带宽的提升。当输入信号中含有高频成分时,容易激发系统的机械谐振,造成输出轨迹的振动。因此,为了实现高带宽纳米精度的运动控制,必须同时考虑如何补偿压电驱动平台的磁滞非线性和谐振振动特性。本学位论文以压电驱动纳米定位平台为研究对象,深入分析了压电驱动器的磁滞非线性和微位移平台的谐振振动特性,研究了压电驱动定位平台的高带宽纳米精度控制理论和方法,扩展了其在高速高精运动控制领域的应用,主要研究内容如下:将压电驱动纳米定位平台的动力学模型表征为静态磁滞非线性与线性系统串联的形式,设计了一种基于闭环输入整形的高带宽控制器。采用增强型P-I模型直接描述静态逆磁滞曲线,建立逆磁滞模型并作为前馈控制器补偿静态磁滞非线性。针对磁滞补偿后的线性系统设计了由环内输入整形器和Smith预估器组成的闭环输入整形器,其中,环内输入整形器用于抑制谐振振动,Smith预估器避免了闭环系统由延时时间引起的不稳定性。设计了高增益比例积分(PI)反馈控制器,补偿了外界干扰和模型不确定性等引起的误差以及蠕变、漂移等非线性,实现了高带宽纳米精度的跟踪运动。实验结果表明,相比于PI控制器,所提出的高带宽控制器使带宽从22.6Hz提高到510Hz。设计了一种基于时滞位置反馈的高带宽控制器,包括内环时滞位置反馈和外环高增益比例积分控制器。提出了一种时滞位置反馈控制器,在反馈环内引入可控的延时环节,通过极点配置提高了系统的阻尼比。由于反馈回路上存在时延,不能使用常规的极点配置方法,提出了一种基于广义Runge-Kutta法的最右极点优化配置方法,即利用广义Runge-Kutta法将时滞系统的最右极点配置问题等价转化为有限维代数方程组的最大特征值配置问题,然后结合改进型粒子群优化算法将时滞系统的最右极点配置到期望位置,从而解决了时滞系统的极点配置问题。针对振动补偿后的系统,设计高增益比例积分(PI)控制器来补偿磁滞、蠕变等非线性以及外界干扰和模型不确定性等引起的误差,利用图形化方法给出闭环系统的稳定域边界,采用反复试验误差法寻找满足系统性能要求的比例系数和积分系数。实验结果表明,相比于PI控制器,所提出的高带宽控制器使带宽从168Hz提高到710Hz。针对压电驱动平台传统动力学模型中采用静态磁滞模型的不足,提出了一种基于动态封函数的率相关Prandtl-Ishlinskii(P-I)模型来描述动态磁滞非线性。在传统P-I模型中引入关于输入信号变化率的动态封函数,并保持原有权值和阈值不变,建立了一种既能表征静态磁滞非线性也能表征动态磁滞非线性的率相关P-I模型。相比于现有的通过引入动态阈值或者动态权值的其他率相关P-I模型,所提出的率相关P-I模型具有模型结构简单、模型参数少、辨识方法容易等优点,而且现有的控制方法可直接应用于此模型实现动态磁滞补偿。针对率相关P-I模型的高度非线性、不可微等特性,提出了一种改进粒子群优化算法,通过引入有效通知机制和突变策略,提高了算法的收敛速度和辨识精度,实现了率相关P-I模型参数的精确辨识。搭建了压电驱动纳米定位平台实验系统,通过各种典型轨迹实际曲线和仿真曲线的对比,验证了所提出率相关P-I模型在描述动态磁滞非线性方面的有效性。在建立的率相关P-I模型的基础上,提出了一种基于动态磁滞模型的直接逆磁滞补偿控制方法,采用率相关P-I模型直接描述逆磁滞曲线,根据改进粒子群优化算法辨识的参数,设计了动态磁滞逆补偿器,实现了压电驱动平台的动态磁滞补偿。在此基础上,分别设计含动态磁滞逆补偿器的开环跟踪控制器和闭环跟踪控制器,实现了压电驱动纳米定位平台的高速轨迹跟踪。其中,闭环跟踪控制器是由前馈通道上的动态磁滞逆补偿器和反馈通道上的反馈控制器组成。实验结果表明,引入动态磁滞逆补偿器后,无论是开环还是闭环情况下,压电驱动平台的跟踪精度都得到了显着的改善。相比于常规的基于静态磁滞逆补偿的控制器,跟踪误差的均方根值减少了80%左右。(本文来源于《上海交通大学》期刊2015-10-01）
谢虎[10]（2015）在《夹层结构磁悬浮纳米定位平台结构设计与控制方法研究》一文中研究指出伴随着传统制造产业向纳米制造产业的发展,为了满足各种纳米制造的实验要求,同时适应微纳米器件的组装及测量、微纳米级机电系统的研究和应用,以及光纤对接、半导体检测、纳米叁坐标测量机对于基础平台的研究需求,迫切地需要一种可用于纳米加工、组装、测量及大规模生产的大行程高精度纳米制造平台。本文研究的基于Halbach永磁阵列和平面线圈的双层驱动、夹层结构共平面的大行程磁悬浮纳米精度二维定位平台,实现大行程二维运动,利用纳米精度激光干涉仪检测运动精度并构成控制回路,搭载涡流阻尼系统改善控制品质,采用平面线圈优化垂直方向的位置精度,使用非线性控制理论对XY方向进行解耦控制。全文主要研究内容如下:(1)系统结构设计研究在精密运动及测量系统中,机械结构对系统精度的影响占据大部分比例。为了满足大行程纳米定位要求,需要对系统机械结构分析和优化。因此,本文研究的大行程磁悬浮纳米精度二维定位平台采用双层驱动、夹层结构形式的电磁系统,X、Y方向的驱动共同作用于移动平台上,构成共平面结构消除阿贝误差带来的影响,将运动平台拆分为移动平台+工作平台,细化平台功能,减小平台体积,对称结构的移动平台与工作平台采用柔性支撑连接,克服工作状态下平台热分布不均匀的缺点,保证系统纳米定位精度的获得。(2)磁悬浮定位平台驱动方式及电磁研究本文采用基于Halbach永磁阵列和平面线圈的永磁直线电机双层驱动方式,平台上层同方向的1组2个吸力型直线电机和平台下层另一方向的1组2个斥力型直线电机共同作用,悬浮定位平台并驱动其实现非接触、无摩擦和磨损的运动。为了使绕组线圈的几何精度误差不影响定位系统在垂直方向的精度,要求线圈平面具有很高的平面度,而传统环形线圈的制作工艺使其无法达到较高的几何精度。本文提出采用平面线圈构建直线电机定子绕组,研究平面线圈的设计理论,对平面线圈的可加工性、多层线圈的可行性、回流线设计以及加工制作工艺进行研究和实验,实现线圈高平面度精度,进而建立平面线圈的设计理论。此外,分析线圈结构、电磁场分布、驱动电流、热量产生等关系,优化线圈参数,根据驱动能力要求,分析磁阵列及线圈的数量及配置,建立垂直悬浮力和水平驱动力方程并进行有限元分析,对电磁系统的各项参数进行优化设计,确定最佳工作点。(3)永磁涡流阻尼器研究针对大行程磁悬浮纳米精度二维定位平台基本属于无阻尼系统,阻尼比小、系统控制困难,本文提出在磁悬浮定位平台系统中搭载非接触式永磁涡流阻尼器,提升系统控制品质,增加系统控制稳定性。在分析几种阻尼装置优缺点的基础上,确定采用钕铁硼永磁体研究设计涡流阻尼器,利用解析法和有限元法进行研究分析,并提出将永磁涡流阻尼器看成系统的未建模干扰项,以简化系统控制。(4)控制系统研究磁悬浮系统为非线性强耦合系统,其非线性和耦合性又交互影响,针对本文提出的全新双层驱动、夹层结构电磁系统,采用非线性控制理论,研究磁悬浮系统的非线性解耦控制,分别进行基于泰勒展开式的近似线性化和基于微分几何的精确线性化研究,给出反馈线性化控制律的离散化处理方法,指出基于微分几何的精确线性化方法和空间矢量控制方法的关系。精确反馈线性化结合现代控制理论及方法,实现精确解耦控制。构建基于双DSP+FPGA的磁悬浮定位平台控制系统,将微分几何精确线性化方法分别与PID控制和滑膜变结构控制相结合用于位置环控制,并进行研究。通过对磁悬浮定位平台结构、电磁关系及控制系统的研究,初步实现了预期目标,证明了本文研究的夹层结构磁悬浮纳米定位平台可行性。(本文来源于《北京理工大学》期刊2015-06-01）
纳米定位平台论文开题报告
（1）论文研究背景及目的
此处内容要求：
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例：
压电陶瓷驱动纳米定位平台在精密装备中广泛应用,其已成为原子力显微镜(AFM)的关键部件。纳米科技的快速发展对AFM成像速度的要求越来越高,当前高速AFM发展的关键在于保证压电陶瓷驱动纳米定位平台XY平面的高速精密栅格扫描运动。而纳米定位平台的低谐振频率是限制其运动速度的根本因素,目前已有的高刚度柔顺机构设计往往以损失平台的运动行程为代价。平台机械结构的低阻尼谐振模态产生了低增益裕量问题,限制了闭环控制带宽,制约了平台运动速度的提升。压电陶瓷驱动器存在复杂的磁滞非线性,且高频时与系统振动特性耦合,严重影响了平台的运动精度。纳米定位平台X/Y轴间的交叉耦合也限制了其双轴栅格扫描运动精度的提升。本学位论文以压电陶瓷驱动纳米定位平台为研究对象,深入研究了二维高带宽纳米定位平台的机构设计、磁滞非线性补偿、谐振振动抑制以及交叉耦合控制的理论和方法,旨在实现压电陶瓷驱动二维纳米定位平台的高速栅格扫描运动,为其应用于高速AFM提供了基础。论文的主要研究内容如下:设计了压电陶瓷驱动二维并联高带宽纳米定位平台。为实现结构上完全解耦,采用了四组柔性铰链模块对称布局的机械结构。利用卡式定理建立了平台的静力学与动力学模型,以提高机构一阶谐振频率为目标,以平台行程、柔性单元应力满足工作条件为约束,进行了柔顺机构结构参数优化设计。进一步,采用有限元方法对平台性能进行了仿真验证。最后,加工了平台模型并搭建了实验系统对其性能进行实验验证。实验结果表明,所设计的纳米定位平台同时取得了较高的谐振频率、相对较大的行程以及接近解耦的优良性能。针对纳米定位平台栅格扫描运动时需要跟踪的周期性叁角波路径,给出了一种磁滞分解方法,并理论分析得出在周期性输入信号下磁滞非线性对系统的影响可视为周期性干扰。提出了采用改进型重复控制通过抑制周期性干扰来直接消除磁滞非线性,从而避免了磁滞建模及求逆的复杂过程。该方法可以同时补偿由系统振动特性引起的跟踪误差,解决了磁滞非线性与系统振动特性在高频时耦合作用的问题。此外,改进型重复控制改善了传统重复控制对非周期干扰放大的问题。实验结果表明,所提出的控制器有效补偿了由磁滞非线性及振动特性引起的跟踪误差,实现了纳米定位平台对于高频叁角波的精密跟踪。实验分析得出在叁角波路径下磁滞非线性对系统的影响主要分布于叁角波奇次谐波分量处。结合磁滞分解,提出将磁滞非线性视为系统奇次谐波周期性干扰,采用奇次谐波重复控制来抑制磁滞非线性,从而省去了磁滞建模及求逆过程。该方法同样实现了对磁滞非线性与系统振动特性的同时补偿。对奇次谐波重复控制进行了改进以适用于压电陶瓷驱动纳米定位平台的非最小相位特性,并给出了稳定性与鲁棒稳定性定理。相对于传统重复控制,该方法内存使用量减半,更利于实际应用。实验结果表明,所设计的控制器实现了纳米定位平台对叁角波路径的高精度、快速跟踪。提出了递归时滞位置反馈的新型主动阻尼控制方法,并以此为基础设计了双闭环结构的高带宽控制策略。其中,递归时滞位置反馈控制器置于内环,用于抑制平台的谐振振动。为了分析由递归时滞位置反馈引入的中立型时滞系统,提出了一种求解中立型时滞微分方程的数值积分方法,并通过对系统最右极点优化配置来确定控制器参数。对于抑制谐振振动后的系统,在外环设计了高增益位置跟踪控制器,减小由磁滞非线性、模型不确定性及外界干扰引起的跟踪误差。实验结果表明,所提出控制器有效提升了系统控制带宽,实现了高精度运动控制,同时对系统谐振频率变化具有鲁棒性。针对纳米定位平台栅格扫描运动中快轴对慢轴的耦合影响,提出了一种基于改进型重复控制的耦合补偿方法。实验分析发现,在栅格扫描运动中快轴对慢轴的耦合影响可视为慢轴输出端的周期性干扰。因此,在慢轴输入为0、快轴跟踪叁角波时,对慢轴采用改进型重复控制“训练”、获取耦合补偿控制信号。进一步,当平台进行栅格扫描运动时,将耦合控制信号以前馈方式输入给慢轴,从而实现对快轴耦合影响的补偿。该方法避免了耦合频响辨识及建模,应用更为容易。实验结果验证了所提出的耦合控制方法有效减小了由快轴耦合引起的慢轴跟踪误差,并显着提升了二维平台高速栅格扫描运动精度。
（2）本文研究方法
调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
纳米定位平台论文参考文献
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