六自由度納米工作臺驅(qū)動控制方法及系統(tǒng)研究.pdf

1、微位移驅(qū)動技術是精密測量與精密制造的關鍵技術之一。隨著微納制造技術的快速發(fā)展，需求納米級驅(qū)動控制技術的領域越來越多。本學位論文選題來源于國家自然科學基金“納米三坐標測量機關鍵技術的研究”，重點研究用于微小器件表面形貌測量的全場并行共焦顯微鏡關鍵部件--六自由度納米工作臺的驅(qū)動技術及驅(qū)動系統(tǒng)，實現(xiàn)微動平臺的快速調(diào)整、高精度定位和微型化。
　　 六自由度納米工作臺采用單層結(jié)構(gòu)，由八個壓電陶瓷驅(qū)動器并行驅(qū)動，因此必須建立工作臺位移與各

2、驅(qū)動器驅(qū)動量之間的關系；壓電陶瓷驅(qū)動器具有位移分辨率高，體積小，響應快，輸出力大，不發(fā)熱等優(yōu)點.但其固有的遲滯和蠕變嚴重影響了它的定位精度；驅(qū)動電源的品質(zhì)直接影響工作臺的定位精度，而目前市場上有售的壓電陶瓷驅(qū)動電源，輸出通道數(shù)、體積、輸出電壓穩(wěn)定性均難以滿足課題研制的六自由度微動工作臺并行驅(qū)動的需求。
　　 因此本論文圍繞六自由度納米工作臺高精度驅(qū)動控制技術開展了系統(tǒng)深入的研究，主要的研究工作和創(chuàng)新點如下：
　　 (1)

3、建立六自由度納米工作臺并行驅(qū)動控制模型
　　 根據(jù)六自由度納米工作臺的結(jié)構(gòu)參量，建立了工作臺三個移動參量及三個轉(zhuǎn)動參量與八個壓電陶瓷驅(qū)動器驅(qū)動量之間的數(shù)學關系。
　　 (2)研究壓電陶瓷驅(qū)動器高精度的開環(huán)控制方法
　　 所研制的六自由度工作臺有微型化要求，沒有安裝位移傳感器的空間，只能采用開環(huán)控制。而壓電陶瓷驅(qū)動器的遲滯、蠕變特性嚴重影響開環(huán)控制精度。因此從壓電陶瓷材料的變形機理入手，深入研究了壓電陶瓷驅(qū)動器的遲

4、滯特性和蠕變特性，提出了壓電陶瓷驅(qū)動器的“抗遲滯”和“抗蠕變”高精度開環(huán)控制方法。實驗結(jié)果表明：壓電陶瓷驅(qū)動器的最大遲滯誤差下降了90％左右，蠕變誤差也減小了一個數(shù)量級，定位穩(wěn)定時間也大大縮短，使通過開環(huán)控制實現(xiàn)六自由度的高精度定位成為可能。上述驅(qū)動方法已申請2項國家發(fā)明專利，其中1項已獲批。
　　 (3)研制微型化多通道高精度壓電陶瓷驅(qū)動電源
　　 性能良好的驅(qū)動電源是實現(xiàn)壓電陶瓷高精度定位的關鍵，本論文研究主要從拓展

5、通道數(shù)、降紋波、抗干擾、減小體積和控制放大器工作溫度等幾個方面入手，自行研制出了微型化低紋波的多通道壓電陶瓷驅(qū)動電源，并完成了相應的特性標定實驗。經(jīng)測試，八路電源輸出電壓的非線性誤差小于0.05％，分辨率為6mV，靜態(tài)電壓紋波小于9mV，功率帶寬可達5kHz，連續(xù)輸出電流可達1.5A，連續(xù)工作8小時電壓變化量小于0.01％，體積僅為280*260*120mm(博實三通道壓電陶瓷電源體積為385*150*340mm)，滿足壓電陶瓷驅(qū)動的要