精密运动平台的驱动系统设计与控制研究

发布时间：2017-08-14 17:25

  本文关键词：精密运动平台的驱动系统设计与控制研究

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【摘要】：为缩短与发达国家间的差距,发展具有我国自主知识产权的IC制造设备核心技术,针对湿法光刻机中用于浸没单元调节以保持浸没流场稳定的精密运动平台,开展基于新的机构形式、驱动控制方法以及位移检测技术的高精度运动平台底层定位驱动系统的关键技术研究,具有重要的现实意义。本文以Nanomotion直线超声电机为驱动部件,充分利用其结构简单、响应快、分辨率高,且能断电自锁等优点,并结合楔形微位移机构进行位移缩放和刚度提升,设计了基于此直线超声电机的楔形驱动机构。并搭建电气系统实现ACS控制器、AB1A超声电机驱动器及光栅等电气元件的电源供给和通信连接,以光栅信号作为反馈,构成闭环控制系统。在构建了驱动系统硬件基础后,本文开展对平台驱动系统控制算法的研究。在充分分析超声电机特性的基础上,利用系统辨识进行系统建模,并提出结合前馈控制的双光栅闭环复合控制环节。但面对超声电机非线性、时变性且难建立准确数学模型的特性,以及整体驱动系统在换向过程中出现的类似超调现象和系统变负载的情况,传统PID难以满足控制要求。而由于模糊控制不要求被控对象的精确模型且适应性强,将其与PID控制结合,扬长避短,设计出模糊PID控制器实现整个工作范围内参数自适应整定,达到最优控制。但模糊控制器各参数一旦确定就无法改变,不能够大范围自动适应参数的变化。对此,文中利用遗传算法对模糊PID进行量化因子和比例因子的优化设计,通过仿真分析证明其良好的控制效果。最后针对设计的特殊楔形驱动机构,进行机械性能测试,结果表明其刚度远高于直接驱动平台,达到设计目的。此外,运用基于.NET平台开发的控制算法和界面进行定位精度对比实验,得到轴向1μm的定位精度,在定位性能上优于直接驱动平台。而在验证模糊PID控制效果的实验中,证明所设计的模糊PID控制器较传统PID控制器具有更好的控制特性。
【关键词】：超声直线电机 楔形驱动机构 模糊PID控制 遗传算法
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM359.4;TP273
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-22
• 1.1 课题研究背景和意义11-12
• 1.2 运动平台驱动机构概述12-17
• 1.2.1 直线驱动技术12-14
• 1.2.2 运动平台驱动结构14-15
• 1.2.3 微位移机构15-17
• 1.3 驱动系统控制技术分类17-20
• 1.3.1 按反馈形式分类18-19
• 1.3.2 按控制方法分类19-20
• 1.4 课题研究目的与内容20-22
• 1.4.1 课题研究目的20-21
• 1.4.2 课题研究内容21-22
• 2 驱动系统总体设计22-32
• 2.1 引言22
• 2.2 驱动系统结构设计22-28
• 2.2.1 系统结构性能参数22-23
• 2.2.2 系统结构方案23-26
• 2.2.3 系统整体结构设计26-28
• 2.3 驱动系统电气控制实现28-31
• 2.3.1 驱动系统电气控制方案设计28-29
• 2.3.2 驱动系统功能类元器件选型29-30
• 2.3.3 驱动系统电气控制柜搭建30-31
• 2.4 本章小结31-32
• 3 驱动系统分析及控制环节研究32-46
• 3.1 引言32
• 3.2 直线超声电机工作原理及特性32-33
• 3.2.1 Nanomotion直线超声电机的工作原理32-33
• 3.2.2 Nanomotion直线超声电机的特性33
• 3.3 驱动系统辨识建模33-38
• 3.3.1 系统辨识简介33-34
• 3.3.2 系统辨识建模34-38
• 3.4 驱动系统基本PID控制环节38-45
• 3.4.1 PID控制的基本原理38-41
• 3.4.2 双光栅闭环控制策略41-43
• 3.4.3 前馈控制策略43-45
• 3.5 本章小结45-46
• 4 驱动系统模糊PID控制策略46-65
• 4.1 引言46
• 4.2 模糊PID控制策略46-54
• 4.2.1 模糊控制基本原理46-47
• 4.2.2 模糊PID控制原理47-49
• 4.2.3 模糊PID控制策略实现49-52
• 4.2.4 仿真及结果分析52-54
• 4.3 基于遗传算法的模糊PID优化54-64
• 4.3.1 遗传算法简介54-55
• 4.3.2 量化因子和比例因子定义55-56
• 4.3.3 基于遗传算法的模糊PID量化因子优化56-59
• 4.3.4 仿真及结果分析59-64
• 4.4 本章小结64-65
• 5 驱动系统的性能实验65-80
• 5.1 引言65
• 5.2 机械性能测试65-68
• 5.2.1 刚度实验原理65-66
• 5.2.2 实验装置66-67
• 5.2.3 实验结果分析67-68
• 5.3 控制系统性能测试68-78
• 5.3.1 驱动系统的控制算法程序实现68-72
• 5.3.2 定位精度实验72-75
• 5.3.3 模糊PID控制效果对比实验75-78
• 5.4 本章小结78-80
• 6 总结与展望80-82
• 6.1 总结80-81
• 6.2 工作展望81-82
• 参考文献82-85

【参考文献】

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本文编号：673829