大行程气浮磁驱纳米定位平台的设计与驱动
发布时间：2023-05-17 20:41
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,搭建三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,以三个磁驱动单元为驱动元件,气浮为导向设计三自由度纳米定位平台,实现X方向、Y方向和绕Z旋转三个自由度的运动。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,搭建三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...
【文章页数】：108 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 课题来源及背景
1.1.1 课题来源
1.1.2 应用背景
1.2 国内外纳米定位平台研究现状
1.2.1 基于压电陶瓷和柔性铰链的纳米定位平台
1.2.2 基于宏微结合的纳米定位平台
1.2.3 基于电磁驱动的纳米定位平台
1.3 直线伺服驱动方式介绍
1.3.1 旋转型驱动方式与直线型驱动方式对比
1.3.2 直线电机伺服驱动系统组成
1.3.3 影响直线伺服驱动系统性能的因素
1.4 气浮导轨介绍
1.5 半实物仿真技术介绍
1.5.1 半实物仿真技术
1.5.2 Matlab下的半实物仿真平台
1.6 直线伺服系统的控制方法
1.6.1 传统PID控制
1.6.2 干扰观测器
1.7 本文主要研究内容
第二章 三自由度纳米定位平台机械本体设计
2.1 引言
2.2 定位平台性能指标及基本结构
2.2.1 性能指标
2.2.2 定位平台基本架构
2.3 位置传感器选型
2.4 致动器单元介绍
2.5 三自由度纳米定位平台静平台部分设计
2.6 三自由度纳米定位平台动平台部分设计
2.7 位置传感器的安装及调试
2.8 本章小结
第三章 三自由度纳米定位驱动系统
3.1 引言
3.2 驱动系统整体方案
3.3 驱动系统电源选择
3.4 半实物仿真平台的搭建
3.4.1 xPC-Target仿真平台基本概念
3.4.2 实时仿真平台搭建
3.4.3 目标机实时内核生成
3.4.4 Matlab/Simulink实时仿真环境设置
3.5 线性驱动器设计与实现
3.5.1 线性驱动器和数字驱动器比较
3.5.2 线性驱动器的设计
3.6 多通道数据采集卡的设计与实现
3.6.1 多通道数据采集卡整体方案
3.6.2 数据采集卡与半实物仿真平台间通信实现
3.6.3 PCI桥接芯片本地端通信实现
3.7 本章小结
第四章 三自由度纳米定位平台动力学建模
4.1 引言
4.2 致动器单元动力学建模
4.2.1 致动器单元数学模型
4.2.2 致动器单元动力学模型
4.2.3 致动器单元电气参数
4.3 三自由度纳米定位平台动力学建模
4.4 三自由度纳米定位平台力分配
4.5 本章小结
第五章 三自由度纳米定位平台控制器设计及实验
5.1 引言
5.2 三自由度定位平台实验平台介绍
5.3 PID 控制器设计及阶跃响应实验
5.3.1 PID控制器设计
5.3.2 PID 控制器阶跃响应实验
5.4 基于干扰观测器的PID控制器设计及实验
5.4.1 基于干扰观测器的PID控制器设计
5.4.2 基于干绕观测器的 PID 控制器的阶跃响应实验
5.5 速度规划及实验
5.5.1 1mm点到点运动
5.5.2 50nm连续步进实验及大行程实验
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
附录
附录1 数据采集卡PCI端读取数据驱动程序
附录2 数据采集卡PCI端写入数据驱动程序
附录3 数据采集卡本地端读取数据Verilog程序
附录4 数据采集卡本地端写入数据Verilog程序
致谢
攻读硕士学位期间所取得的研究成果
本文编号：3817967
【文章页数】：108 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 课题来源及背景
1.1.1 课题来源
1.1.2 应用背景
1.2 国内外纳米定位平台研究现状
1.2.1 基于压电陶瓷和柔性铰链的纳米定位平台
1.2.2 基于宏微结合的纳米定位平台
1.2.3 基于电磁驱动的纳米定位平台
1.3 直线伺服驱动方式介绍
1.3.1 旋转型驱动方式与直线型驱动方式对比
1.3.2 直线电机伺服驱动系统组成
1.3.3 影响直线伺服驱动系统性能的因素
1.4 气浮导轨介绍
1.5 半实物仿真技术介绍
1.5.1 半实物仿真技术
1.5.2 Matlab下的半实物仿真平台
1.6 直线伺服系统的控制方法
1.6.1 传统PID控制
1.6.2 干扰观测器
1.7 本文主要研究内容
第二章 三自由度纳米定位平台机械本体设计
2.1 引言
2.2 定位平台性能指标及基本结构
2.2.1 性能指标
2.2.2 定位平台基本架构
2.3 位置传感器选型
2.4 致动器单元介绍
2.5 三自由度纳米定位平台静平台部分设计
2.6 三自由度纳米定位平台动平台部分设计
2.7 位置传感器的安装及调试
2.8 本章小结
第三章 三自由度纳米定位驱动系统
3.1 引言
3.2 驱动系统整体方案
3.3 驱动系统电源选择
3.4 半实物仿真平台的搭建
3.4.1 xPC-Target仿真平台基本概念
3.4.2 实时仿真平台搭建
3.4.3 目标机实时内核生成
3.4.4 Matlab/Simulink实时仿真环境设置
3.5 线性驱动器设计与实现
3.5.1 线性驱动器和数字驱动器比较
3.5.2 线性驱动器的设计
3.6 多通道数据采集卡的设计与实现
3.6.1 多通道数据采集卡整体方案
3.6.2 数据采集卡与半实物仿真平台间通信实现
3.6.3 PCI桥接芯片本地端通信实现
3.7 本章小结
第四章 三自由度纳米定位平台动力学建模
4.1 引言
4.2 致动器单元动力学建模
4.2.1 致动器单元数学模型
4.2.2 致动器单元动力学模型
4.2.3 致动器单元电气参数
4.3 三自由度纳米定位平台动力学建模
4.4 三自由度纳米定位平台力分配
4.5 本章小结
第五章 三自由度纳米定位平台控制器设计及实验
5.1 引言
5.2 三自由度定位平台实验平台介绍
5.3 PID 控制器设计及阶跃响应实验
5.3.1 PID控制器设计
5.3.2 PID 控制器阶跃响应实验
5.4 基于干扰观测器的PID控制器设计及实验
5.4.1 基于干扰观测器的PID控制器设计
5.4.2 基于干绕观测器的 PID 控制器的阶跃响应实验
5.5 速度规划及实验
5.5.1 1mm点到点运动
5.5.2 50nm连续步进实验及大行程实验
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
附录
附录1 数据采集卡PCI端读取数据驱动程序
附录2 数据采集卡PCI端写入数据驱动程序
附录3 数据采集卡本地端读取数据Verilog程序
附录4 数据采集卡本地端写入数据Verilog程序
致谢
攻读硕士学位期间所取得的研究成果
本文编号：3817967
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