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大行程纳米定位驱动控制方法与系统研究

徐从裕  
【摘要】: 大行程纳米定位驱动控制技术是三维测量系统研究中的一项关键技术。目前,微行程的纳米定位驱动控制技术已经成熟,但具有纳米定位精度的大行程驱动控制技术还处于发展阶段和进一步研究之中。由单级直接驱动方式和光栅传感器构建起来的大行程纳米定位驱动控制系统是本文研究的重点,其中涉及到的直线电机大行程纳米定位驱动控制技术、光栅纳米测量技术是本项研究中的技术难点。 本文选题来源于国家自然科学基金重大国际合作项目“纳米三维测量关键技术与系统研究”和国家自然科学基金项目“纳米三坐标测量机关键技术的研究”。论文的主要研究工作和创新点如下: 针对现有的光栅测量装置产品,无法同时满足大行程纳米定位控制所要求的快速响应和纳米分辨率要求的现状,提出了全新的基于互补函数算式的光栅快速细分算法和光栅信号采集处理方法。光栅快速细分算法仅需在一个光栅周期里均匀采样10个点就能实现可靠的快速位移测量;而所研究的光栅信号采集处理方法同时满足了大行程快速跟踪测量要求和纳米精度测量要求。研制的光栅测量实验装置已经达到小于1nm的测量分辨率和大于100mm/s的测量速度,满足了大行程纳米定位驱动测量与反馈控制的要求。 针对双模态超声波电机现有驱动模式在实现低速驱动时所存在的问题,提出了全新的小波差动驱动模式,由此克服了现有交流驱动模式下的最低速度限制问题、脉冲驱动模式下的非整周期驱动问题以及直流驱动模式下的定位蠕变问题,大大改善了双模态超声波电机在低速运行条件下的驱动特性,实现了用单一交流驱动模式直接进行大行程纳米定位的驱动与控制;用自主研制的双模态超声波电机驱动特性标定试验装置,完成了系统的小波差动驱动模式驱动特性标定试验,证实了其最小驱动分辨率可以达到1nm。 针对圆筒型永磁直线同步电机存在的电磁扰动和推力波动对纳米定位精度的影响,提出了圆筒型永磁直线同步电机的“偏心驱动模式”,即定子轴线与动子轴线偏置安装而产生的电磁阻尼与导轨摩擦阻尼相结合的一种驱动模式。实验证实,该驱动模式能有效抑制和吸收电磁扰动对纳米定位精度的影响,进而提高了直线电机的定位稳定性,使在定位点的位移波动由100nm减小到10nm以内。研究了无过冲驱动的变参数PI控制算法,实现了大行程驱动范围内的无过冲纳米定位控制。 本文的研究成果解决了同时实现大行程驱动和纳米定位精度控制所存在的技术难题,为构建小型化的大行程纳米定位驱动控制系统提供了技术支持。


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