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静电悬浮位置控制系统的设计

周扬扬  
【摘要】: 无容器加工技术可以避免材料在凝固过程中受到容器壁的影响,提高材料的过冷度,是空间材料科学发展的一个重要研究方向。相对于其他悬浮技术,静电悬浮技术由于悬浮时不对样品产生额外的能量输入,不对材料凝固过程产生额外的干扰因素,易于结合其他非接触测量设备实现材料的热物性测量,更适合进行空间材料科学试验,有期望成为我国未来空间材料科学的重要试验装置之一。 静电悬浮位置控制系统是静电悬浮材料加工技术的基础,同时也是核心,我国尚未有已经完全掌握了该项核心技术的报道,本文在分析位置控制系统各组成部分的工作原理上,设计实现静电悬浮位置控制系统,并实现了对悬浮样品的稳定位置控制。 本文主要进行了以下几个方面的研究、设计和实现: (1)进行静电悬浮原理及静电悬浮位置控制原理的研究,分析悬浮样品悬浮的物理过程和位置控制过程,提出位置控制系统的功能、位置控制精度要求和控制频率设计目标。 (2)根据设计目标和要求,设计并实现静电悬浮位置控制系统的各个硬件组成部分:三维位置测量、控制单元、高压放大器、悬浮结构等必须的组件。采用相互垂直的两束不同波段的平行激光光源照射样品,采用两片垂直放置的二维位置灵敏探测器(PSD)探测样品的阴影位置,实现对悬浮样品的三维位置测量;以STC11F32XE单片机为控制核心完成三维位置信号采集、位置控制运算及三维的控制信号输出功能;选定适合的高压放大器和设计悬浮电极结构,组建静电悬浮位置控制系统的硬件平台。 (3)软件方面,进行系统的软件设计与实现。采用C语言编程系统运行的各个程序,实现位置控制系统的各个功能。设计实现系统主程序、串口中断子程序、控制子程序及开关量中断子程序等。算法方面,根据坐标旋转原理进行位置测量的数据处理,提出针对静电悬浮位置控制的积分分离的PID控制方法及PID参数整定方法。 (4)通过实验,成功对悬浮样品进行了稳定位置控制。


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