微动平台参考资料.docx

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微动平台参考资料

摘要

微动平台的机构优化及其超精运动控制技术，是目前微/纳制造领域中的研究热点之一，具有广阔的应用前景。

为此，本文在优化设计基于柔性铰链的二维微动平台本体结构，并分析其静/动力学性能的基础上，以高性能ATmega128微控制器为中心测控单元，PA85为功率放大模块，结合传统的PID控制技术，研发了一套数字式的二维微动平台驱动控制系统，并实现了系统的集成。

研究的主要工作如下：

首先，提出了一个由压电陶瓷驱动器、柔性铰链平台机构、衍射光栅位移传感器和微控制器构成的二维微动平台的总体设计方案；并在此基础上设计了一个综合杠杆放大和柔性铰链机构的二维低耦合微动平台结构，其运动放大比为5，工作行程为100μm×100μm。

然后，采用通用有限元软件ANSYS对优化后的平台进行了静力、动态特性和瞬态响应分析，验证了所设计二维平台的运动传递、静态和动态力学特性。

其次，针对二维微动平台的超精密控制要求，研制了由ATmega128微控制器、ADS8325模数转换模块、DAC8564数模转换模块组成的控制系统的硬件部分；并编制了微控制器与AD、DA模块进行SPI通讯以及与上位机串行通讯的接口程序，实现了PID控制运算模型；采用负反馈线性电压放大电路，将控制信号进行电压与功率放大后驱动压电陶瓷，进而控制微动平台运动。

最后，组装了二维微动实验平台，并进行了0.625Hz、5Hz、10Hz和20Hz的谐波轨迹的跟随实验，验证了论文所设计的二维低耦合微动平台及其控制系统的有效性和运动跟随性能。

关键词：

微动平台；柔性铰链；ATmega128微控制器；控制

ABSTRACT

Micromotionstageisoneofthemosthotresearchfieldswithbroadprospect,ofwhichthekeytechnologyisitsmechanismandprecisionpositioningcontrol.Themechanismofatwo-dimensionalnano-manipulatorisoptimizedanditsstaticanddynamicperformancesareanalyzedwithFEMinANSYS.Hence,thedrivingcontrolsystemforthisnano-positioningstageisdevelopedandtheintegratedexperimentalplatformisrealized,applyingATmega128asitscentralcontrolunitandPA85aspoweramplifyunitandcombiningwiththetraditionalPIDcontroltechnology.Thecontentsofthisdissertationasbelow:

Firstofall,thethesisproposestheoverallschemeofthenano-positioningstageanddesignsalowcouplingtwo-dimensionalnano-manipulatorhavingflexurehingesandlevermechanismswithmagnifyingratio5,ofwhichtheworkingstrokeis100μm×100μm.Besides,FEManalysisoftheoptimizednano-manipulatorinANSYSwereperformedtoverifytheparasiticmotionsuppressingeffectsandguaranteetheworkstokeinlimitedworkspace,aswhileasitsstatisticanddynamicresponsecharacteristics.

Moreover,fortheprecisionpositioningcontrolofthenano-positioningstage,thethesisdevelopsitshardwareofthiscontrolsystem,consistingofATmega128MCU,ADS8325A/Dmodule,DAC8564D/Amodule.Furthermore,thecompilingoftheSPIcommunicationbetweentheMCUandA/D,D/Amoduleisrealized,aswhileasthecalculatemodelofPIDcontrol.Thedesignadoptsnegativefeedbackhigh-voltageamplifiercircuittoamplifycontrolsignaltodrivethepiezoactuator,sothatthenano-manipulatorcanbepositioned.

Finally,basedontheassemblyexperimentalplatform,theeffectivenessandperformanceofthelowcouplingnano-positioningstageanditsdrivingcontrolsystemisverifiedthroughtheexperimentoftracking0.625Hz,5Hz,10Hzand20Hzharmonicsignal.

Keywords:

nano-positioningstage;flexurehinge;ATmega128microcontroller;control

第1章绪论

1.1微动平台研究的意义

随着亚微米和纳米尺度研究的不断深入，超精密定位技术广泛应用于纳米制造中的微定位和微装配、生物工程中的细胞操作与精密医疗手术、光学测量、数据存储、半导体和微电子、通讯等领域，成为微/纳米制造和微机电系统（MEMS）中的一个关键技术。

例如：

扫描隧道显微镜，原子力显微镜、对单个细胞进行移动与注射，纳米材料试验，图像的光学自动对焦，三维形貌的扫描测量，磁盘磁头的伺服驱动等。

以扫描隧道显微镜、原子力显微镜和磁盘伺服系统为例。

扫描隧道显微镜和原子力显微镜的发明从根本上改变了许多科研领域，包括生物、化学、材料科学和物理[1]。

利用一个扫描探针显微镜在纳米尺度进行的操作和检测要求定位系统有原子级的分辨率。

在扫描探针显微镜的应用中，超精密定位应用在控制样品表面的探针扫描以及控制探针和表面间相对位置关系。

就磁盘伺服系统而言，一直在增加的磁盘信息密度使得磁盘信息轨道上读写头的超精密定位成为了一个重要问题。

硬盘伺服驱动的一个设计原则是数据轨道的中心和边缘的位置标准偏差的三倍值必须小于轨道宽度的1/10。

为了获得极高的信息面密度，就需要纳米级别的精密定位伺服系统。

所有纳米操作及超级精密制造的研究及应用领域的进一步发展，都需要依靠高精度的定位平台和更高的控制精度。

因此，纳米技术的一个关键点就是纳米级超精密定位，而定位平台的驱动和控制，是该关键技术的瓶颈。

压电驱动器是近年来发展起来的新型微位移驱动器，它克服了机械式、液压式、气动式、电磁式等驱动器惯性大、响应慢、结构复杂、可靠性差不足，具有位移分辨率高、相应快、功耗小、无噪声等优点，广泛应用于超精密定位领域。

柔性铰链较之于传统的刚性铰链,有其自身的许多优点,如高精度、无摩擦、无滞后（无间隙）、无磨损、无静态阻力、免润滑等,因此，柔性铰链在扫描隧道显微镜、原子力显微镜、光纤对接等精密运动领域得到广泛应用[2]。

压电驱动器和柔性铰链的这些优点，使得以压电驱动器作为驱动元件，以柔性铰链机构作为柔性导轨的微动平台能够提供高定位精度和快响应速度。

因此，研究基于压电陶瓷驱动器和柔性铰链的微动平台得到了广泛重视[3]。

为提高压电陶瓷驱动微动平台的定位精度和响应速度，必须在充分利用压电陶瓷驱动器和柔性铰链优点的同时，减小其固有的位移伸长量小、蠕变、迟滞非线性以及不能承受拉力和扭力等缺点所带来的负面影响。

因此，高性能柔性导轨的设计、压电陶瓷驱动器迟滞非线性和蠕变的消除、高精度定位误差的控制以及与其相关的各种关键技术的研究也就变得十分重要。

1.2微动平台关键技术研究现状

基于压电陶瓷和柔性铰链的诸多优点，越来越多的专家和学者对压电陶瓷驱动的柔性铰链微动平台进行了研究，其基本原理是以柔性铰链为导向机构的基本单元及柔性铰链支承组成微位移机构，以压电陶瓷驱动器为驱动机构，使柔性铰链变形带动整个运动机构产生运动实现精密定位。

主要的研究工作在于柔性铰链平台设计优化和微动平台的控制技术。

1.2.1柔性铰链微动平台的研究现状

近年来国内外已有相关研究单位研制体积小、精度高、具纳米级（1nm～100nm）的二维微动工作台。

美国国家标准局的Scire和Teague在1978年首先采用柔性铰链为导向机构、压电陶瓷驱动的一维平移微动平台（图1.1）。

该微动平台采用杠杆原理和单平行四杆机构相结合柔性铰链整体式结构，外形尺寸仅为100mm×100mm×20mm，行程为5μm，微定位分辨力1nm[4]。

新加坡南洋理工大学PengGao在1999年利用两级放大原理和双平行四杆机构原理设计了大位移高分辨率微定位平台，其工作原理如图1.2所示，运动范围达到40μm×45μm，分辨率分别达到了0.020μm和0.018μm[5]。

2006年，伊利诺依大学香槟分校的QingYao等人研制了二维并联微动XY微动平台。

如图1.3所示，该微动平台用压电陶瓷驱动，采用柔性铰链为弹性支承的柔性平行四连杆结构为运动导向，工作行程为87μm×87μm，开环谐振频率为536Hz，闭环的定位精度达到了20nm，且具有很好的线性度[6]。

2008年，纽卡斯尔大学的YuenKuanYong等人研制了基于柔性铰链的二维微动平台。

如图1.4所示，该微动平台工作行程25μm×25μm，一阶固有频率为2.5kHz，两坐标轴的交叉耦合达到了-35dB[7]。

西安交通大学研制的二维高精度磁悬浮定位平台，如图1.5，垂直方向的悬浮精度在10μm以内，最大行程为500mm。

二维磁悬浮平台上、下层成功地获得了5自由度的稳定悬浮，定位平台上层在模拟PID电路控制下获得了较好的悬浮效果，可使垂直方向的悬浮精度达到8μm以内，最好的通道达到4μm，而定位平台下层垂直方向的悬浮精度可稳定在6μm以内。

1.2.2　微动平台控制技术的研究现状

采取适当的驱动方式、控制方式和控制算法对微动平台进行控制会大大提高微动平台的定位精度。

在驱动方式上，可采用电荷驱动或电压驱动；在控制方式上，可采用开环控制或闭环控制；而在控制算法上，除了传统的PID控制外，还出现了许多前馈控制[8]、模糊控制、自适应控制、神经网络控制等新的算法[9]。

（1）电荷驱动控制

电荷驱动控制是依据压电陶瓷驱动器的位移与驱动电压不成正比，而与驱动电荷近似成正比的原理来对压电陶瓷驱动器进行控制的[10]。

同电压驱动式开环控制相比，电荷驱动式开环控制使压电陶瓷驱动器的非线性大大减小。

但这种方法所获得的线性是在小电场及忽略载荷的情况下实现的。

为使其适应各种情况，同时具有较好的动态特性，通常都将电荷驱动与闭环控制相结合。

电荷驱动控制方法的一个缺点是必须采取一定的措施减少电荷泄漏，否则就无法稳定地进行控制。

（2）电压驱动开环控制

电压驱动开环控制主要是通过软件技术控制压电陶瓷驱动器的驱动电压，从而实现压电陶瓷驱动器的位移控制。

由于开环控制是基于模型的控制，所以在进行开环控制时必须知道压电陶瓷驱动器的数学模型。

开环控制系统组成简单，成本较低，但由于其控制精度主要取决于所拟合的压电陶瓷驱动器的特征曲线，而该特征曲线往往随载荷状况而变化，当对象或控制装置受到干扰或工作过程中特性参数变化时，会使被控对象偏离给定值，而输入的控制信号不变，误差得不到补偿，再加上压电陶瓷在恒定电场下的蠕变，所以控制精度较低。

（3）电压驱动闭环控制

电压驱动闭环控制是通过位移传感器检测出压电陶瓷驱动器的实际位移，并与给定位移进行比较，得到二者之间的偏差，该偏差经控制器运算后得到压电陶瓷驱动器的驱动电压，从而实现压电陶瓷驱动器的位移控制。

采用电压驱动实现起来简单方便，可以将AVR等高性能的微处理器引入以实现数字化可调电压，具有输出精度高、调节方便等特点，同时所带来的缺陷是压电陶瓷的迟滞非线性，但可以通过闭环控制来补偿。

因此电压驱动闭环控制是一种被广泛采用的驱动控制方式。

（4）控制算法

无论电荷驱动还是电压驱动，开环控制还是闭环控制，要使微动平台达到所需的定位精度及动态特性，都必需与一定的控制算法相结合。

除了传统的PID控制算法外，还出现了许多新的算法，如模糊算法、自适应算法、遗传算法、神经网络算法，以及将某两种方法结合起来的复合控制算法等。

PID控制是最早发展起来的控制策略之一，因其算法简单，鲁棒性能好，被广泛用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定型控制系统。

采用PID方法对由压电陶瓷微驱动器驱动的超精密定位平台进行控制，从而使微定位系统的稳态定位精度提高，动态响应速度变快。

传统的数字PID控制算法简单，易于实现，实用性强，是目前应用最为广泛的控制算法，但是存在参数整定的困难，一般根据实际工程经验整定。

从上述分析可以看出，电压驱动闭环控制是一种比较理想的驱动控制方式，随着单片机技术的发展，如果将单片机技术引入以实现高精度数字式电压驱动控制，再结合传统的PID算法，在微动平台的超精密定位的控制上将显示出巨大的应用潜力。

1.3　本论文所完成的工作

本论文在分析微动平台的技术要求的基础上，制定了整体设计方案，设计了二维解耦平台，研制了以ATmega128为核心的运动控制系统。

具体研究内容如下：

（1）将微动平台分为机械部分、致动器驱动部分、位位移检测部分、闭环控制系统四个部分，完成了整体方案的设计；

（2）设计了一个综合杠杆放大机构和柔性铰链的二维低耦合微动平台，通过杠杆对称，平衡不对称刚度，加解耦槽，开圆铰等措施，达到减小运动耦合，提高放大比的目标；

（3）设计了二维微动平台的控制系统，由基于ATmega128为核心以及以ADS8325为A/D转换模块、DAC8564为D/A转换模块组成的硬件系统；

（4）编制了控制软件，包括ADS8325和DAC8564与ATmega128单片机的SPI通讯程序、PID控制模型、ATmega128单片机与上位机的串口通讯程序等；

（5）控制实验及数据分析:

组装了二维微动实验平台，并进行了0.625Hz、5Hz、10Hz和20Hz的谐波轨迹的跟随实验，验证了论文所设计的二维低耦合微动平台及其控制系统的有效性，以及平台的运动跟随性能。

第2章微动平台总体方案设计

2.1微动平台总体设计方案

2.1.1微动平台设计目标

本论文的二维微动定位平台的设计目标参数为：

行程100μm×100μm，驱动的开环分辨率为1nm，精度10nm，工作频率范围0~100Hz。

2.1.2微致动器选择

微位移致动器是超精密定位系统的关键部分，在亚微米及纳米尺度上，主要有以下几种微位移致动器（或称驱动器）：

形状记忆合金致动器、直线电机致动器、静电致动器、电致伸缩致动器、超磁致伸缩致动器和压电陶瓷致动器。

（1）形状记忆合金致动器

形状记忆合金致动器又称热致动器。

形状记忆合金在发生塑性变形后，经过合适的热过程，能够恢复到变形前的状态。

在精密定位方面主要利用其单程形状记忆效应并借助外力随温度升降作反复运动。

与传统机械或者电磁驱动方式相比较最显著的特点是，它几乎没有驱动能量的消耗。

但是形状记忆合金的一个大的缺点就是它的频响非常低，不能应用在需要快速定位的场合。

文献[11]介绍了形状记忆合金在微崩和微机械臂中的应用。

（2）直线电机致动器

由永磁体阵列和多相位电磁线圈组成的直线电机同样利用电磁力驱动，并具有很高的位移分辨率。

不同的是直线电机的行程要远大于单相电磁线圈驱动。

因此，直线电机式工作台可实现大范围运动。

直线电机动子用磁悬浮支撑，因而使得动子和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触，消除了定、动子间的接触摩擦阻力，大大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性。

文献[12]介绍了为光刻机工件台应用而设计的基于直线电机驱动的H型气浮精密定位平台。

（3）静电致动器

静电致动器的原理为在两个能够产生牵引力的传导极板上具有不同的电荷当在极板间施加一定的电压，他们之间产生牵引力使传导极板产生位移。

严格来说，由于静电执行器的极板间隙很小，几粒灰尘就可能导致系统的崩溃。

同时要得到足够大的牵引力使极板产生位移，需要非常高的外部电压。

静电致动器能提供的力很小。

基于MEMS的静电致动器包括交叉型和并行型,常被用在硬盘伺服驱动系统的二级平台上[13]。

（4）电致伸缩致动器

任何介质在电场中，由于诱导极化作用，都会引起介质的变形。

由于诱导极化作用而产生形变的现象，称为电致伸缩效应。

由于电致伸缩执行器产生的形变和外电场的平方成正比，从而导致出现执行器在低电压段位移分辨率高、在高压段位移分辨率低的现象，实际上降低了执行器的整体分辨率。

同时，该材料的温漂系数比较大，在高精度应用中对环境温度要求较高。

文献[14]设计了一种基于电致伸缩致动器的微动平台，应用于磨床精密加工应用中。

（5）压电陶瓷致动器

压电陶瓷（PZT）执行器由于具有分辨率高、产生推力大、响应速度快、不受磁场干扰、发热小、几乎没有能耗等特点，在国内外得到了较为广泛的应用。

但是，压电陶瓷具有蠕变、磁滞以及非线性特性等不足，给压电陶瓷的控制提出了更高的要求。

（6）超磁致伸缩致动器

铁磁和亚铁磁材料在磁场中磁化状态改变时，会引起尺寸或体积的微小变化，这种现象称为磁致伸缩现象，也称焦耳效应。

GMA利用磁致伸缩材料（简写GMM）的纵向磁弹性变化来实现微位移的精密定位。

磁致伸缩需要的能量比压电陶瓷材料更高，但是能提供更大的位移，而且单位应力的应变比比PZT致动器高。

适合于小位移大驱动力的应用中。

文献[15]介绍了几种超磁致伸缩致动器的应用实例。

本论文综合考虑行程、力、带宽、尺寸、重量和功耗等因素选用压电陶瓷致动器作为微位移产生装置。

压电陶瓷微位移驱动器的基本工作原理是利用压电陶瓷的逆压电效应[16]：

施加电场的瞬间，材料产生可控的应变，应变遵循基本的逆压电方程：

（2.1）

式中，S为应变，E为电场强度。

压电陶瓷驱动器具有分辨率高、产生推力大、响应速度快、不受磁场干扰、发热小、几乎没有能耗等优点，但程秀兰其固有的迟滞、蠕变等非线性特性也给高精度的位移控制带来一定的困难，因此，本论文通过闭环控制来改善这一问题。

2.1.3系统总体方案

本论文拟定的二维微动平台系统组成方案，如图2.1所示。

该微动平台通过微动柔性机构运动，以压电陶瓷作为致动器，光栅微位移传感器信号经调理后进入AD转换模块，控制信号通过DA转换模块对二维平台进行控制。

其方案设计见图2.2和图2.3。

方案一：

用上位机作为控制器，运算速度快，有利于利用LABVIEW、MATLAB等软件进行运算，AD\DA转换模块可采用集成的DA\DA卡或DAQ卡，具有更高的精度和可靠性。

方案二：

控制模型在下位机上，上位机只负责简单模式命令的输出和实时位置图形的还原。

该方案无需计算机和数据采集卡，可改造成移动式驱动系统，选择合适的高速指令的微控制器能够满足运算要求，综上分析采用方案二。

2.2　基于ATmega128微控制器的压电陶瓷驱动控制系统总体设计

基于ATmega128微控制器的系统主要包括如下几个部分：

基于ATmega128微控制器控制系统（包括控制器最小系统、AD及DA转换模块、人机交互设计）、稳压直流电压源以及高压线性放大电路，如图2.4所示。

它们的协同工作方式是：

ATmega128微控制器负责解析键盘发来的指令，利用AD转换得到的实时位置信号，经过内置其中的控制模型计算出实时控制量，通过DA输出至高压线性电路，经电压与功率放大后供给压电陶瓷。

而稳压直流电源可为控制系统部分提供能量。