微動平臺參考資料

摘要微動平臺的機構優(yōu)化及其超精運動控制技術，是目前微/納制造領域中的研究熱點之一，具有廣闊的應用前景。為此，本文在優(yōu)化設計基于柔性鉸鏈的二維微動平臺本體結構，并分析其靜/動力學性能的根底上，以高性能ATmega128微控制器為中心測控單元，PA85為功率放大模塊，結合傳統(tǒng)的PID控制技術，研發(fā)了一套數(shù)字式的二維微動平臺驅動控制系統(tǒng)，并實現(xiàn)了系統(tǒng)的集成。研究的主要工作如下：首先，提出了一個由壓電陶瓷驅動器、柔性鉸鏈平臺機構、衍射光柵位移傳感器和微控制器構成的二維微動平臺的總體設計方案；并在此根底上設計了一個綜合杠桿放大和柔性鉸鏈機構的二維低耦合微動平臺結構，其運動放大比為5，工作行程為100μm×100μm。然后，采用通用有限元軟件ANSYS對優(yōu)化后的平臺進行了靜力、動態(tài)特性和瞬態(tài)響應分析，驗證了所設計二維平臺的運動傳遞、靜態(tài)和動態(tài)力學特性。其次，針對二維微動平臺的超精密控制要求，研制了由ATmega128微控制器、ADS8325模數(shù)轉換模塊、DAC8564數(shù)模轉換模塊組成的控制系統(tǒng)的硬件局部；并編制了微控制器與AD、DA模塊進行SPI通訊以及與上位機串行通訊的接口程序，實現(xiàn)了PID控制運算模型；采用負反應線性電壓放大電路，將控制信號進行電壓與功率放大后驅動壓電陶瓷，進而控制微動平臺運動。最后，組裝了二維微動實驗平臺，并進行了0.625Hz、5Hz、10Hz和20Hz的諧波軌跡的跟隨實驗，驗證了論文所設計的二維低耦合微動平臺及其控制系統(tǒng)的有效性和運動跟隨性能。關鍵詞：微動平臺；柔性鉸鏈；ATmega128微控制器；控制

ABSTRACTMicromotionstageisoneofthemosthotresearchfieldswithbroadprospect,ofwhichthekeytechnologyisitsmechanismandprecisionpositioningcontrol.Themechanismofatwo-dimensionalnano-manipulatorisoptimizedanditsstaticanddynamicperformancesareanalyzedwithFEMinANSYS.Hence,thedrivingcontrolsystemforthisnano-positioningstageisdevelopedandtheintegratedexperimentalplatformisrealized,applycontroltechnology.Thecontentsofthisdissertationasbelow:Firstofall,thethesisproposestheoverallschemeofthenano-positioningstageanddesignsalowcouplingtwo-dimensionalnano-manipulatorhavingflexurehingesandlevermechanismswithmagnifyingratio5,ofwhichtheworkingstrokeis100μm×100μm.nano-manipulatorMoreover,fortheprecisionpositioningcontrolofthenano-positioningstage,thethesisdevelopsitshardwareofthiscontrolsystem,consistingofATmega128MCU,ADS8325A/Dmodule,DAC8564D/Amodule.FurthermoreA/D,D/Amoduleisrealized,aswhileasthecalculatemodelofPIDcontrol.Thedesignadoptsnegativefeedbackhigh-voltageamplifiercircuittoamplifycontrolsignaltodrivethepiezoactuator,sothatthenano-manipulatorFinally,basedontheassemblyexperimentalplatform,theeffectivenessandperformanceofthelowcouplingnano-positioningstageanditsdrivingcontrolsystemisverifiedthroughtheexperimentoftracking,5Hz,10Hzand20Hzharmonicsignal.Keywords:nano-positioningstage;flexurehinge;ATmega128microcontroller;control

目錄摘要 IABSTRACT II第1章緒論 11.1微動平臺研究的意義 11.2微動平臺關鍵技術研究現(xiàn)狀 21.2.1柔性鉸鏈微動平臺的研究現(xiàn)狀 2微動平臺控制技術的研究現(xiàn)狀 4本論文所完成的工作 6第2章微動平臺總體方案設計 7微動平臺總體設計方案 72.1.1微動平臺設計目標 72.1.2微致動器選擇 72.1.3系統(tǒng)總體方案 9基于ATmega128微控制器的壓電陶瓷驅動控制系統(tǒng)總體設計 10第3章二維微動平臺的結構設計及其特性分析 12二維微動平臺的結構優(yōu)化設計 123.1.1減小兩運動方向的耦合 133.1.2增大運動放大比 143.1.3仿真和性能分析 153.2二維微動平臺的靜/動力學分析 16靜態(tài)分析 183.2.2動態(tài)特性分析 213.2.3瞬態(tài)響應分析 22第4章基于ATmega128微控制器的控制系統(tǒng)設計 264.1微控制器系統(tǒng)設計 264.1.1微控制器資源 264.1.2微控制器開發(fā)板MEGA128開發(fā)板硬件資源 284.1.3微控制器軟件設計 304.2AD/DA及模數(shù)轉換接口設計 314.2.1ADS8325特性及接口設計 314.2.2DAC8564特性及接口設計 334.3人機交互接口設計 364.3.1鍵盤接口設計 364.3.2液晶顯示接口設計 374.4開發(fā)、調試環(huán)境及與上位機的通信接口 404.4.1單線背景調試及AVRStudio運行環(huán)境 404.4.2串行通訊接口及上位機介紹 414.5控制系統(tǒng)相關軟件程序的編制 42第5章控制實驗及數(shù)據(jù)分析 47未加光柵檢測局部的開環(huán)跟隨實驗 47加光柵檢測局部的開環(huán)跟隨實驗 49第6章總結與展望 51參考文獻 53攻讀學士學位期間完成的科研成果 55致謝 56附錄A微動平臺實物圖 57附錄B微控制器引腳圖 58附錄C控制系統(tǒng)實物圖 59附錄D實驗平臺實物圖 60第1章緒論微動平臺研究的意義隨著亞微米和納米尺度研究的不斷深入，超精密定位技術廣泛應用于納米制造中的微定位和微裝配、生物工程中的細胞操作與精密醫(yī)療手術、光學測量、數(shù)據(jù)存儲、半導體和微電子、通訊等領域，成為微/納米制造和微機電系統(tǒng)〔MEMS〕中的一個關鍵技術。例如：掃描隧道顯微鏡，原子力顯微鏡、對單個細胞進行移動與注射，納米材料試驗，圖像的光學自動對焦，三維形貌的掃描測量，磁盤磁頭的伺服驅動等。以掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡和磁盤伺服系統(tǒng)為例。掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的創(chuàng)造從根本上改變了許多科研領域，包括生物、化學、材料科學和物理[1]。利用一個掃描探針顯微鏡在納米尺度進行的操作和檢測要求定位系統(tǒng)有原子級的分辨率。在掃描探針顯微鏡的應用中，超精密定位應用在控制樣品外表的探針掃描以及控制探針和外表間相對位置關系。就磁盤伺服系統(tǒng)而言，一直在增加的磁盤信息密度使得磁盤信息軌道上讀寫頭的超精密定位成為了一個重要問題。硬盤伺服驅動的一個設計原那么是數(shù)據(jù)軌道的中心和邊緣的位置標準偏差的三倍值必須小于軌道寬度的1/10。為了獲得極高的信息面密度，就需要納米級別的精密定位伺服系統(tǒng)。所有納米操作及超級精密制造的研究及應用領域的進一步開展，都需要依靠高精度的定位平臺和更高的控制精度。因此，納米技術的一個關鍵點就是納米級超精密定位，而定位平臺的驅動和控制，是該關鍵技術的瓶頸。壓電驅動器是近年來開展起來的新型微位移驅動器，它克服了機械式、液壓式、氣動式、電磁式等驅動器慣性大、響應慢、結構復雜、可靠性差缺乏，具有位移分辨率高、相應快、功耗小、無噪聲等優(yōu)點，廣泛應用于超精密定位領域。柔性鉸鏈較之于傳統(tǒng)的剛性鉸鏈,有其自身的許多優(yōu)點,如高精度、無摩擦、無滯后〔無間隙〕、無磨損、無靜態(tài)阻力、免潤滑等,因此，柔性鉸鏈在掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、光纖對接等精密運動領域得到廣泛應用[2]。壓電驅動器和柔性鉸鏈的這些優(yōu)點，使得以壓電驅動器作為驅動元件，以柔性鉸鏈機構作為柔性導軌的微動平臺能夠提供高定位精度和快響應速度。因此，研究基于壓電陶瓷驅動器和柔性鉸鏈的微動平臺得到了廣泛重視[3]。為提高壓電陶瓷驅動微動平臺的定位精度和響應速度，必須在充分利用壓電陶瓷驅動器和柔性鉸鏈優(yōu)點的同時，減小其固有的位移伸長量小、蠕變、遲滯非線性以及不能承受拉力和扭力等缺點所帶來的負面影響。因此，高性能柔性導軌的設計、壓電陶瓷驅動器遲滯非線性和蠕變的消除、高精度定位誤差的控制以及與其相關的各種關鍵技術的研究也就變得十分重要。微動平臺關鍵技術研究現(xiàn)狀基于壓電陶瓷和柔性鉸鏈的諸多優(yōu)點，越來越多的專家和學者對壓電陶瓷驅動的柔性鉸鏈微動平臺進行了研究，其根本原理是以柔性鉸鏈為導向機構的根本單元及柔性鉸鏈支承組成微位移機構，以壓電陶瓷驅動器為驅動機構，使柔性鉸鏈變形帶動整個運動機構產生運動實現(xiàn)精密定位。主要的研究工作在于柔性鉸鏈平臺設計優(yōu)化和微動平臺的控制技術。柔性鉸鏈微動平臺的研究現(xiàn)狀近年來國內外已有相關研究單位研制體積小、精度高、具納米級(1nm～100nm)的二維微開工作臺。圖1.1單平行四桿機構一維定位平臺美國國家標準局的Scire和Teague在1978年首先采用柔性鉸鏈為導向機構、壓電陶瓷驅動的一維平移微動平臺〔圖1.1〕。該微動平臺采用杠桿原理和單平行四桿機構相結合柔性鉸鏈整體式結構，外形尺寸僅為100mm×100mm×20mm，行程為5μm，微定位分辨力1nm[4圖1.1單平行四桿機構一維定位平臺新加坡南洋理工大學PengGao在1999年利用兩級放大原理和雙平行四桿機構原理設計了大位移高分辨率微定位平臺，其工作原理如下圖，運動范圍到達40μm×45μ0μ8μm[5]。圖1.2雙平行四桿機構二維定位平臺2006年，伊利諾依大學香檳分校的QingYao等人研制了二維并聯(lián)微動XY微動平臺。如圖1.3所示，該微動平臺用壓電陶瓷驅動，采用柔性鉸鏈為彈性支承的柔性平行四連桿結構為運動導向，工作行程為87μm×87μm，開環(huán)諧振頻率為536Hz，閉環(huán)的定位精度到達了20nm，且具有很好的線性度[6]圖1.2雙平行四桿機構二維定位平臺圖QingYao設計的二維并聯(lián)XY微動平臺2023年，紐卡斯爾大學的YuenKuanYong等人研制了基于柔性鉸鏈的二維微動平臺。如圖1.4所示，該微動平臺工作行程25μm×25μm圖QingYao設計的二維并聯(lián)XY微動平臺圖YuenKuanYong設計的二維微動平臺西安交通大學研制的二維高精度磁懸浮定位平臺，如圖1.5，垂直方向的懸浮精度在10μm以內，最大行程為圖YuenKuanYong設計的二維微動平臺圖圖1.5二維磁懸浮平臺實物圖微動平臺控制技術的研究現(xiàn)狀采取適當?shù)尿寗臃绞?、控制方式和控制算法對微動平臺進行控制會大大提高微動平臺的定位精度。在驅動方式上，可采用電荷驅動或電壓驅動；在控制方式上，可采用開環(huán)控制或閉環(huán)控制；而在控制算法上，除了傳統(tǒng)的PID控制外，還出現(xiàn)了許多前饋控制[8]、模糊控制、自適應控制、神經網(wǎng)絡控制等新的算法[9]?！?〕電荷驅動控制電荷驅動控制是依據(jù)壓電陶瓷驅動器的位移與驅動電壓不成正比，而與驅動電荷近似成正比的原理來對壓電陶瓷驅動器進行控制的[10]。同電壓驅動式開環(huán)控制相比，電荷驅動式開環(huán)控制使壓電陶瓷驅動器的非線性大大減小。但這種方法所獲得的線性是在小電場及忽略載荷的情況下實現(xiàn)的。為使其適應各種情況，同時具有較好的動態(tài)特性，通常都將電荷驅動與閉環(huán)控制相結合。電荷驅動控制方法的一個缺點是必須采取一定的措施減少電荷泄漏，否那么就無法穩(wěn)定地進行控制?！?〕電壓驅動開環(huán)控制電壓驅動開環(huán)控制主要是通過軟件技術控制壓電陶瓷驅動器的驅動電壓，從而實現(xiàn)壓電陶瓷驅動器的位移控制。由于開環(huán)控制是基于模型的控制，所以在進行開環(huán)控制時必須知道壓電陶瓷驅動器的數(shù)學模型。開環(huán)控制系統(tǒng)組成簡單，本錢較低，但由于其控制精度主要取決于所擬合的壓電陶瓷驅動器的特征曲線，而該特征曲線往往隨載荷狀況而變化，當對象或控制裝置受到干擾或工作過程中特性參數(shù)變化時，會使被控對象偏離給定值，而輸入的控制信號不變，誤差得不到補償，再加上壓電陶瓷在恒定電場下的蠕變，所以控制精度較低?！?〕電壓驅動閉環(huán)控制電壓驅動閉環(huán)控制是通過位移傳感器檢測出壓電陶瓷驅動器的實際位移，并與給定位移進行比擬，得到二者之間的偏差，該偏差經控制器運算后得到壓電陶瓷驅動器的驅動電壓，從而實現(xiàn)壓電陶瓷驅動器的位移控制。采用電壓驅動實現(xiàn)起來簡單方便，可以將AVR等高性能的微處理器引入以實現(xiàn)數(shù)字化可調電壓，具有輸出精度高、調節(jié)方便等特點，同時所帶來的缺陷是壓電陶瓷的遲滯非線性，但可以通過閉環(huán)控制來補償。因此電壓驅動閉環(huán)控制是一種被廣泛采用的驅動控制方式。〔4〕控制算法無論電荷驅動還是電壓驅動，開環(huán)控制還是閉環(huán)控制，要使微動平臺到達所需的定位精度及動態(tài)特性，都必需與一定的控制算法相結合。除了傳統(tǒng)的PID控制算法外，還出現(xiàn)了許多新的算法，如模糊算法、自適應算法、遺傳算法、神經網(wǎng)絡算法，以及將某兩種方法結合起來的復合控制算法等。PID控制是最早開展起來的控制策略之一，因其算法簡單，魯棒性能好，被廣泛用于工業(yè)過程控制，尤其適用于可建立精確數(shù)學模型確實定型控制系統(tǒng)。采用PID方法對由壓電陶瓷微驅動器驅動的超精密定位平臺進行控制，從而使微定位系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)定位精度提高，動態(tài)響應速度變快。傳統(tǒng)的數(shù)字PID控制算法簡單，易于實現(xiàn)，實用性強，是目前應用最為廣泛的控制算法，但是存在參數(shù)整定的困難，一般根據(jù)實際工程經驗整定。從上述分析可以看出，電壓驅動閉環(huán)控制是一種比擬理想的驅動控制方式，隨著單片機技術的開展，如果將單片機技術引入以實現(xiàn)高精度數(shù)字式電壓驅動控制，再結合傳統(tǒng)的PID算法，在微動平臺的超精密定位的控制上將顯示出巨大的應用潛力。1.3本論文所完成的工作本論文在分析微動平臺的技術要求的根底上，制定了整體設計方案，設計了二維解耦平臺，研制了以ATmega128為核心的運動控制系統(tǒng)。具體研究內容如下：〔1〕將微動平臺分為機械局部、致動器驅動局部、位位移檢測局部、閉環(huán)控制系統(tǒng)四個局部，完成了整體方案的設計；〔2〕設計了一個綜合杠桿放大機構和柔性鉸鏈的二維低耦合微動平臺，通過杠桿對稱，平衡不對稱剛度，加解耦槽，開圓鉸等措施，到達減小運動耦合，提高放大比的目標；〔3〕設計了二維微動平臺的控制系統(tǒng)，由基于ATmega128為核心以及以ADS8325為A/D轉換模塊、DAC8564為D/A轉換模塊組成的硬件系統(tǒng)；〔4〕編制了控制軟件，包括ADS8325和DAC8564與ATmega128單片機的SPI通訊程序、PID控制模型、ATmega128單片機與上位機的串口通訊程序等；〔5〕控制實驗及數(shù)據(jù)分析:組裝了二維微動實驗平臺，并進行了0.625Hz、5Hz、10Hz和20Hz的諧波軌跡的跟隨實驗，驗證了論文所設計的二維低耦合微動平臺及其控制系統(tǒng)的有效性，以及平臺的運動跟隨性能。

第2章微動平臺總體方案設計微動平臺總體設計方案微動平臺設計目標本論文的二維微動定位平臺的設計目標參數(shù)為：行程100μm×100μm，驅動的開環(huán)分辨率為1nm，精度10nm，工作頻率范圍0~100Hz。微致動器選擇微位移致動器是超精密定位系統(tǒng)的關鍵局部，在亞微米及納米尺度上，主要有以下幾種微位移致動器〔或稱驅動器〕：形狀記憶合金致動器、直線電機致動器、靜電致動器、電致伸縮致動器、超磁致伸縮致動器和壓電陶瓷致動器?！?〕形狀記憶合金致動器形狀記憶合金致動器又稱熱致動器。形狀記憶合金在發(fā)生塑性變形后，經過適宜的熱過程，能夠恢復到變形前的狀態(tài)。在精密定位方面主要利用其單程形狀記憶效應并借助外力隨溫度升降作反復運動。與傳統(tǒng)機械或者電磁驅動方式相比擬最顯著的特點是，它幾乎沒有驅動能量的消耗。但是形狀記憶合金的一個大的缺點就是它的頻響非常低，不能應用在需要快速定位的場合。文獻[11]介紹了形狀記憶合金在微崩和微機械臂中的應用?！?〕直線電機致動器由永磁體陣列和多相位電磁線圈組成的直線電機同樣利用電磁力驅動，并具有很高的位移分辨率。不同的是直線電機的行程要遠大于單相電磁線圈驅動。因此，直線電機式工作臺可實現(xiàn)大范圍運動。直線電機動子用磁懸浮支撐，因而使得動子和定子之間始終保持一定的空氣隙而不接觸，消除了定、動子間的接觸摩擦阻力，大大地提高了系統(tǒng)的靈敏度、快速性和隨動性。文獻[12]介紹了為光刻機工件臺應用而設計的基于直線電機驅動的H型氣浮精密定位平臺?！?〕靜電致動器靜電致動器的原理為在兩個能夠產生牽引力的傳導極板上具有不同的電荷當在極板間施加一定的電壓，他們之間產生牽引力使傳導極板產生位移。嚴格來說，由于靜電執(zhí)行器的極板間隙很小，幾?；覊m就可能導致系統(tǒng)的崩潰。同時要得到足夠大的牽引力使極板產生位移，需要非常高的外部電壓。靜電致動器能提供的力很小?；贛EMS的靜電致動器包括交叉型和并行型,常被用在硬盤伺服驅動系統(tǒng)的二級平臺上[13]?！?〕電致伸縮致動器任何介質在電場中，由于誘導極化作用，都會引起介質的變形。由于誘導極化作用而產生形變的現(xiàn)象，稱為電致伸縮效應。由于電致伸縮執(zhí)行器產生的形變和外電場的平方成正比，從而導致出現(xiàn)執(zhí)行器在低電壓段位移分辨率高、在高壓段位移分辨率低的現(xiàn)象，實際上降低了執(zhí)行器的整體分辨率。同時，該材料的溫漂系數(shù)比擬大，在高精度應用中對環(huán)境溫度要求較高。文獻[14]設計了一種基于電致伸縮致動器的微動平臺，應用于磨床精密加工應用中?！?〕壓電陶瓷致動器壓電陶瓷(PZT)執(zhí)行器由于具有分辨率高、產生推力大、響應速度快、不受磁場干擾、發(fā)熱小、幾乎沒有能耗等特點，在國內外得到了較為廣泛的應用。但是，壓電陶瓷具有蠕變、磁滯以及非線性特性等缺乏，給壓電陶瓷的控制提出了更高的要求?！?〕超磁致伸縮致動器鐵磁和亞鐵磁材料在磁場中磁化狀態(tài)改變時，會引起尺寸或體積的微小變化，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮現(xiàn)象，也稱焦耳效應。GMA利用磁致伸縮材料(簡寫GMM)的縱向磁彈性變化來實現(xiàn)微位移的精密定位。磁致伸縮需要的能量比壓電陶瓷材料更高，但是能提供更大的位移，而且單位應力的應變比比PZT致動器高。適合于小位移大驅動力的應用中。文獻[15]介紹了幾種超磁致伸縮致動器的應用實例。本論文綜合考慮行程、力、帶寬、尺寸、重量和功耗等因素選用壓電陶瓷致動器作為微位移產生裝置。壓電陶瓷微位移驅動器的根本工作原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應[16]：施加電場的瞬間，材料產生可控的應變，應變遵循根本的逆壓電方程： (2.1)式中，S為應變，E為電場