《實現大行程納米定位的平面電磁致動器的基礎研究》是依託上海交通大學，由張波擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：實現大行程納米定位的平面電磁致動器的基礎研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：張波
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
大行程納米級精密定位是納米製造裝備與儀器中最具挑戰性的問題之一，其技術難點包括具有大行程納米級定位精度和高頻寬的致動器(Actuator)與亞納米解析度的位移感測器。針對當前納米加工和測量裝備定位平台存在的局限性，提出多尺度運動納米級定位的磁浮平面電磁致動器，具有雙繞組結構，實現懸浮力和推力完全解耦。建立致動器多物理場耦合模型，最佳化磁場細微分布，揭示磁場、溫度場、應變場之間的相互影響規律，分析溫度場、應變場對納米尺度定位的影響；建立考慮柔體效應的致動器剛柔耦合動力學模型，揭示動子振動對納米尺度定位的影響；綜合考慮靜、動力學，最佳化致動器結構；研究基於動力學模型的多尺度運動控制方法，解決致動器開環不穩定參數辨識問題、多軸運動耦合問題以及多尺度運動規劃問題，實現多尺度運動的快速納米定位。研究成果套用於納米機械加工工具機、雷射直寫光刻機及基於原子力顯微鏡的納米測量儀等裝備。
結題摘要
微結構的銑削加工裝備、雷射直寫光刻機、基於AFM 的掃描測量裝備以及航天飛行器雷射通訊的指向系統等要求伺服系統具有毫米級運動行程和納米級位移定位解析度。針對以上需求存在的科學問題，本項目首先提出跨尺度運動納米定位致動器構型，具有雙層繞組結構，實現了懸浮力和水平推力的解耦。提出了基於微分求積方法求解不規則磁陣列磁場分布，解決了不規則磁陣列邊緣磁場求解問題；以磁密和諧波含量的幅值為目標，永磁體的寬度/高度比率和傾斜角為最佳化變數最佳化永磁體尺寸，寬度/高度比率接近1時，諧波含量最小。建立線性驅動單元數值分析模型，分析了邊緣效應、永磁體間隙對諧波的影響。開展了線性驅動單元快速原型系統模型的建立，辨識系統參數，進行了50nm步進實驗，穩定狀態下位移波動峰峰值±20nm，驗證了線性電磁驅動單元能夠實現納米級的定位精度。基於線性驅動單元設計了平面驅動納米定位平台，建立了平面運動定位平台的動力學模型並進行分析，設計了平面三自由度平台控制器，對平面內的三個自由度進行控制。為了提高穩態精度和動態性能，分別提出了基於干擾觀測器的控制系統和基於時滯濾波算法的控制系統，驗證了基於干擾觀測器的控制器的有效性，平面三自由度磁驅定位平台在穩定狀態下位移波動的峰峰值為±30nm；設計了納米定位平台PIR控制器，採用粒子群算法最佳化控制器參數，相對於PIDN控制器速度環和位置環回響時間提升明顯。項目同時提出了基於柔性鉸鏈和音圈電機的大行程納米定位平台，最佳化柔性鉸鏈構型，系統位置定位解析度為127nm（峰峰值）/31nm(均方根值)。項目驗證了所提出的線性驅動單元的可行性，實現了平面三自由度的納米級定位精度，研究成果可套用於微納加工和航天領域。
