I 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
II ABSTRACT
Micro motion stage is one of the most hot research fields with broad prospect, of
which the key technology is its mechanism and precision positioning control. The
mechanism of a two-dimensional nano-manipulator is optimized and its static and
dynamic performances are analyzed with FEM in ANSYS. Hence, the driving control
system for this nano-positioning stage is developed and the integrated experimental
platform is realized, applying ATmega128 as its central control unit and PA85 as power
amplify unit and combining with the traditional PID control technology. The contents of
this dissertation as below:
First of all, the thesis proposes the overall scheme of the nano-positioning stage
and designs a low coupling two-dimensional nano-manipulator having flexure hinges
and lever mechanisms with magnifying ratio 5, of which the working stroke is
100μm×100μm. Besides, FEM analysis of the optimized nano-manipulator in ANSYS
were performed to verify the parasitic motion suppressing effects and guarantee the work
stoke in limited workspace, as while as its statistic and dynamic response characteristics.
Moreover, for the precision positioning control of the nano-positioning stage, the
thesis develops its hardware of this control system, consisting of ATmega128 MCU,
ADS8325 A/D module, DAC8564 D/A module. Furthermore, the compiling of the SPI
communication between the MCU and A/D, D/A module is realized, as while as the
calculate model of PID control. The design adopts negative feedback high-voltage
amplifier circuit to amplify control signal to drive the piezo actuator, so that the
nano-manipulator can be positioned.
Finally, based on the assembly experimental platform, the effectiveness and
performance of the low coupling nano-positioning stage and its driving control system
is verified through the experiment of tracking 0.625Hz, 5Hz, 10Hz and 20Hz harmonic
signal.
Key words: nano-positioning stage; flexure hinge; ATmega128 micro controller;
control III 目 录
摘 要 ................................................. I
ABSTRACT ................................................ II
第1章 绪论 ............................................. 5
1.1 微动平台研究的意义 ........................................ 5
1.2 微动平台关键技术研究现状 .................................. 6
1.2.1 柔性铰链微动平台的研究现状 ........................ 6
1.2.2 微动平台控制技术的研究现状 ........................ 8
1.3 本论文所完成的工作 ....................................... 10
第2章 微动平台总体方案设计 ............................ 11
2.1 微动平台总体设计方案 ..................................... 11
2.1.1 微动平台设计目标 ................................. 11
2.1.2 微致动器选择 ..................................... 11
2.1.3 系统总体方案 ..................................... 13
2.2 基于ATmega128微控制器的压电陶瓷驱动控制系统总体设计 ..... 14
第3章 二维微动平台的结构设计及其特性分析 . 错误!未定义书签。
3.1 二维微动平台的结构优化设计 ................ 错误!未定义书签。
3.1.1 减小两运动方向的耦合 .............. 错误!未定义书签。
3.1.2 增大运动放大比 .................... 错误!未定义书签。
3.1.3 仿真和性能分析 .................... 错误!未定义书签。
3.2 二维微动平台的静/动力学分析 ............... 错误!未定义书签。
3.2.1 静态分析 .......................... 错误!未定义书签。
3.2.2 动态特性分析 ...................... 错误!未定义书签。
3.2.3 瞬态响应分析 ...................... 错误!未定义书签。
第4章 基于ATmega128微控制器的控制系统设计错误!未定义书签。
4.1 微控制器系统设计 .......................... 错误!未定义书签。
4.1.1 微控制器资源 ...................... 错误!未定义书签。
4.1.2 微控制器开发板MEGA128开发板硬件资源错误!未定义书签。
4.1.3 微控制器软件设计 .................. 错误!未定义书签。
4.2 AD/DA及模数转换接口设计 .................. 错误!未定义书签。
4.2.1 ADS8325特性及接口设计 ............ 错误!未定义书签。
4.2.2 DAC8564特性及接口设计 ............ 错误!未定义书签。
4.3 人机交互接口设计 .......................... 错误!未定义书签。
4.3.1 键盘接口设计 ...................... 错误!未定义书签。 IV 4.3.2 液晶显示接口设计 .................. 错误!未定义书签。
4.4 开发、调试环境及与上位机的通信接口 ........ 错误!未定义书签。
4.4.1 单线背景调试及AVR Studio运行环境 . 错误!未定义书签。
4.4.2 串行通讯接口及上位机介绍 .......... 错误!未定义书签。
4.5 控制系统相关软件程序的编制 ................ 错误!未定义书签。
第5章 控制实验及数据分析 ................ 错误!未定义书签。
5.1 未加光栅检测部分的开环跟随实验 ............ 错误!未定义书签。
5.2 加光栅检测部分的开环跟随实验 .............. 错误!未定义书签。
第6章 总结与展望 ........................ 错误!未定义书签。
参考文献 .................................. 错误!未定义书签。
攻读学士学位期间完成的科研成果 ............ 错误!未定义书签。
致 谢 .................................... 错误!未定义书签。
附录A 微动平台实物图 ..................... 错误!未定义书签。
附录B 微控制器引脚图 ..................... 错误!未定义书签。
附录C 控制系统实物图 ..................... 错误!未定义书签。
附录D 实验平台实物图 ..................... 错误!未定义书签。