基于相位跟踪反馈机理的超精密定位系统研究

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1、万方数据DissertationSubmittedfortheDegreeofDoctorofZhejiangUniversityResearchonUrtra-precisionPositioningSystemBasedonPhaseTrackingFeedbackMechanismCandidate：ZhuWeibinSpecialty：ControlTheoryandControlEngineeringSupervisor：Prof．ZhuSananCollegeofElectricalEngineeri

2、ngZhejiangUniversityHangzhou310027，P．RChinaJun．2014感谢万方数据国家自然科学基金项目(No．50705090)对本论文研究的资助万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝望盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位做作者签名

3、糨签字脚九f丫年”／日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解逝望盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝’江盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位做储虢弗蹶签字同期：)。忡年¨月莎同导师签名：签字同期：山Ⅳ年f／月，p同学位论文作者毕业后去向：冲团雌哆P电工作单位：癖困悭曛降。惦?≥s∞∥g∥9∥通讯地址叶团叶墨髫

4、惮叫蝴邮编j卜叫{f万方数据摘要随着精密／JUT、半导体器件制造业、集成制造产业及生物工程等研究领域的不断发展，精度定位技术得到了快速的发展，其精度水平已经由微米量级过渡到纳米量级。传统定位系统采用检测——控制——驱动——执行的系统架构，通过对各个单元模块技术的不断完善来提升系统定位精度，目前由于受到工作原理和加工水平等因素的限制，单元模块精度提升速度减缓(各单元模块的性能已接近当前工艺水平的极限)，研究进入了相对平台期。本文从定位系统的结构入手，提出了一种基于相位跟踪反馈机理的超精密定位新方法，将双频激光干涉过

5、程中拍频信号相位差直接转换为位移驱动信号，简少了传统定位系统中相位差转换为测量位移输出的环节，从原理层面减少了影响定位系统输出精度的误差源，从而提升定位系统的精度、稳定性等指标。本文就相位跟踪反馈机理的超精密定位系统所涉及的理论、方法、误差源和关键技术进行了深入、系统的研究，主要研究工作如下：利用外差式双频激光干涉仪中参考信号与测量信号的相位跟踪锁定单元取代传统定位系统中干涉仪位移监测单元，将测量与参考信号的相位差取代干涉仪测量位移数据作为驱动发生单元输入控制信号，证明了利用基于相位反馈机理的双频激光干涉拍频信号

6、实现超精密定位的原理可行性。根据纳米级精度的定位要求，设计了包括激光干涉系统、相位跟踪控制单元、驱动单元和微位移台等单元的超精密定位系统。根据相位跟踪控制的原理及其技术需求，设计并研制出包含高频信号发生与移相模块、高频鉴相模块和双极性驱动模块的定位系统控制单元，就其工作原理进行了分析，阐述了各模块的电路组成与功能实现过程，分析输出信号并讨论影响电路精度的主要因素。通过产生640MHz的高频信号和分频移相方法，产生具有固定相位差的两路高精度20MHz信号，保证相位跟踪与定位驱动的准确性；设计了高精度、低纹波、双极性

7、的压电陶瓷驱动电源，通过采用RC滞后补偿的方法消除自激振荡带来的不稳定性，改进了传统的驱动电压预置方法，提升定位系统位移双向驱动便利性。结合纳米级定位的需求，对微位移台的机械结构、驱动方法进行了阐述。系统分析了典型柔性铰链特征参数与输出转角刚度的对应变化规律，给出了直圆型、椭圆型、双曲线型和抛物线型函数切口柔性铰链输出特性：对定位系统的微位移台结构进行了设计，分析微位移台的刚度、最大应力、固有频率等特性；运用ANSYS软件对柔性铰链、平行四连杆结构参数进行优化，通过参数调整完成万方数据对微位移台设计指标的快速实现

8、。深入分析了相位跟踪反馈定位系统工作过程中影响最终定位精度的各项误差源，主要就电路单元、机械单元、仪器设备单元的系统误差，以及环境误差、温度误差、电磁干扰误差等随机误差所产生的影响进行研究，对各项误差影响进行量化分析，明确其变化规律，并通过补偿和抑制手段对其实施针对性的消除或削弱，以期达到提升最终定位精度的目的。另外，为实现实际工程应用中低成本、高效率的提升定位系统的整体