第 1 章 绪论
1.1研究的目的和意义
纳米技术（Nanotechnology）一词最早是从加工精度研究的角度延伸出来的，自20 世纪 90 年代以来，电子信息产业快速发展并成为带动世界经济增长的战略性产业。各种半导体器件组成的集成电路是电子信息产业的核心基础。半导体器件的制造大大加速了现代制造技术朝着高速、精密、模块化的方向发展[1]，信息器件等高新技术制造业对加工设备的性能如加工定位精度，定位速度等提出了越来越高的要求。在微电子封装设备如共晶粘片机，全自动金丝球焊机和 IC 芯片设备如光刻机中，往往需要十分快速和精确的定位，因此需要超高性能的超精密工作台为其做技术支持[2]。目前纳米制造技术主要以“自上而下”方式的刻蚀和压印工艺为基础，近年来，“自下而上”的纳米制造技术受到了重视，人们将原子位置重新排列，实现纳米制造技术的突破，因为目前无法实现大规模生产，这方面的研究还停留在实验室阶段。为了满足各种纳米制造技术的研究及应用的需要，科学家们需要一种通用的可用于纳米加工、测量以及组装的纳米制造平台[3]。随着新的纳米制造技术的不断进步，大行程纳米定位平台越来越显示出其研究价值的重要性。例如原子的排列主要用原子力显微镜实现，但一般情况下原子力显微镜扫描范围只有 100 m×100 m，只能在小尺寸内完成制造，无法满足大尺寸制造的需求。同样的，飞秒激光加工也只能借助使用大行程纳米精度的平台才能实现大尺寸的纳米加工。测量方面，扫描探针显微镜的扫描范围也只有 100 m×100 m 左右，如果要完成大尺寸的测量，就需要配合使用大行程纳米级平台完成测量。随着 IC 技术的发展，对 IC 检测精度的要求越来越高，同样的，对 IC 的检测也需要大行程高精度的定位机构。为了实现三维精度纳米级测量，需要大行程纳米精度运动机构。除了纳米加工技术外，纳米级器件的组装也是今后一个重要的研究课题，受光波波长的影响，光学显微镜无法观察到纳米精度，因此无法通过视觉校准器件的安装情况，需要通过纳米级精度的定位平台对微纳米器件进行装配，因此大行程纳米定位技术也将在纳米装配领域内得到应用。
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1.2磁悬浮技术发展现状
利用磁力使物体处于无接触的悬浮状态的设想由来已久，1842 年，英国物理学家Earnshaw 就提出了磁悬浮这一概念[11]。同时他也证明了单靠永久磁铁不能将一个铁磁性物体在六个自由度上都保持自由稳定的悬浮状态[12]。也就是说，要使物体保持可控的悬浮状态，需要采用电磁铁，Earnshaw 的这一思想产生于 1937 年，并构成了日后的磁悬浮列车及电磁轴承的主导思想。Kemper 于 1938 年首先实现了采用了电磁铁对一个 210kg 物体的稳定悬浮[13][14]，这一研究成为了以后开展磁悬浮列车的雏型，同一时期，佛吉尼亚大学的 Beams 及 Holmes 采用电磁铁悬浮技术悬浮小钢球并测试小钢球在高速旋转时所能承受的离心力，小钢球的旋转速度达到了 1.8×107r/min。这可能是采用电磁悬浮技术悬浮旋转物体以测试其材料性能的最早的应用实例。近年来随着计算机的普及和功能的不断增强，伴随着电子技术的飞速发展，现代控制理论发展迅速。20 世纪 60 年代中期开始，国际上对磁悬浮技术的发展研究进入了一个全新的时期。60 年代开始，日本、德国和英国都相继开展了对磁悬浮列车的研究，德国Messerschmitt-Bolkow-Blohm 公司在其 1977 年研制的磁悬浮试验列车获得高达360km/h 的时速。Trumper 在 1990 年成功实现 E 型电磁铁的悬浮及一维短距离运动，1996 年 Holmes 采用电磁铁永磁铁相结合的方式实现了平台的悬浮和一维方向长距离运动。Bonnema、Saffert、BerndSprenger 等实现了平台的稳定悬浮和平面上两个自由度方向上的运动。Trumper 和 Queen、Blum 等实现了磁悬浮平台的悬浮和两个角方向的运动与定位。美国和日本将电磁轴承用于陀螺仪表和卫星空间姿态控制方面等，许多发达国家在磁轴承研究方面都取得了很大的进展[15-18]。在物理技术，空间技术，振动控制，机械加工，机器人等领域都得到了广泛的应用[19-21]。
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第 2 章 磁悬浮纳米定位平台结构及电磁分析
2.1 系统功能和结构介绍
二维定位平台结构有多种形式，大多数采用双轴定位平台结构，采用堆栈方式组成[46]。上层结构在下层结构上滑动，形成 Y 方向运动，移动平台在上层结构上滑动，完成 X 方向的运动。这种结构实际是将一个运动分解为两个互相垂直的一维运动，两个一维运动合成平台的二维运动。图 2.1 给出了这种常用的堆栈结构示意图。本文所研究的新型磁悬浮定位平台如图 2.2 所示，实物图如图 2.3 所示。系统由一个移动平台，四个平面线圈式三相永磁同步直线电机和相应的位置传感器等构成。整个磁悬浮定位平台将采用“共平面”“夹层”的结构模式，工作台通过铰链结构连接在移动平台上。共平面的设计可以有效克服堆栈式结构的缺点，有效减小阿贝误差。定子绕组平面线圈固定于台子上，与四组永磁 Halbach 磁阵列对应，为减小定位平台工作时由于电流产生的热效应以及电磁力等产生的误差，实现定位平台理论上的零误差基础，定位平台整体为对称设计，有效减小定位平台在线圈温度，环境温度变化的情况下变形的影响。定位平台的悬浮力及驱动力同时由四个直线电机提供，通过控制绕组的电流，可以实现平台的 XY 方向运动。同时也可以改变定位平台的悬浮高度。由于定位平台直接采用直线电机驱动，省去了中间的传动环节，有效减小了误差源。
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2.2 磁悬浮定位平台电磁分析
图 2.2 给出了定位平台的结构图，在 X 运动方向上永磁阵列被内嵌至移动平台的上表面，在 Y 运动方向移动平台的下表面镶嵌另两块永磁阵列。在 X 方向，绕组线圈被置于移动平台的上方，这样绕组线圈与第一块及第二块永磁阵列形成一组吸力型直线电机。在 Y 方向，绕组线圈被置于移动平台的下方，这样在 Y 方向上绕组线圈与第三块及第四块永磁阵列形成一组斥力型直线电机。吸力型与斥力型的两组直线电机互相垂直，对称布置。安装永磁阵列的运动平台与上端的工作平台（图中虚线部分）用一定的刚性机械连接。运动平台在四组永磁阵列及对应绕组之间的电磁力的作用下产生沿 X、Y、Z 方向的直线运动及绕 Z、X、Y 轴的六自由度的运动。安装永磁阵列的运动平台示意图如图 2.4 所示。
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第 3 章 磁悬浮纳米定位平台系统的动力学模型....21
3.1 空间矢量控制原理与 DQ 分解 .... 21
3.2 磁悬浮平台的动力学模型 ........ 25
3.3 本章小结 ........ 29
第 4 章 磁悬浮定位平台数字控制系统及位移反馈系统 .......31
4.1 永磁同步直线电机的驱动 ........ 31
4.2 功率放大电路 .... 35
4.3 磁悬浮纳米定位平台控制电路研究 ....... 39
4.4 定位平台位移反馈系统的构建 .... 43
4.5 本章小结 ........ 51
第 5 章 实验及仿真分析.....53
5.1 平台热力学静力学仿真 .......... 53
5.2 驱动电路板的制作 ....... 55
5.3 电路 PWM 输出测试...... 56
5.4 位移反馈系统 .... 58
5.5 本章小结 ........ 62
第 5 章 实验及仿真分析
5.1 平台热力学静力学仿真
由于有限元通用程序使用方便、计算精度高，计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据[58][59]。本文利用有限元分析方法对系统结构进行了热力学及静力学分析，研究了热变形及受力变形对系统精度的影响。在磁悬浮二维定位平台稳定工作时，通过实验测得四组永磁阵列的温度大致相同，为 40℃，所以在热仿真时对磁悬浮二维定位平台进行简化，省略四组定子线圈绕组，直接把四组永磁阵列看作热源，热量从四组永磁阵列传递到移动平台，再经过柔性支撑（柔性铰链）传递到工作平台。在 Workbench 设置中，初始温度和室内温度都定义为 20℃，选择热载荷的形式为温度，并把温度设置为 40℃，热传递方式为热对流，对流换热系数取 25。如图 5.1 所示，移动平台上的永磁阵列的温度并不会过多影响工作平台的温度变化，工作平台最终温度接近室温。由于整体平台设计为对称性结构，能够大大降低整体温度变化对平台定位精度的影响。工作平台处于对称结构的中心，因此整体系统的温度变化对于平台定位精度影响几乎可忽略不计。
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总结
本文分析了全新结构磁悬浮二维纳米定位平台的机械结构，对结构及电磁系统进行了分析，建立了动力学模型。设计了基于双 DSP+FPGA 的直线电机驱动和控制电路。构建了基于精确位移反馈元件双轴激光干涉仪及 QEP 计数原理的系统位移反馈系统。对系统的机械结构的热力学及静力学进行了仿真，对 DSP PWM 波输出模块进行了验证，同时也对 FPGA 中关键的 QEP 模块进行了仿真，验证了整个系统的正确性。本文主要工作及成果如下：
（1） 对新型二维纳米定位平台夹层结构“上吸下斥”的设计进行了分析，建立了系统的动力学方程，通过数学方法证明了系统在机械结构层面实现了线性化，仿真分析表明，该结构线性化效果显著。
（2） 对直线电机的电磁系统进行了研究。进行了永磁阵列 Halbach 阵列的磁力分布仿真。直线电机是纳米定位平台的执行机构，是直线电机唯一的驱动及悬浮元件，也是控制系统进行控制的对象。通过对直线电机的驱动方法进行研究，提出了系统的驱动实现方法，同时计算出系统运行及启动时所需要的最小电流，为电路设计打下了基础。
（3） 确定了采用DSP及FPGA构建数字控制系统的方案，制定了系统总体框图。根据系统的功率要求，确定了系统的驱动电路的集成化设计，完成了本系统驱动电路的研制。
（4） 根据系统对于位移精密反馈的需求，构建了系统的位移反馈系统。针对磁悬浮平台大行程高精度的特点，选用激光干涉仪作为精密位移反馈传感器，设计了 24 位计数器，在 FPGA 中编程实现了 QEP 计数，并通过 USB 传输芯片实现系统通过 USB 接口与上位机进行通信，实现了系统的精密位移反馈。
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参考文献（略）