大行程磁悬浮纳米精度二维定位平台设计理论及方法研究

The positioning technology with both nano scale precision and long stroke is the basic technology for nanomanufacturing and nano-measurement. The proposal will research the theory and method of structure design and motion control for long stroke and nanometer precision stage. To solve the problem that current positioning stage has only a few hundred micrometer stroke, a coplane magnetic levitation stage with Halbach magnetic array will be developed to realize the two dimensional stage with long stroke. To solve the strong nonlinearity problem of the magnetic levitation system, an innovative structure is designed and the theory of the approximate linearization with a sandwich type structure will be studied. Because the system also has strong coupling characteristic, the proposal will also study on nonlinear decoupling control, exact feedback linearization and modern control theory and method to ensure the control accuracy of the system, meanwhile an eddy current damper will be studied to improve the control characteristic of undamped magnetic levitation stage. As the common ring coils have inherent geometric error which will cause the positioning error in vertical direction, the design theory and method of a machinable plane coil will be developed to increase the flatness of the coils and insure the same levitation height over all moving range. Finally, the proposal will establish the design theory and method of the long stroke magnetic levitation positioning stage by aformentioned theory analysis and experiments.

大行程纳米精度定位是纳米制造、纳米精度检测的基础技术。本项目将针对大行程纳米精度定位技术的结构设计和运动控制等方面的问题进行理论及方法研究。针对目前纳米定位平台只具有几百微米行程的问题，研究采用Halbach磁阵列构建共平面磁悬浮平台，实现大行程二维精密定位。针对磁悬浮系统具有很强的非线性问题，对结构进行创新设计，研究采用夹层结构实现系统的近似线性化理论；针对系统同时还具有强耦合性的特点，研究磁悬浮系统的非线性解耦控制，精确反馈线性化及现代控制理论和方法，提高系统的控制精度，同时研究引入涡流阻尼系统改善无阻尼磁悬浮平台的控制特性的方法；针对普遍采用的环形线圈固有的几何尺寸误差影响平台在垂直方向精度的问题，研究可加工性平面线圈的设计理论和方法，提高线圈的平面度，使系统在运动范围的任意位置都能保持相同的悬浮高度；综合上述的理论分析及实验研究，确立磁悬浮大行程纳米定位系统的设计理论及方法。

伴随着传统制造产业向纳米制造产业的发展，为了满足各种纳米制造的实验要求，同时适应微纳米器件的组装及测量、微纳米级机电系统的研究和应用，以及光纤对接、半导体检测、纳米三坐标测量机对于基础平台的研究需求，迫切地需要一种可用于纳米加工、组装、测量及大规模生产的大行程高精度纳米制造平台。本课题研究的基于Halbach永磁阵列和平面线圈的双层驱动、夹层结构共平面的大行程磁悬浮纳米精度二维定位平台，实现大行程二维运动，利用纳米精度激光干涉仪检测运动精度并构成控制回路，搭载涡流阻尼系统改善控制品质，采用平面线圈优化垂直方向的位置精度，使用非线性控制理论对XY方向进行解耦控制。本课题的夹层磁悬浮平台采用基于Halbach永磁阵列和平面线圈的永磁直线电机双层驱动方式，平台上层同方向的1组2个吸力型直线电机和平台下层另一方向的1组2个斥力型直线电机共同作用，悬浮定位平台并驱动其实现非接触、无摩擦和磨损的运动。.磁悬浮系统为非线性强耦合系统，其非线性和耦合性又交互影响，针对本文提出的全新双层驱动、夹层结构电磁系统，采用非线性控制理论，研究磁悬浮系统的非线性解耦控制，提出基于微分几何的精确线性化方法和空间矢量控制方法的关系。精确反馈线性化结合现代控制理论及方法，实现精确解耦控制。构建基于双DSP+FPGA的磁悬浮定位平台控制系统，将微分几何精确线性化方法分别与鲁棒控制相结合用于位置环控制，并进行研究。以鲁棒控制方法和轨迹规划对磁悬浮平台进行了驱动定位实验，水平方向定位精度54.90nm，竖直方向定位精度995nm，实现了大行程纳米精度的二维定位平台设计要求。