实现大行程纳米定位的平面电磁致动器的基础研究

Nanoposition with large stroke is a challenge point of the equipments and instruments of nanomanufacturing. Its technology challenge includes the actuator with positioning accuracy on nanometer scale, large stroke and high bandwidth, and the position sensor with sub-nanometer resolution. A new planar solenoid driving actuator with multi-scale motion and double windings is proposed to overcome the limitaions on existing positioning stages applied to nanomachining and nanomeasuring equipments.Decoupling characteristics between magenetic levitating forces and thrust forces are realized in this actuator mechinism. A coupled multi-physics fields model of actuator is built to study the relationships among the magnetic field, thermal field and strain field.The fine magnetic field distribution is optimized. The impact of the thermal and strain fields on the nano-scale positioning accuracy is also analyzed. Then the rigid-flexible coupling dynamic model is built to study the effect of the mover vibration on the nanopositioning accuracy. The structure of actuator is optimized considering the static and dynamic properties of actuator. Multi-scale motion control methodologies are developed to solve the problem of indentification of unstable open-loop systems, multi-axis motion coupling and multi-scale motion planning. Precise and fast nanopositioning is finally achieved. The results of this project can be applied to nanomachining and nanomeasuring equipments(e.g. mechanical nanomachining tools,laser direct writing systems and nanomeasuring systems based on atomic force microscopy(AFM)).

大行程纳米级精密定位是纳米制造装备与仪器中最具挑战性的问题之一，其技术难点包括具有大行程纳米级定位精度和高带宽的致动器(Actuator)与亚纳米分辨率的位移传感器。针对当前纳米加工和测量装备定位平台存在的局限性，提出多尺度运动纳米级定位的磁浮平面电磁致动器，具有双绕组结构，实现悬浮力和推力完全解耦。建立致动器多物理场耦合模型，优化磁场细微分布，揭示磁场、温度场、应变场之间的相互影响规律，分析温度场、应变场对纳米尺度定位的影响；建立考虑柔体效应的致动器刚柔耦合动力学模型，揭示动子振动对纳米尺度定位的影响；综合考虑静、动力学，优化致动器结构；研究基于动力学模型的多尺度运动控制方法，解决致动器开环不稳定参数辨识问题、多轴运动耦合问题以及多尺度运动规划问题，实现多尺度运动的快速纳米定位。研究成果应用于纳米机械加工机床、激光直写光刻机及基于原子力显微镜的纳米测量仪等装备。

微结构的铣削加工装备、激光直写光刻机、基于AFM 的扫描测量装备以及航天飞行器激光通讯的指向系统等要求伺服系统具有毫米级运动行程和纳米级位移定位分辨率。针对以上需求存在的科学问题，本项目首先提出跨尺度运动纳米定位致动器构型，具有双层绕组结构，实现了悬浮力和水平推力的解耦。提出了基于微分求积方法求解不规则磁阵列磁场分布，解决了不规则磁阵列边缘磁场求解问题；以磁密和谐波含量的幅值为目标，永磁体的宽度/高度比率和倾斜角为优化变量优化永磁体尺寸，宽度/高度比率接近1时，谐波含量最小。建立线性驱动单元数值分析模型，分析了边缘效应、永磁体间隙对谐波的影响。开展了线性驱动单元快速原型系统模型的建立，辨识系统参数，进行了50nm步进实验，稳定状态下位移波动峰峰值±20nm，验证了线性电磁驱动单元能够实现纳米级的定位精度。基于线性驱动单元设计了平面驱动纳米定位平台，建立了平面运动定位平台的动力学模型并进行分析，设计了平面三自由度平台控制器，对平面内的三个自由度进行控制。为了提高稳态精度和动态性能，分别提出了基于干扰观测器的控制系统和基于时滞滤波算法的控制系统，验证了基于干扰观测器的控制器的有效性，平面三自由度磁驱定位平台在稳定状态下位移波动的峰峰值为±30nm；设计了纳米定位平台PIR控制器，采用粒子群算法优化控制器参数，相对于PIDN控制器速度环和位置环响应时间提升明显。项目同时提出了基于柔性铰链和音圈电机的大行程纳米定位平台，优化柔性铰链构型，系统位置定位分辨率为127nm（峰峰值）/31nm(均方根值)。项目验证了所提出的线性驱动单元的可行性，实现了平面三自由度的纳米级定位精度，研究成果可应用于微纳加工和航天领域。