微动平台一般以柔性铰链为导向机构,由于系统固有频率低,会严重限制传统PID算法的控制带宽,影响定位精度。因此,设计自抗扰控制算法(ADRC)将系统未建模动态与外部未知扰动共同视作“总扰动”,通过扩张状态观测器(ESO)进行估计和补偿,提高系统的控制带宽。为了充分利用已知的模型信息,设计基于模型的ADRC算法,将柔性铰链标称模型输入到ESO中,进一步提升系统的控制性能。最后,通过10μm行程的点位运动实验进行验证。结果表明因为控制带宽无法过大而导致PID难以响应,ADRC提高了控制系统带宽,实现了精密定位;模型ADRC进一步提升了响应速度与定位精度。相比ADRC,模型ADRC整定时间缩短了68.1%,最大跟踪误差降低了53.8%,定位精度提升了60.7%。

针对传统微动平台难以满足微/纳米定位的要求,该文结合液压放大原理,提出一种基于液压放大的两自由度压电微动平台,并对其进行了结构设计。采用正交设计方法对其进行有限元双向流固耦合分析,优化了其结构参数。研制了实物样机并进行试验研究。开环控制试验结果表明,当压电驱动器输入为90μm时,压电微动平台最大输出位移为603.0μm,放大倍数约为6.7;闭环控制试验结果表明,采用分段微分、积分、比例(PID)算法能降低超调量,且响应时间、稳态时间均减小,稳态误差降低(为±0.2μm),实现了微动平台的大范围输出精密定位。

将有限元方法和结构拓扑优化方法应用于三维微动平台设计。以平台中心位置的输出位移为优化目标,以应力准则为约束条件,建立了三维微动平台的拓扑优化数学模型。该优化问题采用敏度分析方法和准则法求解,并采用过滤技术解决优化过程中出现的棋盘格式和网络依赖性问题。通过设计一个三维微动平台以及ANSYS的模拟演示,证明柔性结构拓扑优化方法适用于三维微动平台的设计。

使用德国SIOS公司生产的纳米坐标测量机微动平台作为调整机构,配合自行研制的隧道电流传感器,通过外加振动源,在隧道状态下对纳米级振动进行了检测实验.纳米级振动的研究既可以分析微弱振动对扫描隧道显微镜的作用机理,为以后的扫描隧道显微镜设计提供参考,又可以使振动测量的结果作为扫描隧道显微镜的振动补偿,提高扫描隧道显微镜的测量精度.

通过对压电陶瓷微位移执行器动态特性问题的研究，设计了一种可微机控制的数字高压信号源作为电压调节器、压电陶瓷作为驱动器的精密微动平台。针对高精度的定位和进给需要，设计了数字闭环控制系统，引入数字比例-积分-微分（PID）模糊控制器以提高系统的动态特性。实验表明，该控制系统简单、可靠、实用，所提出的校正方法对改善压电陶瓷微位移执行器的动态特性有显著效果，现已将其用在磨床进给机构中。

微动平台主要以柔性铰链作为其位移导向机构,但是目前常用的弹片式柔性铰链在作为导向机构时存在严重的应力集中的现象,切口型柔性铰链由于严重的局部变形,在传递较大位移时也会产生很大的应力,而应力太大会严重影响柔性机构的疲劳寿命。运用圆倒角弹片式柔性铰链设计了一维微动平台导向机构,运用卡氏第二定理推导了其导向刚度公式,并研究了导向应力集中系数。通过与有限元分析的对比,导向刚度计算公式的最大误差为2.57%,导向应力集中系数的最大误差为1.7%。

为了使微动平台能获得结构简单、性能良好、结构新颖的特点,本课题应用柔性并联结构设计了一种新结构的微动平台。首先,采用直角柔性薄板结构,对微动平台进行了结构设计,所设计平台既可实现x、y方向的平动,又可实现绕z方向的转动,并且具有宽阔的工作台面;然后,基于直梁弯曲变形原理,进行柔性薄板力学模型分析;应用-欧拉方程运动原理列出微动平台力学方程,并计算微动平台的刚度,确定微动平台结构;最后,对微动平台进行实验验证,实验结果表明：设计的微动平台,输出位移大;固有频率高。