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研究生:蘇余益
研究生(外文):Yu-Yi Su
論文名稱:二階段長行程奈米定位系統控制
論文名稱(外文):Nano-positioning Control of a Dual-stage and Long-range System
指導教授:陳昭亮
指導教授(外文):Jau-Liang Chen
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:機械工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2001
畢業學年度:89
語文別:中文
論文頁數:93
中文關鍵詞:奈米技術模糊控制壓電陶瓷致動器干涉儀遲滯二階段平台
外文關鍵詞:nano-technologyfuzzy controlpztinterferometerhysteresisdual-stage
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本研究主要是奈米技術中有關於定位平台的研究,在研究裡採用兩種不同架構,同樣欲達成奈米級精度的目標。第一種,採用結合粗動平台與微動平台的二階段驅動方式。第二種,則藉由放大機構的設計,直接增加行程。
藉由解析度高、追溯容易的雷射干涉儀系統,進行即時的奈米級測長。而控制的策略方面,在以採用即時閉迴路回饋為架構下,分別採用I及Fuzzy控制。對於實驗結果的比較與討論,則放在相關章節。
實驗結果顯示,二階段長行程精密定位系統在2mm的行程內,步階定位的誤差可達0.6nm以下,斜坡追蹤的誤差可達6nm以下。而二軸三次元長行程精密定位系統,在X軸280μm與Y軸320μm的行程內,步階定位的誤差,雙軸皆可達5nm以下,轉角誤差則可控制在1.5×10-7rad以下;循圓追蹤的誤差,雙軸皆可達4.5nm以下,而轉角誤差則在1.2×10-7rad以下。
In this thesis, precision micro-stages with nanometer accuracy with two different structures were studied. The first one was a dual-stage system, which was composed by a coarse-stage with micrometer accuracy, and a fine-stage with nanometer accuracy. The other was a single stage with lever mechanism to achieve long travel range requirement and had three degree of freedom (x, y,θz).
This research was focusing on the real-time closed-loop feedback control strategy. In which, laser interferometer, due to its high resolution and traceability, was used as positioning sensor, and I-control and fuzzy were used for the system control. The experiment results and comparison between these two control methods were discussed in related chapters.
From the experiment results, it shown that the dual-stages system has achieved 2mm travel range with positioning error less than 0.6 nm(rms) in stepping test, and 6nm(rms) in tracking test. While, the single stage has travel range of 280μm×320μm with positioning errors less than 5nm(rms) in X and Y axes, and rotational error less than 1.5×10-7rad (rms). And in tracking test, the positioning errors were less than 4.5nm(rms) in both axes and rotational error was less than 1.2×10-7rad (rms).
誌謝
中文摘要 i
英文摘要 ii
目錄 iii
圖目錄 vi
表目錄 viii
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 文獻回顧 2
1-3 研究目的與內容 3
第二章 基本控制理論 5
2-1 控制的目的 5
2-2 PID控制 6
2-3 模糊控制( Fuzzy control ) 7
第三章 系統元件之基本原理 10
3-1 外差式干涉儀測長系統 10
3-1-1 干涉儀基本原理 10
3-1-2 外差式干涉儀系統誤差 13
3-2 壓電陶瓷致動器( PZT ) 18
3-2-1 基本性質 19
3-2-2 動態特性 23
3-2-3 PZT實際操作要點 24
3-3 VME-bus與VxWorks即時作業系統 25
第四章 二階段長行程系統之粗動平台測試與微動平台設計 27
4-1 粗動平台系統 28
4-2 粗動平台測試 30
4-3 撓性微動平台設計 34
第五章 二階段單軸長行程即時控制系統 40
5-1 系統架構40
5-2 閉迴路即時回饋控制定位系統- I control 45
5-2-1 I control實驗規劃與控制流程 46
5-2-2 實驗結果 49
5-3 閉迴路即時回饋控制定位系統- Fuzzy control 56
5-3-1 Fuzzy control實驗規劃與控制流程 56
5-3-2 實驗結果 57
5-4 實驗結果比較與討論64
第六章 二軸三次元撓行平台即時控制系統 69
6-1 系統架構69
6-2 實驗規劃與控制流程 72
6-3 實驗結果與討論 75
第七章 結論與未來展望 85
7-1 結論 85
7-2 未來展望 86
參考文獻88
附錄一、重要儀器規格91
附錄二、系統實體照片93
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