基于微纳米定位的电磁驱动控制系统设计与分析

史琦婧 ，朱姿娜 ，李培兴 ，吴 迪

（上海工程技术大学 机械与汽车工程学院，上海 201620）

近年来，微纳米定位技术在包括扫描探针显微镜[1]、光刻技术[2]、生物医学工程[3]、微纳米加工制造[4]等精密加工领域的作用越发重要. 例如，在生物医学领域要可靠实现对斑马鱼胚胎的药物注射[5]，就需要一个在有限空间内行程达到10 mm的精确定位驱动装置. 相较于目前使用的压电陶瓷驱动的微纳米定位平台，电磁驱动结构更加简单，也未有压敏器件带来的迟滞、非线性、蠕变等缺陷[6−7]，从而获得大行程精确定位，在更大程度上满足大行程微纳米加工、测量、装配的要求.

1 设计原理

本研究中电磁驱动装置通过控制装置中线圈电流来控制被控对象在磁场中的运动，装置结构如图1所示. 驱动装置主要包括永磁体、线圈、线圈支架和磁轭等4个部分. 圆柱形永磁体产生磁场，通电线圈在永磁体与磁轭之间均匀磁场的作用下产生推动线圈支架水平移动的轴向电磁推力.

图1 电磁驱动装置结构图Fig. 1 Electromagnetic drive device structure drawing

目前常用的微纳米定位控制系统因控制精度要求，一般不采用传统PID控制，有研究者提出许多新的控制策略，如李鸿等[8]研究0.1 μm光刻机硅片台使用IP控制算法和预测前馈补偿控制算法控制驱动永磁直线同步电机. 此外，还有内膜控制、鲁棒控制等一系列基于现代控制理论的智能控制算法[9]，其中将PID与智能控制算法结合的改进控制更为常用. 例如，日本学者Shinno等[10]采用传统PID与前馈补偿控制相结合实现对永磁直线同步电机的直接超精密驱动控制；……