專(zhuān)利名稱(chēng)：柔性鉸鏈位移臺(tái)耦合振動(dòng)主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于微納米領(lǐng)域，由壓電陶瓷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的柔性鉸鏈位移臺(tái)耦合振 動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
壓電陶瓷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的柔性鉸鏈位移機(jī)構(gòu)被廣泛應(yīng)用在需要納米精密定位的微小位 移中。柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)是一種新型的彈性導(dǎo)軌形式，具有無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)間隙、運(yùn)動(dòng)靈敏 度高、加工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合納米定位技術(shù)領(lǐng)域。在結(jié)構(gòu)上，柔性鉸鏈位移臺(tái)一般 是在完整的金屬板上切割出特定方向的狹窄縫隙，使得金屬板在指定方向的局部剛度被 削弱。這樣就獲得了在此方向上依靠彈性變形獲得移動(dòng)的可能。在壓電陶瓷致動(dòng)器的推 拉作用下，依靠金屬的彈性變形實(shí)現(xiàn)柔性鉸鏈XYZ方向微位移的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。柔性鉸鏈本 體、壓電陶瓷致動(dòng)器、電容位移傳感器裝配后形成了可以控制和操作的XYZ三維柔性鉸 鏈位移臺(tái)。柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)安裝在掃描探針顯微鏡中作為樣品臺(tái)使用可以實(shí)現(xiàn)大范圍的掃 描成像。掃描探針顯微鏡在O. 1HZ以下極低速掃描運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，柔性鉸鏈位移臺(tái)表現(xiàn)出 比較好的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。如果掃描探針顯微鏡進(jìn)行高速掃描成像時(shí)，要求柔性鉸鏈位移臺(tái) 的行掃方向即X方向高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由于機(jī)械上連接的原因，會(huì)導(dǎo)致在柔性鉸鏈位移臺(tái) 的Y方向和Z方向產(chǎn)生周期性耦合振動(dòng)的現(xiàn)象。此耦合振動(dòng)嚴(yán)重影響位移臺(tái)的Y方向和 Z方向的定位精度。通常為了提高柔性鉸鏈位移臺(tái)的定位精度，采用驅(qū)動(dòng)電壓和位移的 線性化補(bǔ)償?shù)霓k法。這種辦法只能適合極低速的柔性鉸鏈位移控制。而采用比例-積分-微分(PID)控制方法，由于壓電陶瓷遲滯特性的原因，導(dǎo)致其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性不理想。 試驗(yàn)表明柔性鉸鏈高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，PID控制方法只能減少小部分位置誤差，不能滿(mǎn)足 高精度定位的要求，而且隨著掃描速度的提高，PID控制的效果越差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種高速柔性鉸鏈位移臺(tái)耦合振 動(dòng)位移主動(dòng)實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)和控制方法，可以有效地補(bǔ)償壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的柔性鉸鏈位移臺(tái) 高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中耦合振動(dòng)位移誤差。
本發(fā)明基于以下工作原理
當(dāng)柔性鉸鏈位移臺(tái)做高速掃描運(yùn)動(dòng)時(shí)，X方向執(zhí)行高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，Y軸和Z按照步進(jìn)方式低速移動(dòng)。耦合振動(dòng)主要來(lái)源于X方向的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)。因?yàn)閄方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng) 是一種固定頻率的周期性運(yùn)動(dòng)，所以X方向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致在Y和Z方向產(chǎn)生了同樣頻率的耦 合振動(dòng)位移誤差。在柔性鉸鏈位移臺(tái)的Y方向和Z方向分別加入一個(gè)與X方向驅(qū)動(dòng)信號(hào) 的頻率相同，相位相關(guān)，幅值恰好能夠抵消耦合振動(dòng)的主動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這樣在Y方 向和Z方向上各自合成出一種耦合振動(dòng)與主動(dòng)控制的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)定Y方向和Z方 向定位精度的作用。由于本方法是通過(guò)主動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)耦合振動(dòng)的補(bǔ)償，不存在普通控 制方法的滯后現(xiàn)象。
以在Z方向產(chǎn)生的耦合振動(dòng)位移的補(bǔ)償為例做如下說(shuō)明。柔性鉸鏈位移臺(tái)的X方向 壓電陶瓷電機(jī)加入的驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以是正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)F,或者其它周期性信號(hào)。正弦波驅(qū) 動(dòng)信號(hào)R如公式(1)所示
F,=」.sin(紐)+ 5！ (1) 其中^柔性鉸鏈位移臺(tái)X方向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓；
^柔性鉸鏈位移臺(tái)X方向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓幅值； co柔性鉸鏈位移臺(tái)X方向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓的角頻率； ^柔性鉸鏈位移臺(tái)X方向電機(jī)驅(qū)動(dòng)的偏置電壓； t時(shí)間變量。
這樣由于X方向的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)在Z方向產(chǎn)生了耦合振動(dòng)現(xiàn)象。測(cè)量并處理Z方向
在x軸高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的耦合振動(dòng)信息后，在z方向的壓電電機(jī)驅(qū)動(dòng)器加入與耦合振動(dòng)位移
信號(hào)有一定幅值和相位關(guān)系的正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)K"正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)^如公式(2)所示。 r2 =. sin(紐+ p) + 52 (2) 其中F2柔性鉸鏈位移臺(tái)Y方向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓；
A柔性鉸鏈位移臺(tái)Y方向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓幅值； co柔性鉸鏈位移臺(tái)Y方向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓的角頻率； A柔性鉸鏈位移臺(tái)Y方向電機(jī)驅(qū)動(dòng)的偏置電壓； ,比例系數(shù)；
p柔性鉸鏈位移臺(tái)Y方向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓相位角；
t時(shí)間變量；
在柔性鉸鏈位移臺(tái)z方向加入的正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)^對(duì)耦合振動(dòng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)反向補(bǔ)
償，即在自動(dòng)探測(cè)柔性鉸鏈耦合振動(dòng)的基礎(chǔ)上，由控制器在柔性鉸鏈位移臺(tái)的z方向驅(qū) 動(dòng)器輸出一個(gè)與x方向驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率相同，相位相關(guān)，幅值恰好能夠抵消耦合振動(dòng)的主動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)。園此實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償耦合振動(dòng)在Z方向造成的耦合振動(dòng)定位誤差。這 種主動(dòng)加入的驅(qū)動(dòng)位移和耦合振動(dòng)位移復(fù)合后，使得柔性鉸鏈位移臺(tái)z方向的運(yùn)動(dòng)達(dá)到 一種動(dòng)態(tài)穩(wěn)定平衡，從而消除了 z方向的耦合振動(dòng)位移。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下述
本發(fā)明由耦合振動(dòng)控制器、Y耦合振動(dòng)檢測(cè)模塊、Z耦合振動(dòng)檢測(cè)模塊、行掃信號(hào) 發(fā)生模塊、幀掃補(bǔ)償模塊、高度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模塊、幀掃高壓放大模塊、行掃高壓放大模塊、 Z向高壓放大模塊和柔性鉸鏈位移臺(tái)組成。其中Y耦合振動(dòng)檢測(cè)模塊和Z耦合振動(dòng)檢測(cè) 模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)由于X方向高速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致在Y方向和Z方向產(chǎn)生的耦合振動(dòng)位移的電壓信號(hào) 的實(shí)時(shí)檢測(cè)；而行掃信號(hào)發(fā)生模塊、幀掃信號(hào)補(bǔ)償模塊、高度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模塊、幀掃高壓 放大模塊、行掃高壓放大模塊和Z向高壓放大模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償耦合振動(dòng)位移所需的驅(qū) 動(dòng)波形信號(hào)。
柔性鉸鏈位移臺(tái)的Y向電容位移傳感器輸出的位移信號(hào)輸入Y耦合振動(dòng)檢測(cè)模塊， 柔性鉸鏈位移臺(tái)的Z向電容位移傳感器輸出的位移信號(hào)輸入Z耦合振動(dòng)檢測(cè)模塊；Y耦 合振動(dòng)檢測(cè)模塊的輸出端口與耦合振動(dòng)控制器的第一輸入端口連接，Z耦合振動(dòng)檢測(cè)模 塊的輸出端與耦合振動(dòng)控制器第二輸入端口連接。耦合振動(dòng)控制器第一輸出端口與行掃 信號(hào)發(fā)生模塊連接，耦合振動(dòng)控制器第二輸出端口與幀掃信號(hào)補(bǔ)償模塊連接，耦合振動(dòng) 控制器的第三輸出端口與高度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模塊連接；行掃信號(hào)發(fā)生模塊輸出端口與行掃高 壓放大模塊的輸入端口連接，幀掃信號(hào)補(bǔ)償模塊的輸出端口與幀掃高壓放大模塊的輸入 端口連接，高度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模塊的輸出端口與Z向高壓放大模塊的輸入端口連接；行掃高 壓放大模塊的輸出接柔性鉸鏈位移臺(tái)的X向壓電陶瓷電機(jī)的輸入口，幀掃高壓放大模塊 的輸出與柔性鉸鏈位移臺(tái)的Y向壓電陶瓷電機(jī)的輸入口連接，Z向高壓放大模塊的輸出 端口與柔性鉸鏈位移臺(tái)的Z向壓電陶瓷電機(jī)的輸入口連接。


圖l耦合振動(dòng)補(bǔ)償原理圖2耦合振動(dòng)位移的檢測(cè)過(guò)程圖3耦合振動(dòng)補(bǔ)償?shù)妮敵隹刂七^(guò)程圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
如圖1所示，本發(fā)明具體實(shí)施方式
由耦合振動(dòng)控制器1、 Y耦合振動(dòng)檢測(cè)模塊2、 Z
耦合振動(dòng)檢測(cè)模塊3、行掃信號(hào)發(fā)生模塊4、幀掃補(bǔ)償模塊5、高度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模塊6、幀
掃高壓放大模塊7、行掃高壓放大模塊8、 Z向高壓放大模塊9和柔性鉸鏈位移臺(tái)10組成。其中耦合振動(dòng)控制器1采用FPGA芯片EP1C6; Y耦合振動(dòng)檢測(cè)模塊2和Z耦合振動(dòng) 檢測(cè)模塊3采用高速高精度模數(shù)芯片ADS1606;行掃信號(hào)發(fā)生模塊4、幀掃補(bǔ)償模塊5 和高度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模塊6采用直接數(shù)字合成器芯片AD9832。幀掃高壓放大模塊7、行掃高 壓放大模塊8和Z向高壓放大模塊9采用AD171高壓運(yùn)放芯片
柔性鉸鏈位移臺(tái)的Y向電容位移傳感器輸出的位移信號(hào)通過(guò)Y坐標(biāo)信號(hào)線YPA與Y 耦合振動(dòng)檢測(cè)模塊的輸入端口連接，柔性鉸鏈位移臺(tái)的Z向電容位移傳感器輸出的位移 信號(hào)通過(guò)Z坐標(biāo)信號(hào)線ZPA與Z耦合振動(dòng)檢測(cè)模塊的輸入端口連接；Y耦合振動(dòng)檢測(cè)模 塊的輸出端口通過(guò)Y向16位并行數(shù)據(jù)線YPD與耦合振動(dòng)控制器的第一接收端口 YR連接， Z耦合振動(dòng)檢測(cè)模塊的輸出端通過(guò)Z向16位并行數(shù)據(jù)線ZPD與耦合振動(dòng)控制器第一輸入 端口 ZR連接。耦合振動(dòng)控制器第一輸出端口 XOUT通過(guò)X向SPI串行數(shù)據(jù)線XL與行掃 信號(hào)發(fā)生模塊連接，耦合振動(dòng)控制器第二輸出端口 Y0UT通過(guò)Y向SPI串行數(shù)據(jù)錢(qián)YOC 與幀掃信號(hào)補(bǔ)償模塊連接，耦合振動(dòng)控制器第三輸出端口 ZOUT通過(guò)Z向SPI串行數(shù)據(jù) 線ZOC與高度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模塊連接；行掃信號(hào)發(fā)生模塊輸出端口通過(guò)行掃模擬信號(hào)線XWAVE 與行掃高壓放大模塊的輸入端口連接，幀掃信號(hào)補(bǔ)償模塊的輸出端口通過(guò)幀掃模擬信號(hào) 線YWAVE與幀掃高壓放大模塊的輸入端口連接，高度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模塊的輸出端口通過(guò)Z向 模擬信號(hào)線ZWAVE與Z向高壓放大模塊的輸入端口連接；行掃高壓放大模塊的輸出端口 通過(guò)行掃高壓信號(hào)線XHV與柔性鉸鏈位移臺(tái)的X向壓電陶瓷電機(jī)輸入口連接，幀掃高壓 放大模塊的輸出端口通過(guò)幀掃高壓信號(hào)線YHV與柔性鉸鏈位移臺(tái)的Y向壓電陶瓷電機(jī)的 輸入口連接，Z向高壓放大模塊的輸出端口通過(guò)Z向高壓信號(hào)線ZHV與柔性鉸鏈位移臺(tái) 的Z向壓電陶瓷電機(jī)的輸入口連接。
為了有效補(bǔ)償柔性鉸鏈位移臺(tái)的X方向高速往復(fù)掃描移動(dòng)過(guò)程中對(duì)Y及Z方向的耦 合振動(dòng)，在柔性鉸鏈位移臺(tái)工作過(guò)程中需要實(shí)時(shí)檢測(cè)稱(chēng)合振動(dòng)的位移數(shù)據(jù)，如圖2所示。 掃描探針顯微鏡在進(jìn)行高速掃描過(guò)程中，X方向的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)引起了柔性鉸鏈位移臺(tái) 在Y方向和Z方向的周期性耦合振動(dòng)位移。這種耦合振動(dòng)位移能夠被柔性鉸鏈位移臺(tái)的 Y方向和Z方向電容位移傳感器捕獲，并以電壓信號(hào)的方式實(shí)時(shí)地通過(guò)Y坐標(biāo)信號(hào)線YPA 和Z坐標(biāo)信號(hào)線ZPA分別傳送到Y(jié)耦合振動(dòng)檢測(cè)模塊2以及Z耦合振動(dòng)檢測(cè)模塊3的輸 入端口。在Y耦合振動(dòng)檢測(cè)模塊2和Z耦合振動(dòng)檢測(cè)模塊3中通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生柔 性鉸鏈位移臺(tái)的Y方向和Z方向耦合振動(dòng)位移的16位數(shù)字量信號(hào)。這兩路數(shù)字信號(hào)分 別經(jīng)過(guò)Y向16位并行數(shù)據(jù)線YPD和Z向16位并行數(shù)據(jù)線ZPD傳輸給耦合振動(dòng)控制器1 的第一輸入端口 YR和第二輸入端口 ZR。這樣就完成了耦合振動(dòng)位移的檢測(cè)過(guò)程。
圖3所示是主動(dòng)補(bǔ)償耦合振動(dòng)的控制過(guò)程。根據(jù)高速掃描探針顯微鏡的掃描速度求，耦合振動(dòng)控制器'1的第一輸出端口 X0UT首先通過(guò)X向SPI串行數(shù)據(jù)線給行掃信 號(hào)發(fā)生模塊4發(fā)送啟動(dòng)X方向掃描信號(hào)的參數(shù)。在行掃信號(hào)發(fā)生模塊4中生成所需要的 掃描波形，可以是正弦波或三角波。掃描波形通過(guò)行掃模擬信號(hào)線XWAVE傳輸給行掃高 壓放大模塊8的輸入端口。在行掃高壓放大模塊8中掃描信號(hào)被放大成能夠驅(qū)動(dòng)柔性鉸 鏈位移臺(tái)壓電陶瓷電機(jī)工作的高壓信號(hào)；此高壓信號(hào)通過(guò)行掃高壓信號(hào)線XRV直接輸出 到柔性鉸鏈位移臺(tái)的X向壓電陶瓷電機(jī)，驅(qū)動(dòng)位移臺(tái)在X方向高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)掃描 探針顯微鏡的高速行掃動(dòng)作。
在高速行掃進(jìn)行過(guò)程中，分別經(jīng)過(guò)Y向16位并行數(shù)據(jù)線YPD鄰Z向16位并行數(shù)據(jù) 線ZPD反饋給耦合振動(dòng)控制器1第一輸入端口 YR和第二輸入端口 ZR的耦合振動(dòng)幅值數(shù) 據(jù)，在耦合振動(dòng)控制器l中進(jìn)行分析運(yùn)算，獲得為了實(shí)現(xiàn)對(duì)Y方向和Z方向耦合振動(dòng)的 補(bǔ)償應(yīng)在柔性鉸鏈位移臺(tái)的Y方向和Z方向加入的主動(dòng)控制需要的位移運(yùn)動(dòng)參數(shù)。根據(jù) 計(jì)算結(jié)果耦合振動(dòng)控制器1的第二輸出端口 Y0UT通過(guò)Y向SPI串行數(shù)據(jù)線Y0C向幀掃 信號(hào)補(bǔ)償模塊5發(fā)送幀掃信號(hào)的控制參數(shù)。在幀掃信號(hào)發(fā)生模塊5中生成所需要的輸出 波形，可以是正弦波或三角波；該波形信號(hào)通過(guò)幀掃模擬信號(hào)線YWAVE被傳輸給幀掃高 壓放大模塊7的輸入端口。在幀掃高壓放大模塊8中，此幀掃信號(hào)被放大成能夠驅(qū)動(dòng)柔 性鉸鏈位移臺(tái)Y向壓電陶瓷電機(jī)工作的高壓信號(hào)；此高壓信號(hào)通過(guò)幀掃高壓信號(hào)線YHV 直接輸出到壓電陶瓷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的柔性鉸鏈位移臺(tái)Y向壓電陶瓷電機(jī)上，驅(qū)動(dòng)柔性鉸鏈位 移臺(tái)在Y方向形成一個(gè)和X方向行掃頻率相同，相位相關(guān)，但振幅不同的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使 這個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)恰好抵消來(lái)自X方向的耦合振動(dòng)。
對(duì)于由于X方向高速行掃在Z方向引起的耦合振動(dòng)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，耦合振動(dòng)控制
器1的第三輸出端口 Z0UT通過(guò)Z向SPI串行數(shù)據(jù)線Z0C給高度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模塊6發(fā)送高
度信號(hào)的控制參數(shù)。在高度動(dòng)態(tài)模塊6中生成所需要的輸出波形，可以是正弦波或三角
波；該波形信號(hào)通過(guò)Z向模擬信號(hào)線ZWAVE被傳輸給Z向高壓放大模塊9的輸入端口 。
在Z向高壓放大模塊9中此信號(hào)被放大成可以驅(qū)動(dòng)柔性鉸鏈位移臺(tái)Z向壓電陶瓷電機(jī)工
作的高壓信號(hào)；此高壓信號(hào)通過(guò)Z向高壓信號(hào)線ZHV直接輸出到壓電陶瓷電機(jī)驅(qū)動(dòng)柔性
鉸鏈位移臺(tái)Z向壓電陶瓷電機(jī)上，驅(qū)動(dòng)位移臺(tái)在Z方向形成一個(gè)和X方向行掃頻率相同，
相位相關(guān)，但振幅不同的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使這個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)也恰好抵消來(lái)自X方向的耦合振動(dòng)。
通過(guò)上述方法，可以實(shí)現(xiàn)在掃描探針顯微鏡高速掃描過(guò)程中，由于柔性鉸鏈位移臺(tái)
X方向高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的Y方向和Z方向的耦合振動(dòng)誤差的有效主動(dòng)實(shí)時(shí)補(bǔ)償。
本發(fā)明可以應(yīng)用于各種基于柔性鉸鏈位移臺(tái)的高速掃描探針顯微鏡系統(tǒng)，包括原子
力顯微鏡、掃描隧道顯微鏡等。通過(guò)本發(fā)明裝置的使用，在利用柔性鉸鏈位移臺(tái)作為掃描探針顯微鏡樣品臺(tái)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)高速大范圍的掃描成像，同時(shí)避免因'為耦合振動(dòng)造成 的掃描圖像畸變。在掃描100微米范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)行頻為50到150Hz的掃描速度。 同時(shí)，本發(fā)明亦可應(yīng)用到其它需要三維柔性鉸鏈做高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)的使用環(huán)境。
權(quán)利要求
1、一種柔性鉸鏈位移臺(tái)耦合振動(dòng)位移補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于所述補(bǔ)償系統(tǒng)由耦合振動(dòng)控制器(1)、Y耦合振動(dòng)檢測(cè)模塊(2)、Z耦合振動(dòng)檢測(cè)模塊(3)、行掃信號(hào)發(fā)生模塊(4)、幀掃補(bǔ)償模塊(5)、高度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模塊(6)、幀掃高壓放大模塊(7)、行掃高壓放大模塊(8)、Z向高壓放大模塊(9)和柔性鉸鏈位移臺(tái)(10)組成；所述的Y耦合振動(dòng)檢測(cè)模塊(2)和Z耦合振動(dòng)檢測(cè)模塊(3)用于檢測(cè)由于柔性鉸鏈位移臺(tái)X方向高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在Y方向和Z方向產(chǎn)生的耦合振動(dòng)位移；其中的行掃信號(hào)發(fā)生模塊(4)、幀掃補(bǔ)償模塊(5)、高度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模塊(6)、幀掃高壓放大模塊(7)、行掃高壓放大模塊(8)和Z向高壓放大模塊(9)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償耦合振動(dòng)所需的驅(qū)動(dòng)波形信號(hào)。
2、 按照權(quán)利要求1所述柔性鉸鏈位移臺(tái)耦合振動(dòng)位移補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于所述 柔性鉸鏈位移臺(tái)(10)的Y向電容位移傳感器電壓信號(hào)通過(guò)Y坐標(biāo)信號(hào)線(YPA)與Y耦 合振動(dòng)檢測(cè)模塊(2)的輸入端口連接，柔性鉸鏈位移臺(tái)(10)的Z向電容位移傳感器 輸出的位移信號(hào)通過(guò)Z坐標(biāo)信號(hào)線(ZPA)與Z耦合振動(dòng)檢測(cè)模塊(3)的輸入端口連接； Y耦合振動(dòng)檢測(cè)模塊(2)的輸出端口通過(guò)Y向16位并行數(shù)據(jù)線(YPD)與耦合振動(dòng)控制器(10)的第一輸入端口(YR)連接，Z耦合振動(dòng)檢測(cè)模塊(3)的輸出端口通過(guò)Z向16位 并行數(shù)據(jù)線(ZPD)與耦合振動(dòng)控制器(1)的第二輸入端口(ZR)連接。
3、 按照權(quán)利要求1所述柔性鉸鏈位移臺(tái)耦合振動(dòng)位移補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于所述 耦合振動(dòng)控制器(1)第一輸出端口(XOUT)通過(guò)X向SPI串行數(shù)據(jù)線(XL)與行掃信號(hào)發(fā) 生模塊(4)輸入端口連接，耦合振動(dòng)控制器(1)第二輸出端口(YOUT)通過(guò)Y向SPI串 行數(shù)據(jù)線(YOC)與幀掃信號(hào)補(bǔ)償模塊(5)輸入端口連接，耦合振動(dòng)控制器(1)第三輸 出端口(ZOUT)通過(guò)Z向SPI串行數(shù)據(jù)線(ZOC)與高度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模塊(6)輸入端口連接； 行掃信號(hào)發(fā)生模塊(4)的行掃輸出端口通過(guò)行掃模擬信號(hào)線(XWAVE)與行掃高壓放大模 塊(8)的輸入端口連接，幀掃信號(hào)補(bǔ)償模塊(5)的幀掃輸出端口通過(guò)幀掃模擬信號(hào)線 (YWAVE)與幀掃高壓放大模塊(7)的輸入端口連接，高度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模塊(6)的輸出端 口通過(guò)Z向模擬信號(hào)線(ZMVE)與Z方向高壓放大模塊(9)的輸入端口連接；行掃高壓 放大模塊(8)的輸出端口通過(guò)行掃高壓信號(hào)線(XHV)與柔性鉸鏈位移臺(tái)的X向壓電陶瓷 電機(jī)的輸入口連接，幀掃高壓放大模塊(7)的輸出端口通過(guò)幀掃高壓信號(hào)線(YHV)與柔 性鉸鏈位移臺(tái)的Y向壓電陶瓷電機(jī)的輸入口連接，Z方向高壓放大模塊(9)的輸出端口 通過(guò)Z向高壓信號(hào)線(ZHV)與柔性鉸鏈位移臺(tái)的Z向壓電陶瓷電機(jī)的輸入口連接。
4、 按照權(quán)利要求1至3的任何一項(xiàng)所述的柔性鉸鏈位移臺(tái)耦合振動(dòng)位移補(bǔ)償系統(tǒng)， 其特征在于，由耦合振動(dòng)控制器(1)在所述柔性鉸鏈位移臺(tái)(10)的Y方向和Z方向 分別加入一個(gè)與X方向驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率相同，相位相關(guān)，幅值能夠抵消耦合振動(dòng)的主動(dòng) 控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在Y方向和Z方向上各自合成耦合振動(dòng)與主動(dòng)控制的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，達(dá)到穩(wěn) 定Y方向和Z方向定位精度的作用。
5、 按照權(quán)利要求4所述的柔性鉸鏈位移臺(tái)耦合振動(dòng)位移補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于柔 性鉸鏈位移臺(tái)(10)的Y方向和Z方向電容位移傳感器捕獲Y方向和Z方向的周期性耦 合振動(dòng)的位移數(shù)據(jù)，所述位移數(shù)據(jù)以電壓信號(hào)的方式通過(guò)Y坐標(biāo)信號(hào)線(YPA)和Z坐 標(biāo)信號(hào)線(ZPA)分別傳送到Y(jié)耦合振動(dòng)檢測(cè)模塊(2)和Z耦合振動(dòng)檢測(cè)模塊(3)的 輸入端口，在Y耦合振動(dòng)檢測(cè)模塊(2)和Z耦合振動(dòng)檢測(cè)模塊(3)中通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后， 產(chǎn)生柔性鉸鏈位移臺(tái)(10)的Y方向和Z方向耦合振動(dòng)位移的16位數(shù)字量信號(hào)；所述 數(shù)字量信號(hào)分別經(jīng)過(guò)Y向16位并行數(shù)據(jù)線(YPD)和Z向16位并行數(shù)據(jù)線(ZPD)傳輸 給耦合振動(dòng)控制器(1)的第一輸入端口 (YR)和第二輸入端口 (ZR),完成耦合振動(dòng) 位移數(shù)據(jù)的檢測(cè)過(guò)程；耦合振動(dòng)控制器(1)的第二輸出端口 (Y0UT)通過(guò)Y向SPI串行數(shù)據(jù)線(Y0C)向 幀掃信號(hào)補(bǔ)償模塊(5)發(fā)送幀掃信號(hào)的控制參數(shù)，在幀掃信號(hào)發(fā)生模塊(5)中生成 輸出波形，所述波形信號(hào)通過(guò)幀掃模擬信號(hào)線(YWAVE)被傳輸給幀掃高壓放大模塊(7) 的輸入端口；在幀掃高壓放大模塊(8)中此幀掃信號(hào)被放大成能夠驅(qū)動(dòng)柔性鉸鏈位移 臺(tái)Y方向壓電陶瓷電機(jī)工作的高壓信號(hào)，所述高壓信號(hào)通過(guò)幀掃高壓信號(hào)線(YHV)直 接輸出到壓電陶瓷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的柔性鉸鏈位移臺(tái)(10) Y向壓電陶瓷電機(jī)上，驅(qū)動(dòng)柔性鉸 鏈位移臺(tái)在Y方向形成一個(gè)和X方向行掃頻率相同，相位相關(guān)但振幅不同的往復(fù)運(yùn)動(dòng)， 使這個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)抵消來(lái)自X方向的耦合振動(dòng)；耦合振動(dòng)控制器(1)的第三輸出端口 (Z0UT)通過(guò)Z向SPI串行數(shù)據(jù)線(Z0C)給 高度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模塊(6)發(fā)送高度信號(hào)的控制參數(shù)，在高度動(dòng)態(tài)模塊(6)中生成輸出 波形；所述波形信號(hào)通過(guò)Z向模擬信號(hào)線(ZMVE)被傳輸給Z向高壓放大模塊(9)的 輸入端口，所述波形信號(hào)在Z向高壓放大模塊(9)中被放大成能夠驅(qū)動(dòng)柔性鉸鏈位移 臺(tái)Z方向壓電陶瓷電機(jī)工作的高壓信號(hào)；所述高壓信號(hào)通過(guò)Z向高壓信號(hào)線(ZHV)直 接輸出到壓電陶瓷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的柔性鉸鏈位移臺(tái)(10) Z向壓電陶瓷電機(jī)上，驅(qū)動(dòng)柔性鉸 鏈位移臺(tái)(10)在Z方向形成一個(gè)和X方向掃描頻率相同，相位相關(guān)，但振幅不同的往 復(fù)運(yùn)動(dòng)，使這個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)抵消來(lái)自X方向的耦合振動(dòng)。
全文摘要
一種柔性鉸鏈位移臺(tái)耦合振動(dòng)位移主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，其耦合振動(dòng)控制器(1)分析柔性鉸鏈位移臺(tái)Y和Z方向的耦合振動(dòng)幅值，發(fā)出抑制Y方向和Z方向振動(dòng)的指令。Y耦合振動(dòng)檢測(cè)裝置(2)和Z耦合振動(dòng)檢測(cè)裝置(3)檢測(cè)在Y和Z方向產(chǎn)生的耦合振動(dòng)幅值。行掃信號(hào)發(fā)生模塊(4)、幀掃信號(hào)補(bǔ)償模塊(5)和高度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模塊(6)分別產(chǎn)生X方向、Y方向和Z方向特定頻率和幅值的波形信號(hào)。幀掃高壓放大模塊(7)產(chǎn)生柔性鉸鏈Y方向運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；行掃高壓放大模塊(8)產(chǎn)生柔性鉸鏈X方向運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；Z向高壓放大模塊(9)產(chǎn)生柔性鉸鏈Z方向運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；柔性鉸鏈位移臺(tái)(10)實(shí)現(xiàn)行掃和幀掃的位移動(dòng)作。
文檔編號(hào)G01N13/10GK101551318SQ20091008402
公開(kāi)日2009年10月7日 申請(qǐng)日期2009年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月12日
發(fā)明者林云生, 殷伯華, 陳代謝, 立 韓 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所