靜電懸浮位置控制系統(tǒng)的設(shè)計.pdf

1、摘要摘要無容器加工技術(shù)可以避免材料在凝固過程中受到容器壁的影響，提高材料的過冷度，是空間材料科學(xué)發(fā)展的一個重要研究方向。相對于其他懸浮技術(shù)，靜電懸浮技術(shù)由于懸浮時不對樣品產(chǎn)生額外的能量輸入，不對材料凝固過程產(chǎn)生額外的干擾因素，易于結(jié)合其他非接觸測量設(shè)備實現(xiàn)材料的熱物性測量，更適合進(jìn)行空間材料科學(xué)試驗，有期望成為我國未來空間材料科學(xué)的重要試驗裝置之一。靜電懸浮位置控制系統(tǒng)是靜電懸浮材料加工技術(shù)的基礎(chǔ)，同時也是核心，我國尚未有已經(jīng)完全掌握了

2、該項核心技術(shù)的報道，本文在分析位置控制系統(tǒng)各組成部分的工作原理上，設(shè)計實現(xiàn)靜電懸浮位置控制系統(tǒng)，并實現(xiàn)了對懸浮樣品的穩(wěn)定位置控制。本文主要進(jìn)行了以下幾個方面的研究、設(shè)計和實現(xiàn)：(1)進(jìn)行靜電懸浮原理及靜電懸浮位置控制原理的研究，分析懸浮樣品懸浮的物理過程和位置控制過程，提出位置控制系統(tǒng)的功能、位置控制精度要求和控制頻率設(shè)計目標(biāo)。(2)根據(jù)設(shè)計目標(biāo)和要求，設(shè)計并實現(xiàn)靜電懸浮位置控制系統(tǒng)的各個硬件組成部分：三維位置測量、控制單元、高壓放大器

3、、懸浮結(jié)構(gòu)等必須的組件。采用相互垂直的兩束不同波段的平行激光光源照射樣品，采用兩片垂直放置的二維位置靈敏探測器(PSD)探測樣品的陰影位置，實現(xiàn)對懸浮樣品的三維位置測量；以STCllF32XE單片機為控制核心完成三維位置信號采集、位置控制運算及三維的控制信號輸出功能；選定適合的高壓放大器和設(shè)計懸浮電極結(jié)構(gòu)，組建靜電懸浮位置控制系統(tǒng)的硬件平臺。(3)軟件方面，進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計與實現(xiàn)。采用C語言編程系統(tǒng)運行的各個程序，實現(xiàn)位置控制系統(tǒng)的各

4、個功能。設(shè)計實現(xiàn)系統(tǒng)主程序、串U中斷子程序、控制子程序及開關(guān)量中斷子程序等。算法方面，根據(jù)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)原理進(jìn)行位置測量的數(shù)據(jù)處理，提出針對靜電懸浮位置控制的積分分離的PID控制方法及PID參數(shù)整定方法。(4)通過實驗，成功對懸浮樣品進(jìn)行了穩(wěn)定位置控制。關(guān)鍵詞：靜電懸浮，PSD，MCU，PID，位置控制AbstractZHOUYangyang(ComputerApplicationTechnology)DirectedBy：ProfZHAIG

5、uangiieNon—containerprocessingtechnologyisabletoavoidmaterialsbeenaffectedbythewallofthecontainerduringsolidificationandimprovethedegreesofundercooling，itisanimportantresearchdirectiononthedevelopmentofspacematerialsscie

6、nceComparedtootherlevitationtechn0109y，theelectrostaticlevitationtechnologydoesnotgenerateadditionalenergyinputthesampledoesnotcreateadditionalinterferencefactorsduringmaterialssolidificationprocess，combinedwithothernonc

7、ontactmeasurementdeviceseasilytomeasurethethermalproperties，itismoresuitableforscientificexperimentsofmaterialsinspaceandexpectedtobecomeoneottheimportanttestdevicesinChina’SspacematerialsscienceinthefutureElectrostaticl

8、evitationpositioncontrolsystemisthebaseandcoreonelectrostaticlevitationmaterialprocessingtechnologyThereisneportthatChinahasfullygraspedthecoretechIlologyAccordingtoanalysisingofthetheoryofpositioncontrolsystem，thisdisse

9、rtationdesignedandaccomplishedtheelectrostaticlevitationpositioncontrolsystemandachievetocontrolthelevitationsamplepositionsteadilyThemainworkofthisdissertationis：(1)Researchoftheprincipleofelectrostaticlevitationandposi

10、tioncontrolofelectrostaticlevitationanalysisofthephysicalprocessofsamplelevitationandtheprocessofpositioncontrol，proposedthefunctionofpositioncontrolsystem，theprecisionofpositioncontrolandthedesigngoalofcontrolfrequency(

11、2)Accordingtothedesignobjectivesandrequirements，designandimplementelectrostaticlevitationpositioncontrolsystemofvarioushardwarecomponents：three—dimensionalpositionmeasuremem，controlunit，highvoltageamplifiers，levitationst

12、ructureandSOon，usetwoDarallellaserbe鋤sofdifferentwavelengthlightsourcelightthesampleperpendicularly，usetwoverticaltwodimensionalposition—sensitivedetectors(PSD)detectthelocationoftheshadowofthesample，achievetotheposition

13、measurementofthelevitationsample；UseSTC11F32XEmicrocomputerasthecoreofcontilunittoachievethethree—dimensionalpositionsignalcollection，positioncontroloperationandoutputofthree—dimensionalcontrolsignals；selectforthehighvol

14、tageamplifiersanddesigntheelectrodesstructure，formatthehardwareplatformofelectrostaticlevitationpositioncontrolsystemf3)Intenllsofsoftware，designandimplementthesoftwareofelectrostaticlevitationpositioncontrolsystemUseCla