基于玻璃基纳米孔拉伸系统的驱动控制与测试研究

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第三代DNA测序仪的基础设备是拥有纳米级通道的纳流体器件。本课题在国家自然科学基金及国家重点基础研究发展计划项目(973计划)支持下,力求制造出基于玻璃毛细管的5nm以下的三维纳通道。而作为近年兴起的一种新概念微特电机,直线超声电机具有结构简单、响应迅速、分辨率高、断电自锁以及无电磁干扰等优点,非常适合作为高精度定位系统中的的运动平台。因此,本文以直线超声电机为精密运动平台,激光器为加热装置,光栅尺位移传感器为平台位移反馈装置搭建了玻璃基纳米孔拉伸系统,探究了玻璃基纳米孔拉伸制造的可行性。针对拉伸系统,本文完成了其控制与测试模块的软硬件设计:以Altera公司的FPGA(型号为EP4CE22E22C8)为核心,采用基于Nios II软核的SOPC技术,将用于电机调速的PWM信号驱动器、处理器、系统外设、光栅编码计数器模块和串口通信模块集成在了FPGA中,并针对拉伸系统编写了相应的控制与测试程序,实现了对拉伸系统中各个装置的控制与观测。驱动控制器设计完成后,本文进行了以下测试与实验:测试了两相PWM驱动信号的频率、相位和占空比对超声电机速度的影响,根据结果比较了各种调速方法的优劣;测试了直线超声电机运动平台的精度,测得的平台最小步距是50nm,平台定位精度可以达到0.5μm,精度测试展现出了超声电机在精密定位系统中的优势;对毛细玻璃管进行了拉伸实验,测试了用于调控激光器的PWM信号的占空比,以及激光加热时间和超声电机加速度对拉伸后玻璃管的内、外径的影响,并成功地拉制出了内径达0.5μm的玻璃管。实验表明,本文设计的基于FPGA的直线超声电机运动平台的驱动控制与测试系统可满足玻璃基纳米孔拉伸系统的驱动控制要求。
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