压电陶瓷驱动电源的研究现状及进展

压电陶瓷驱动器在电场作用下存在压电效应,从理论上讲,压电陶瓷器件可以获得无限小的位移分辨率,但是由于电源的稳定性和压电陶瓷本身的特性而产生迟滞和蠕变现象,从而降低其定位精度.采用不同方式的驱动电源和控制模型将直接影响压电陶瓷致动器的输出性能.文中从驱动电源的发展和驱动器模型2个角度,总结了国内外不同的驱动方案,进而提出应该优先选用电流源驱动压电陶瓷,并得出根据应用场合不同选择相应驱动电源和控制模型的结论.     

改善电致伸缩陶瓷微位移器性能的研究

对压电陶瓷和电致伸缩陶瓷的逆压电效应和电致伸缩效应进行了详细分析，并通过采用所研制的ＨＲＰＤ系列压电／电致伸缩陶瓷驱动电源对ＷＴＤＳ－Ｉ电致伸缩微位移器进行了实验研究，得出采用电极化强度控制的方法使电致伸缩微位移器的迟滞由原来的１５％减小到１％，蠕变由原来的１０％减小到１％，并实现位移输出的线性化。     

用于微隔振平台的压电致动器设计与研究

为实现微隔振平台的自适应控制,选择具有驱动和传感功能的压电陶瓷设计了一种驱动器.从其本构关系出发,对单片压电陶瓷进行了分析,在此基础上建立了压电堆动态模型.设计出的压电致动器,不仅具有驱动与传感功能,而且具有简单、易加工等特点,然后通过试验研究,对压电致动器的预压进行了标定,并选择了合适的预压弹簧,完成了对致动器的成品化.最后对压电致动器的迟滞、线性、重复性进行了初步研究,为微隔振平台的控制打下了基础.     

压电陶瓷驱动器建模与控制技术的研究

由于压电致动器(PA)具有高带宽、高纳米位移分辨率和零机械摩擦等优点,其广泛应用于微/纳米操作、微/纳米定位和光学系统。然而,压电致动器的迟滞非线性却严重影响了其跟踪定位精度,甚至引起闭环系统失稳。为了模拟具有不对称特性的压电致动器的滞后特性和频率相关性,使用广义Bouc-Wen模型来描述压电致动器的滞后性并对该模型进行了参数辨识。然后,使用基于该模型的线性化反馈滑模控制器来改善压电致动器的迟滞非线性,最后采用MATLAB对压电致动器的位移与速度进行跟踪控制仿真,并对其位移误差进行仿真,以验证该模型的有效性,其显著提高了压电致动器的位移控制精度,有效提高了系统的鲁棒性,进而可显著提高双光子聚合加工系统的定位精度。     

基于压电陶瓷的新型尺蠖式微位移器的设计

利用压电陶瓷的逆压电效应,基于尺蠖运动原理设计了一种高精度定位的微位移器。本文详细介绍了这种新型尺蠖式微位移器的设计过程。针对当前压电陶瓷驱动电源不能将断电后的压电陶瓷中的电荷放出的缺点,本文所设计的新型放电电路使其放电时间达到毫秒级。通过加入这个放电电路,压电陶瓷将能更快的恢复原形,提高了压电陶瓷的运动精确性。     

以正交衍射光栅为计量标准器的二维微位移工作台

提出以正交衍射光栅作为X-Y二维位移工作台计量标准器的思想,阐述了正交衍射光栅作为大量程二维位置检测传感器的工作原理及光路布置方法,推导了光栅运动位移与所产生干涉条纹的相移之间的关系。介绍了工作台粗、细两级定位系统的组成结构:粗定位部分由磁悬浮平面直线电机驱动,细定位部分采用弹性铰支结构并由压电陶瓷驱动;通过分别对电机和压电陶瓷驱动范围与定位精度的分析,提出对工作台精密快速定位的方法。设计了一套对电机与压电陶瓷进行驱动控制和光栅信号进行处理的电路,并结合实际正交衍射光栅的刻线精度,计算了工作台位置检测的有效分辨率。最后,分析了当前几种典型压电陶瓷驱动电路的特点,提出选用直流放大电源的方式作为本系统高压驱动方法,并给出了高压驱动电路图。     

摩擦驱动压电微位移动力模型与Simulink仿真

基于光栅刻划机驱动机构(宏动--摩擦驱动、微动--压电陶瓷)建立驱动模型和动力学模型即二阶弹簧阻尼系统动力模型,通过对宏动部分与微动部分的位移输入,模拟其最终刻划刀具位移量,通过应用Matlab中Simulink部分对涉及的计算表达式进行求解,绘制刀具定位的相应仿真曲线。得到理论摩擦驱动和压电陶瓷组合(以下叫实验组合)位移曲线与常规组合(如滚珠丝杠、齿轮齿条等)运行曲线。得出实验组合位移规律性强、控制方便、能够达到设计的精度要求。     

基于压电陶瓷的精密进给系统的应用研究

压电陶瓷器件在精密定位和微位移控制中得到了广泛的应用,但是它存在着迟滞、蠕变等特点,给压电陶瓷的陶瓷的控制带来了困难.该系统设计了基于信号处理及特殊算法的闭环控制系统,应用于对压电陶瓷致动器的控制,并且在此基础上建立实验系统.实验数据分析结果表明,定位精度稳定在±0.02μm,良好的解决了压电陶瓷的非线性特点,满足高精密加工技术的需求.     

基于压电陶瓷驱动器的微动平台控制技术

压电陶瓷驱动器是近年发展起来的一种新型微位移控制器件,利用压电陶瓷的逆压电效应使之产生相应的应力和应变,可以驱动二维柔性铰链微动机构实现微位移,达到二维定位的目的.通过分析压电陶瓷的基本理论及其非线性特性和补偿措施,阐明压电陶瓷驱动器直接驱动徽动平台的控制技术.     

尺蠖式压电线性作动器设计及实验研究

针对空间环境下小型抓取操作机构对新型作动器的使用需求,考虑压电作动器具有耐温范围宽、无电磁干扰及断电自锁等特点,仿照昆虫尺蠖的行走方式设计一种新型压电线性作动器。首先,利用柔性铰链式位移放大机构放大压电陶瓷（Pb-Zr-Ti,简称PZT）叠堆的输出位移,以增大线性作动器的移动步长及对导轨的夹紧变形量,将多个压电陶瓷叠堆器件分为3组,分别作为尺蠖式压电线性作动器的2个夹持单元和1个推进单元的激励源,以获得较大的驱动力并进一步增大作动器的移动步长;其次,借助有限元仿真分析软件,研究压电陶瓷叠堆力电耦合行为的预测方法,并实验验证该方法的可行性;然后,简化柔性铰链式位移放大机构,提出放大倍数的数值分析方法,对位移放大机构在压电陶瓷叠堆作动方向上的刚度进行仿真分析,并验证放大倍数的数值分析方法的准确性;最后,基于设计的线性作动器开展实验研究。结果表明：位移放大机构对压电陶瓷叠堆输出位移的放大倍数为7.3,处于理论值与仿真值之间;在激励电压频率为5 Hz时,作动器的最大空载移动速度为413 μm/s;作动器的最大推动力为16 N,对应的驱动速度为19 μm/s。以上研究结果能为小型抓取操作机构的智能驱动提供技术支持。     

Precision tracking of a piezo-driven stage by charge feedback control

This paper presents a novel approach for precisely controlling the motion of a piezo actuator embedded in a mechanical stage without using a displacement sensor. A piezo actuator has a high displacement resolution, but the positioning performance is degraded by hysteresis between the applied voltage and resultant displacement. However, an electromechanical model of a piezo actuator suggests that the charge flowing in the actuator is directly related to the dynamic response of the piezo displacement. Therefore, this study directly measured the charge stored in a piezo actuator, and achieved dynamic reference tracking of the actuator's displacement by regulating the charge flowing through the actuator to follow a predefined trajectory.This novel approach requires neither specially designed charge amplifier circuits nor implementation of an inverse hysteresis model. The complete model identification and the digital controller design procedure for a piezo-driven mechanical stage are presented. The charge feedback controller is designed according to the dynamic characteristics of both the actuator and the stage, so that instability is minimized relative to using a charge amplifier. The experimental results confirm satisfactory tracking performance, and reveal the influence of model uncertainties on the system performance.     

指向机构微调平台的结构设计与分析

针对提高指向机构定位精度的要求,充分利用压电陶瓷驱动器和柔性铰链的优点,设计一套基于压电陶瓷驱动的新型高精度的两自由度微调平台,并实现了微调平台的机构、驱动、检测的一体化。采用余弦矩阵法,对微调平台的机械结构进行运动学分析,并利用Ansys软件建立有限元模型进行静力分析,求出各关键零、部件的微位移和应力分布,验证了设计方案能够满足工作空间和强度准则的要求。     

双重驱动2-DOF平面并联机器人系统的研究

研制了一种新颖的高速高精度柔性机器人机构。采用高速精密直线电机驱动2-DOF平面并联压电智能杆机构,针对柔性机器人机构的振动问题,以直线伺服电机作为机器人的主驱动源实现高速精密点位控制并采用脉冲整形技术减小末端残余振动,以压电陶瓷作为从驱动源采用闭环反馈控制策略抑制末端残余振动。实验研究和测试结果表明:机器人系统的最大加速度为2 g,稳定时间小于150 ms,重复定位精度小于±5 μm,实现了高速高精度的点位控制。     

Active vibration control of flexible cantilever beam using piezo actuator and Filtered-X LMS algorithm

This paper presents the active vibration control of a flexible cantilever beam. The cantilever beam was excited by steady-state sinusoidal and white noise point forces. The vibrational control system was implemented using one piezo ceramic actuator bonded on the beam and the adaptive controller based on the Filtered-X LMS algorithm. Control results indicated that a considerable vibrational reduction could be achieved in a few seconds. Experimental results, demonstrate the feasibility of active vibration control of the flexible cantilever beam based on piezo ceramic actuator and the Filtered-X LMS algorithm.     

压电元件驱动的微小夹持器的研制

介绍了压电元件驱动的微小夹持器的结构设计,提出了由层叠式压电元件和柔性绞链组成的夹持器张合量的计算方法,列出了增大张合量的二种变型结构。     

Nano positioning control for dual stage using minimum order observer

A nano positioning control is developed using the ultra-precision positioning apparatus such as actuator, sensor, guide, power transmission element with an appropriate control method. Using established procedures, a single plane X-Y stage with ultra-precision positioning is manufactured. A global stage for materialization with robust system is combined by using an AC servo motor with a ball screw and rolling guide. An ultra-precision positioning system is developed using a micro stage with an elastic hinge and piezo element. Global and micro servos for positioning with nanometer accuracy are controlled simultaneously using an incremental encoder and a laser interferometer to measure displacement. Using established procedures, an ultra-precision positioning system (100 mm stroke and ±10 nm positioning accuracy) with a single plane X-Y stage is fabricated. Its performance is evaluated through simulation using Matlab. After analyzing previous control algorithms and adapting modern control theory, a dual servo algorithm is developed for a minimum order observer to secure the stability and priority on the controller. The simulations and experiments on the ultra precision positioning and the stability of the ultra-precision positioning system with single plane X-Y stage and the priority of the control algorithm are secured by using Matlab with Simulink and ControlDesk made in dSPACE.     

Experimental optimization of power-function-shaped drive pulse for stick-slip piezo actuators

Motion of a stick-slip piezo actuator is generally controlled by the parameters related to its mechanical design and characteristics of the driving pulses applied to piezoceramic shear plates. The goal of the proposed optimization method is to find the driving pulse parameters leading to the fastest and the most reliable actuator operation. In the paper the method is tested on a rotary stick-slip piezo actuating system utilized in an atomic force microscope.The optimization is based on the measurement of the actuator response to driving pulses of different shapes and repetition frequencies at various load forces. To provide it, a computer controlled testing system generating the driving pulses, and detecting and recording the corresponding angular motion response of the actuator by a position sensitive photo detector (PSPD) in real time has been developed. To better understand and interpret the experimental results, supportive methods based on a simple analytical model and numerical simulations were used as well.In this way the shapes of the single driving pulses and values of the load force providing the biggest actuator steps were determined. Generally, the maximal steps were achieved for such a combination of the pulse shapes and load forces providing high velocities at the end of the sticking mode of the actuator motion and, at the same time, lower decelerations during the slipping mode.As for the multiple driving pulses, the pulse shapes and values of repetition frequency ensuring the sticking mode of the actuator motion during the pulse rise time together with the maximum average angular rotor velocity were specified. In this way the effective and stable operation conditions of the actuator were provided.In principle, the presented method can be applied for the testing and optimization of any linear or angular stick-slip actuator.     

压电微位移台的动态迟滞建模及实验验证

为了提高压电微位移平台快速定位的精确度,建立了一种表征压电微位移平台驱动电压与输出位移关系的定位模型。考虑压电工作台在快速、大行程精确定位过程中会受压电陶瓷迟滞特性及本身动态特性的影响,本文采用BoucWen模型描述压电陶瓷迟滞特性,并结合压电工作台的动态特性进行共同建模,使模型同时体现压电工作台的动态特性与迟滞特性。为了验证模型的正确性,搭建了基于压电微位移平台和相关驱动器的实验设备对模型进行了实验验证,并进行了测控程序的二次开发。研究结果表明,与单纯的Bouc-Wen模型相比,提出模型在最大位移输出为40μm,输入电压频率为40Hz时的最大误差由3.04μm下降到了0.67μm,此时最大相对误差为1.68%。得到的结果验证了提出的模型可较好地模拟压电工作台的迟滞特性与动态特性,大大提高压电微位移平台在快速、大行程定位中的精确度。     

杠杆式尺蠖压电直线驱动器

设计了一种基于尺蠖运动原理的压电直线驱动器,用于解决光学领域中的精密定位问题。该驱动器采用了对称杠杆式位移放大机构,在保证钳紧力的同时,可以获得较大的驱动位移。阐述了尺蠖式压电驱动器的工作原理,对杠杆式柔性放大机构的位移损失、压电陶瓷与柔性机构的耦合特性及箝位机构与中间驱动机构的刚度进行了分析。利用有限元软件Ansys对钳位机构和驱动机构的变形、应力、输出位移和固有频率等参数进行了仿真分析。最后,搭建了实验平台,测试了驱动器的各项性能。测试结果显示,该驱动器的行程为±25mm,钳紧力为17N,承载力为11N,最大和最小步距分别为55μm和60nm。当驱动电压为150V时,驱动器的最高驱动速度为1.259mm/s。得到的性能指标满足光学领域精密定位需要。     

蠕动式压电电流变液进给机构的负位移现象

为研制电流变液作为钳位介质的大行程高精度蠕动式进给机构,以压电陶瓷作为驱动元件,沸石/硅油型电流变液作为钳位介质,研制了蠕动式压电电流变液直线式进给机构样机,并利用计算机编程对机构的进给运动进行了控制,发现机构运动中存在负位移现象并研究了压电陶瓷驱动电压、电流变液钳位电压以及电流变液充放电时间对机构负位移的影响,建立了机构的动力学模型,对影响负位移大小的因素进行了定性探讨。结果表明,机构运动过程中,极板所受的作用力主要是钳位力、阻尼力和压电陶瓷的驱动力,增大钳位力,减小阻尼力,增大驱动力同时减缓驱动力的变化速率,对减小负位移有利。