基于压电纤维的微位移驱动器的研究

基于压电纤维复合材料特性研究,设计了一种新型的压电式微位移驱动器,它能够实现60μm的行程和亚微米量级的定位精度。对驱动器的电压-位移特性、分辨率以及迟滞和蠕变特性进行了实验研究,研究表明,相比于传统的压电陶瓷式微位移驱动器,这种新型的压电纤维微位移驱动器拥有更大的行程和更好的位移线性关系。本研究对压电纤维复合材料在微驱动方面的研究奠定了理论基础。     

压电陶瓷驱动系统及控制方法研究

给出了一种压电陶瓷驱动系统的控制方法,利用VB中的Timer控件和压电陶瓷电源的DLL动态连接库函数,实现了控制电压的实时可编程输出。针对压电陶瓷驱动器的非线性和迟滞特性,应用MATLAB分别拟合出压电陶瓷驱动器在往返行程中电压与位移值的多项式拟合曲线,得到了电压与位移的关系式,为进一步修正和减少非线性及迟滞误差的影响、提高系统的定位精度,提供了分析的依据。     

压电陶瓷微位移驱动器建模与控制

考虑利用白光干涉仪进行表面三维形貌测量时压电陶瓷(PZT)的蠕变效应对微位移驱动器位移精度的影响,提出了一种沿参考镜光轴方向提高该驱动器位移精度的方法.系统研究了该驱动器的位移检测回路、PID闭环控制以及蠕变补偿控制;利用光电位置传感器和光学杠杆调节位移检测回路,将压电陶瓷驱动器微位移反馈至控制系统,建立PID闭环控制.充分考虑了PZT蠕变特性对测量过程的影响,建立了"电压蠕变"补偿模型,实现了基于PID闭环控制与蠕变补偿控制相结合的复合控制方法.利用XL-80激光干涉仪测量压电陶瓷驱动器在PID闭环控制和复合控制二种情况下的微位移,实验结果显示前者位移误差为0.007 μm,后者位移误差为0.005 μm.结果表明该方法可有效克服压电陶瓷迟滞非线性和蠕变对测量结果的影响,满足表面三维形貌测量的高精度要求.     

超精密柔性压电式微位移机构的研究

设计了一种超精密压电式微位移机构,此机构以压电陶瓷作为驱动器,以对称杠杆式柔性铰链放大机构作为导向机构,弥补压电陶瓷位移行程过小的缺点.机构输出位移由原来的11.6μm放大到100μm,能够满足许多长行程、超精定位运动的需要.对此微位移机构进行定位精度测试,并将它作为位移补偿装置安装于精密滚珠丝杠副驱动的机床上,机床定位精度由原来的1μm上升到0.01μm,定位精度得到显著提高.     

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。     

补偿压电陶瓷迟滞和蠕变的逆控制算法

研究了用于扫描探针显微镜,特别是原子力显微镜(AFM)中的扫描器高精度定位问题。压电陶瓷驱动器通常用于这种扫描器中,在无补偿的开环控制期间,它在输入电压和输出位移之间表现出明显的迟滞和蠕变。迟滞和蠕变降低了扫描器的定位精度并使扫描图像出现了畸变。给出了迟滞和蠕变模型及参数的在线辨识方法。在AFM的扫描控制中,使用基于该模型的逆控制算法补偿了压电陶瓷的迟滞和蠕变。在分析中,Preisach迟滞模型和对数蠕变模型被用于描述压电陶瓷驱动器的非线性。由于该方法不需要在控制过程中进行参数设置,因此很容易使用。此外由于是开环控制方法,可以具有更好的分辨率。闭环操作能够给出较好的迟滞和蠕变补偿,但由于在高带宽情况下传感器动态范围的限制,对于小扫描区域或样本特征,它减小了成像的分辨率。三角波轨迹跟踪的仿真结果说明轨迹误差在传感器噪声量级上,证明了这个方法的有效性。     

基于二维微动平台的驱动电源设计

压电陶瓷驱动器在电场作用下将产生迟滞和蠕变,从而降低其定位精度,采用电荷控制可以减小位移迟滞和蠕变.本文简要介绍了二维微动平台的总体设计,根据系统的特点及要求,设计了电荷反馈式驱动电源.     

双向驱动压电作动器结构设计

为了实现叠层压电作动器双向驱动、提高作动行程的目的,设计了利用三角位移放大原理的双向驱动压电作动器。分析了作动机构的运动及放大机理,建立了作动器的输出位移的理论模型和有限元静力模型。样机输出特性试验结果显示:压电作动器的位移放大倍数达5.45,与有限元仿真得到的放大倍数5.71以及解析计算得到的5.76倍相对偏差分别是4.77%和5.69%;驱动器在幅值为200 V正弦电压的激励下,作动行程达105.5μm,作动行程与电压幅值具有很高的线性度(相关程度R2=0.997),且有很高的重复精度;作动器的输出特性受频率影响较小,频率每升高10 Hz,作动振幅减小0.04μm;放大机构的迟滞效应相比单个叠层压电陶瓷有很大改善,迟滞回线中心对称。该结构实现了较大行程、双向对称驱动的目的,适用于需要往复驱动特性对称的应用场合。     

压电陶瓷驱动微位移机构迟滞非线性改善方法研究

压电陶瓷驱动器在精密微位移系统中有着广泛的应用,但其固有的迟滞非线性严重影响系统的运动精度,使控制困难.通过数学建模方法建立压电陶瓷的迟滞曲线逆模型,并用此模型对压电陶瓷进行位移补偿,可以有效减小压电陶瓷迟滞非线性对系统精确控制的影响.提出一种用两个压电陶瓷协同驱动微动平台运动的微位移机构,通过基于迟滞逆模型的开环控制方法,对压电陶瓷位移进行误差补偿,可以实现微动平台运动与控制信号较好的线性对应关系.     

压电驱动晶体的特性研究

压电陶瓷迟滞特性是影响压电陶瓷驱动器位移输出精度的主要因素。在仔细研究现有的解决方案的基础上，采用Preisach模型对压电的迟滞性进行建模，并进行了相应的实验研究。实验结果证明该方法可以很好地降低压电陶瓷迟滞特性对位移输出性能的影响。而且采用压电陶瓷位移输出不回复到初始0电压状态的处理方法能够更地吻合实际情况。     

Model reference adaptive control for a piezo-positioning system

Piezoelectric (PZT) actuators having the characteristic of infinitely small displacement resolution are popularly applied as actuators in precision positioning systems. Due to its nonlinear hysteresis effect, the tracking control accuracy of the precision positioning system is difficultly achieved. Hence, it is desirable to take hysteresis effect into consideration for improving the trajectory tracking performance. In this paper, a model reference adaptive control scheme based on hyperstability theory is developed for a moving stage system driven by a PZT actuator. It is worth emphasizing that the controller can be constructed without a nonlinear hysteresis dynamic equation to compensate the hysteresis effect. According to simulation results, the tracking error was only nanometer order. Through experimental examinations, the tracking performance was obtained as precision as ten nanometers order which is the resolution limitation of the measurement system. The effectiveness of the proposed adaptive control scheme was validated.     

基于电流控制的压电陶瓷驱动电源及其试验研究

压电陶瓷致动器在电场驱动下会产生迟滞和蠕变现象,降低了定位精度。根据压电陶瓷致动器的位移与电荷量之间具有线性关系,研制了基于电流控制的压电陶瓷驱动电源。通过控制压电陶瓷的充电电流来控制其运动速度,从而控制其位移量。设计特殊电路和有针对性的控制算法,实现对压电陶瓷的快速驱动与高精度定位的结合。试验结果表明,利用该电源可实现对压电陶瓷的线性驱动和快速精密定位。     

压电微动工作台的位移复合控制

为解决稳态精度和稳定性之间的矛盾,提高压电陶瓷执行器的控制性能,进而提高其驱动的微动工作台的定位精度,构造了一种前馈补偿同反馈调节相结合的复合控制算法。其中,前馈补偿为基于压电陶瓷执行器迟滞非线性模型的前馈控制,通过自学习算法来实现,用来补偿压电陶瓷执行器的迟滞非线性,提高对参考位移信号的跟踪能力;反馈调节为PID反馈控制,用来进一步校正前馈补偿没有消除的偏差以及由模型的不确定性所引起的误差,且为了减小积分饱和作用以及微分对扰动的敏感性,对PID算法进行了改进,使之成为一种变系数积分与加权微分的PID算法。试验验证了该算法的有效性,并将该算法同其他控制算法——开环控制、前馈控制、PID 反馈控制进行了对比试验研究,结果表明,复合控制算法比其他控制算法具有更好的性能。     

压电双晶片扫描器的低温迟滞蠕变特性

研究了用于空间红外相机低温光学系统的压电双晶片扫描器的低温迟滞蠕变问题.压电双晶片具有行程大,不发热,在低温下仍然能够工作等优点,然而由于压电陶瓷固有的迟滞蠕变特性,使得其扫描精度受到了较大的影响.本文在常温和低温下,对所研制的压电双晶片扫描器的迟滞和蠕变特性进行实验研究和特性对比.结果显示:尽管压电双晶片扫描器的迟滞量和蠕变量均有大幅度下降,但由于总行程的下降幅度更大,使得迟滞度和蠕变系数有较大上升;120 K下的迟滞度约为300 K下的2倍,120K下的蠕变系数比300 K下的上升了一个数量级.低温下压电双晶片扫描器的迟滞和蠕变特性相比常温下更加严重,这给其在低温下的高精度应用带来了更大的影响.     

内箝位型压电精密步进旋转驱动器

提出一种新型的压电精密步进旋转驱动器。该驱动器以仿生运动的原理,以压电陶瓷叠堆为动力源,采用定子内侧箝位的方式和薄壁柔性铰链微变形结构,提高该驱动器箝位的稳定性和步进旋转的稳定性。通过静力学有限元分析和动力学分析,较深入地研究了该驱动器的运动特性,并对驱动器旋转分辨率、旋转速度、驱动转矩等方面进行试验研究。研制的内箝位型压电精密步进旋转驱动器能够实现高频率(40 Hz),较高速度(325 μrad /s),大行程(大于360°),高分辨率(1 μrad),较大驱动力矩(30 N·cm)等特点,有效提高了压电精密步进旋转驱动器的驱动性能。该驱动器在精密运动、微操作、光学工程以及精密定位等精密工程中具有广阔的应用前景。     

基于双向平面四杆机构的二维微动工作台的设计与有限元分析

基于双向平面四杆机构设计出了二维微动工作台,该工作台采用了内外双层柔性铰链支撑结构,利用压电陶瓷驱动,具有结构简单、加工方便等优点。为了验证该工作台能达到预期效果,在Pro/E中建模再导入ANSYS中进行静态分析,分析结果与计算结果吻合较好。同时在ANSYS中对微动工作台施加X和Y向不同力时,得到X和Y向位移及工作台的最大应力,通过比较得到位移与力成正比,应力与位移成正比,与公式一致,最后建立了微动工作台的动态模型,解析计算与有限元模态分析求解固有频率基本一致,说明该微动工作台基本满足要求。     

基于ILC的压电微动平台正弦扫描运动控制

研究了采用压电驱动器和柔性铰链结构的微动平台的正弦运动控制.首先分析了压电驱动器的滞回和非线性特性,建立了平台的传递函数;然后结合平台作正弦运动具有周期性的特点,提出了采用迭代自学习的控制策略并进行了实验研究.结果表明,微动平台的输出位移波形的精度和失真度得到了较大的改善,并成功应用于某激光测量扫描系统中.     

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。     

压电驱动器的非线性模型及其精密定位控制研究

压电驱动器的非线性特性和迟滞特性是影响微动平台定位控制精度的主要因素。采用改进的Preisach模型对压电驱动器的迟滞特性进行建模，利用建立的Preisach模型进行开环精密定位控制和作为PID反馈控制的前馈环节的研究。实验结果表明，该模型能够有效地降低非线性迟滞特性对压电驱动器位移输出精度的影响，提高驱动器的动态响应特性。