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.     

基于压电驱动器的Stewart微动平台迟滞补偿和解耦控制研究

针对基于压电驱动器驱动的Stewart微动平台同时存在强耦合性和迟滞特性的问题,对Stewart微动平台的耦合特性和迟滞特性进行了研究。对耦合特性与迟滞特性的特点进行了归纳,提出了一种基于迟滞补偿和输入端解耦的控制方式,建立了数学模型,并设计了控制器;先通过旋转变换矩阵进行了位姿反解,得出了Stewart平台各支腿长度;再在系统动力学模型的基础上,通过在输入端引入动力学逆模型的方法,对系统进行了输入端解耦,采用Bouc-Wen模型来描述压电驱动器的迟滞特性,并用逆模型方法对迟滞特性进行了补偿;最后设计了控制器,并通过仿真验证了定点运动和连续运动两种方式的有效性。研究结果表明:该控制方式能同时对压电驱动器驱动的Stewart平台进行迟滞补偿和解耦控制,响应速度快、稳定性好。     

压电陶瓷驱动器蠕变特性的研究

压电陶瓷驱动器具有位移分辨率高、体积小、响应快、输出力大、不发热等优点，但其固有的迟滞、蠕变和非线性，严重影响了它的定位精度。在大行程微动工作台中，需要借助于位移放大机构来克服压电陶瓷驱动器位移行程小的缺点，但放大机构在放大位移的同时，也放大了压电陶瓷蠕变和迟滞误差的影响。本文通过对一种大行程压电陶瓷微动工作台蠕变特性的研究性实验，得到了该机构的蠕变特性曲线，找到了压电陶瓷驱动器蠕变的规律，为进一步修正和减少蠕变误差的影响、提高系统的定位精度，提供了科学的依据。     

基于压电驱动器的微动平台开环精密定位控制研究

针对压电驱动器的非线性和迟滞特性,首先介绍了一种基于迭代学习控制的压电驱动器的快速电压/位移线性化方法,利用此方法所得的线性化数据对二维微动平台进行了开环精密定位控制;然后介绍了采用改进的Preisach模型对压电驱动器的迟滞特性进行建模的方法,并利用此模型也进行了开环精密定位控制研究。试验结果表明,两种方法均能达到亚微米级的开环定位精度,且前者定位精度稍优于后者,但是当控制序列发生转折时,前者必须先回到零电压或者饱和控制电压,才能进行下一次定位控制,而后者可以实现任意序列的连续控制。     

基于压电微动平台的灰色PID控制

将不确定量的灰色PID控制引入压电微动平台的控制中，仿真验证了灰色控制在微定位平台的适用性。通过与经验PID控制得出对平台的阶跃响应、控制信号、跟踪误差和变化率的对比，结果显示：在引入灰色控制后，微动平台的控制误差降低了0．15μm。     

压电陶瓷驱动器的滑模神经网络控制

由于压电陶瓷驱动器的迟滞非线性严重影响其定位精度,本文提出了一种滑模神经网络控制方法来改善它的性能.用径向基函数神经网络的输出作滑模控制的等价控制量,由迟滞补偿器估计控射器参数误差、外部扰动和近似计算所造成的不确定量对神经网络的输出控制量进行补偿,从而使驱动器系统状态保持在滑模平面上.基于Lyapunov稳定性理论推导了控制器和补偿器的自适应调节律,分析了控制系统的收敛性和稳定性,以可变幅值的低频三角波为参考位移量对控制系统进行了实验测试与分析,结果表明,只采用神经网络控制时的平均定位误差为0.43 μm,最大误差为0.77 μm,而采用滑模控制方法对神经网络控制量进行补偿后,平均定位误差减小为0.27 μm,最大误差减小为0.49μm,定位精度有了显著的提高.     

基于压电陶瓷驱动器的模糊PID控制设计

分析了常规PID控制的不足,阐述了模糊控制原理、模糊PID控制设计以及模糊PDI的建立,并通过常规PID控制下与模糊PID控制下的压电陶瓷驱动器的位移响应曲线实验对比,证明模糊PID控制的优点.     

基于压电陶瓷驱动的并联微动机器人静力学及其微动平台的静刚度分析

并联微动机器人通过弹性铰链的弹性变形实现终端平台的微运动,静力学和静刚度是微动机器人必须解决的问题。充分考虑弹性铰链的弹性反力/力矩,对6-PSS并联微动机器人进行静力学分析,建立了压电陶瓷驱动力与微动平台外载的关系模型,并定义了微动机器人的驱动刚度矩阵。基于并联微动机器人的特殊性,定义了微动平台的刚度,通过静刚度分析推导出了微动平台刚度矩阵,为并联微动机器人结构刚度设计、弹性铰链刚度综合和动力学分析提供了理论基础。     

压电陶瓷驱动器的迟滞特性

针对压电陶瓷固有的迟滞现象对其定位控制精度的影响,对迟滞进行了特征分析和实验验证。基于微观极化机理和机电耦合效应分析了迟滞的成因,分别对不同驱动行程,全行程不同位置和不同起始电压下的迟滞特性进行了对比实验。结果表明:对10V行程的驱动,随着电压区间的递增,平均位移输出先增大后减小,平均迟滞误差从0.419 3μm减小到0.158 9μm;对100V行程的驱动,随着起始电压的增大,平均位移输出从42.882 5μm减小到25.92μm,平均迟滞误差从3.999 3μm减小到1.692 3μm;起始电压每增加15V,位移输出减小5.654 2μm,迟滞误差减小0.769μm。实验结果反映了电畴翻转状况对驱动过程机电耦合效率的影响,有效验证了电畴翻转理论。实验也表明:针对电畴翻转不同阶段所表现的的迟滞特征对压电陶瓷驱动器的迟滞误差进行补偿,可修正或减小迟滞误差带来的影响,为提高系统定位控制精度提供科学的参考依据。     

压电陶瓷驱动器的复合控制方法研究

针对压电陶瓷驱动器中的迟滞非线性特性,提出一种提高压电陶瓷执行器定位精度的复合控制方法。建立了非等间隔阈值的Prandtl-Ishilinskii(PI)迟滞模型,通过自适应差分进化算法进行系统辨识,求取参数并建立逆模型。考虑到压电陶瓷迟滞非线性特性随输入信号频率变化的特点,采用融合PI逆模型前馈控制与滑模控制的复合控制方法用于压电陶瓷的精密驱动。实验结果表明,相比逆模型前馈和PID结合的复合控制方法,采用逆模型前馈和滑模复合控制方法,平均误差下降了0.0300μm,均方根误差下降了0.0346μm,能有效克服压电陶瓷迟滞非线性,提高系统跟踪性能。     

基于压电陶瓷的振动能量捕获技术现状及展望

分析了压电式振动能量捕获原理;针对提高振动能量捕获量和捕获效率这两个目标,对当前国内外在新型压电材料、压电振子性能研究与结构配置及高效电路等方面所作的研究进行了详细论述;指出向微能源器件、集成自供电系统发展和从旋转机械中捕获能量是压电陶瓷振动能量捕获技术的研究前景。     

基于压电陶瓷驱动的谐综合电子凸轮

提出了一种新型电子凸轮的概念.利用独特的叠层梁式压电陶瓷驱动器作为主动件,由有限元法确定输入单位正弦电压的频率和输出的运动幅值之间的规律;基于谐综合方法,选择组成周期性输入电压的各分量电压的频率、幅度和初相位,驱动机构从动件输出的运动实现谐综合的特性,从而达到较高的运动输出精度.     

采用压电陶瓷元件进行智能板振动控制

将分布的压电传感器／驱动器运用于智能板结构的主动减振控制中,分布的压电传感器能感知结构的局部应变状态,并通过控制回路反馈给驱动元件,构成闭环控制。建立了智能板闭环控制的分析模型,揭示在应变率反馈下,主动控制的机理是增加了结构的阻尼。用两对压电陶瓷元件仿真了柔性板的闭环控制,获得了令人满意的结果。     

预压力对弯纵振子微驱动的瞬态摩擦和磨损影响研究

利用自行研发的试验系统研究2种不同摩擦配副间瞬态摩擦和磨损,自动记录了预压力条件下摩擦配副正压力与驱动力的动态曲线,给出了摩擦副磨损表面光学照片.对2种不同配副动态正压力和驱动力峰值随预压力变化进行数据处理,得到其变化规律曲线,并对微驱动摩擦和磨损机制进行分析.结果表明:对于不同的摩擦副材料,随着预压力增大,弹性模量大的动态正压力大,而弹性模量小的驱动力效果好;超声波微驱动过程中,纵向振动造成下试样表面的微凸峰塑性破坏,而由弯曲引起的横向摆动造成下试样表面擦伤.     

基于压电陶瓷的磁致伸缩位移传感器建模分析

对基于压电陶瓷的磁致伸缩位移传感器进行建模与分析。通过磁极化强度模型,分析了弹性波机理。以波导丝和压电陶瓷拾音器为讨论核心,综合运用弹性波振动模型、磁机耦合关系、压电效应等理论,推导了传感器系统的磁机耦合模型及电压输出模型,表明了系统结果主要与磁场强度、脉冲电流、距离、材料参数等有关。通过搭建以压电陶瓷作拾音器的磁致伸缩位移传感器系统,比较模型数据和实验结果,证明了系统模型的合理性,为磁致伸缩位移传感器的研究提供了理论参考。     

基于压电元件的振动主动控制

对配置压电元件作为传感器、驱动器,基于自适应滤波技术的柔性结构主动振动控制进行了实验研究。介绍了压电传感器、驱动器原理及其检测、驱动电路,阐述了自适应控制的基本原理,导出了控制算法,并介绍了控制系统构成,实验结果验证了本文所述方法的有效性。     

六自由度压电微动平台测量系统开发

针对精密机械以及精密加工等领域需要纳米级的定位精度,开发出由三组二自由度高精度测量模组组成的六自由度压电微动平台。该平台通过NI软硬设备的有效整合,改变压电制动器移动量,调整微动平台六自由度实现定位。通过三组二自由度测量模组输出的二维光点坐标,测量六轴微动平台位移参数。同时对各模组的安装误差采用正角度补偿和雷射角度补偿,以满足平台高精度需求。经过综合测试表明,系统线性解析度达到10nm,角度解析度为0.1arcsec,系统位移跳动量0.022μm,角度跳动量为0.06 arcsec,能达到即时精确定位。     

基于Dahl模型的压电陶瓷微夹钳控制研究

针对微零件装配工艺的需要,开发了一套基于压电陶瓷驱动的微夹钳,建立了压电陶瓷驱动微夹钳位移与电压的关系模型,针对压电陶瓷迟滞现象提出了基于Dahl模型的前馈补偿控制和PID混合控制算法,微装配实验证明该模型结构控制效果好,能达到控制要求。     

压电陶瓷驱动器弹性套筒的研究

针对未封装的压电陶瓷驱动器不能承受剪切力、使用时极易损坏,封装的压电陶瓷驱动器价格昂贵等问题,研制了一种弹性套筒作为未封装压电陶瓷驱动器的保护装置。根据弹性力学原理,对圆柱体套筒进行局部切割,形成弹性元件,产生弹性变形。改变弹性套筒的结构参数,可以优化其设计。建立了弹性套筒的驱动力模型。进行了加装弹性套筒的压电陶瓷驱动器位移特性实验,实验结果表明,该装置不影响压电陶瓷驱动器的使用性能,可以保护驱动器,而且加工简单,具有很好的实用价值。