Development of Lyapunov-Based Genetic Algorithm Control for Linear Piezoelectric Ceramic Motor Drive

In general, the role of genetic algorithm (GA) is operated offline as a minor compensator or tuner in the control engineering because the systematic design and the latent stability problem of a GA-based control scheme are required to be solved. This paper originally designs a Lyapunov-based GA control (LGAC) scheme, and it applies for a practical control engineering example of the online motion control of a linear piezoelectric ceramic motor driven by a hybrid resonant inverter. In this control scheme, a GA control system via backstepping design technique is utilized to be the major controller, and adaptation laws derived from Lyapunov stability analyses are manipulated to adjust appropriate evolutionary steps. As a result, the system stability can be guaranteed directly without strict constraint conditions and detailed system knowledge. The effectiveness of the proposed drive and control system is verified by experimental results in the presence of uncertainties. From the measured results, the LGAC system performs superior high-precision motion control under wide operation range than conventional backstepping control system.     

探讨超声电机用压电陶瓷

简要介绍超声电机的工作原理及对压电陶瓷的性能要求，分析了3种压电陶瓷材料对超声电机性能的影响，确定了用于超声电机的压电陶瓷材料的性能指标，并对压电陶瓷材料的制备工艺进行了探讨性研究．     

一种新型直线压电马达驱动器

在分析以色列Nanomotion公司直线压电马达运行机理的基础上，设计了一种基于谐振原理压电马达驱动器。采用CPLD设计作为电路的逻辑控制器，利用两个背靠背高压浮地驱动MOSFET实现方向开关。通过实验证实了该压电马达驱动电路能够满足驱动压电马达的要求，同传统的驱动器相比，该文所设计驱动器提高了输出驱动信号的准确度。     

压电线性马达与纳米马达

国外对压电线性马达的研究已经进行了有些年了，并已有较为成熟的应用，它利用压电陶瓷基片或薄膜、电致伸缩材料等功能部件实现驱动。主要特征是能够提供较大的横向输出力。同时。又可能实现超高精度和小位移——毫米级的位移行程和原子级的精度。一般用空载速度、最大推进力、效率及其他一些参数来表表压电线性马达。该文首先介绍几种类型的压电线性马达。包括它们的结构、运行原理和特性等。然后再介绍纳米马达，应该指出，纳米马达是压电线性马达的发展。其特点是能够实现纳米级精度的位移。国外已经在精密仪器、航天航空、自动控制、办公自动化、微型机械系统、微装配、纳米定位等领域得到了实际应用。     

压电尺蠖直线电机的设计

为实现大行程、高分辨率精密驱动,该文提出了一种压电尺蠖直线电机的设计方法。首先,基于尺蠖运动原理,对电机进行了结构设计,它包括左、右箝位机构、驱动机构和输出轴,左、右箝位机构结构相同,用来对输出轴交替箝位与释放,驱动机构可以微米级及纳米级地步进输出位移,在左、右箝位机构及驱动机构的共同作用下,输出轴可连续输出大行程直线位移,该电机结构简单紧凑,便于调节,并可断电自锁;其次,采用有限元法对箝位机构及驱动机构进行了仿真分析,初步获得了电机的静、动态特性;最后,基于所搭建的实验系统,对电机的静、动态特性进行了测试。结果表明,在5mm的运动范围内,电机输出位移具有良好的直线性;在50 Hz的驱动电压作用下,电机运动速度为59.1μm/s;电机输出位移具有较高的分辨率,达到21nm。     

一种新型直动式压电直线电机的设计

为研制高精度、大行程、宽频响的压电直线电机,提出了一种基于叠层型压电陶瓷的直动式压电直线电机.分析了电机的工作原理,对电机的结构进行了设计,制作了原理样机,并进行了实验研究.实验表明,在一定频率范围内,定子驱动足纵向振幅保持不变,且最大幅值为900 nm,电机最大无负载速度为4.8 mm/s,最大输出推力为4.5 N.     

基于结构一体化的压电尺蠖直线电机设计

为使装配与调节过程易于实现,基于结构一体化思想设计了压电尺蠖直线电机。首先,采用三角放大结构对箝位机构进行了设计,并采用柔性薄板和柔性折叠梁对驱动机构进行了设计,所设计电机的箝位机构与驱动机构被集成为一体,可降低对机体加工与装配的精度要求;其次,采用有限元法对电机的位移放大倍数、应力与模态进行了分析;最后对电机的静、动态特性分别进行了测试。结果表明,电机位移具有良好的线性,最大单步位移为8.24μm,电机的分辨率为10 nm,最大运动速度为0.17 mm/s。     

一种直线压电电机驱动足的结构优化设计

直线压电电机在精密仪器、生物医学和半导体封装等行业具有广阔的应用前景,其定子结构特性直接影响了电机运行的稳定性和输出性能。以一种直线压电电机定子驱动足的位移输出特性为优化目标,研究该类电机驱动足结构优化设计方法,提高该类电机的综合输出性能。通过分析驱动足的微观几何位移特性,理论研究了驱动足结构参数对输出端宏观运动特性的影响。研究了不同结构下驱动足的输出特性,确定驱动足的结构参数及最优值。最后对优化后的驱动足位移输出性能和力学性能进行仿真分析。加工优化样机,并测试电机的机械输出性能。实验结果表明,电机的输出力为0.64 N,比优化前增大了52.4％。     

一种高效率线性压电陶瓷驱动电源设计

为改善压电陶瓷驱动电源的静态功耗和动态性能,提出了可变静态工作点和工作电压的高压放大器。首先使用恒流源结构的放大器构成典型的高压放大器,然后通过比例微分电路动态调整放大器的工作电流,最后利用多组抽头电源给高压放大器分段供电,进一步降低系统功耗。实验结果表明,放大器在10 mA静态电流下,可以动态输出400 mA电流;放大器工作电压可以根据输出电压大小在50 V、100 V、150 V、210 V之间自动切换。放大器在很低的静态电流下可以获得很好的动态特性,满足设计要求。     

一种新型压电陶瓷固液一体化作动器

提出了一种基于压电陶瓷的新型固液一体化作动器。该作动器通过两个压电陶瓷泵协调工作,由压电陶瓷提供动力,液压油为介质,用泵体代替普通一体化作动器中的单向阀,克服了单向阀的响应频率瓶颈,从而有效地利用了压电陶的高频响应特性,同时集成的一体化结构设计,避免了普通液压作动器的分布管路。对设计的一体化作动器进行了建模仿真,得到仿真曲线,结果表明该作动器相对体积小,输出位移大,响应频率高,承载能力强,动态特性好,并且实现了全电工作。     

一种用于压电陶瓷驱动电路的线性稳压电源

该文提出了一种可用于压电陶瓷驱动电路的低纹波、高稳定性的直流线性稳压电源的设计方案,分析了其工作原理并测量了其电学特性。采用可调三端稳压器为核心器件,利用低温漂电压基准源提高了稳压器的反馈电压,采用瞬态抑制二极管抑制了上电瞬间的冲击浪涌,有效地抑制了输出纹波,提高了电源的电磁兼容性和可靠性。实验结果表明,该电源可输出10~200 V的正负双极性电压,负载调整率小于0.5%,纹波小于10 mV,现已成功应用于以PA85功率放大器为核心器件的压电陶瓷驱动电路中。     

直线电机保护装置的设计与控制方法

直线电机具有精度高、响应快等优点,广泛应用于半导体制造设备中。直线电机控制机构Z向运动时,经常出现掉电或故障导致的电机动子跌落而发生损坏晶圆的情况。利用电磁铁螺线管设计了一种电机掉电保护装置,建立动力学模型,应用Adams软件进行了动力学仿真,获得了挂钩转角与时间的关系曲线,并通过搭建实验平台,测试了该系统的反应时间。实验表明,反应时间的仿真与实验结果吻合较好,该装置可以应用于直线电机保护中。     

回转式压电微角度电动机的反馈控制系统设计

介绍了一种采用"推拉接力原理"设计的压电微角度电动机.通过TMS320LF2407型数字处理芯片(DSP)产生6路方波,将其中两路转换成三角波与两路方波相匹配作为四路控制信号.采用直流放大驱动电源将控制信号放大驱动压电电动机,电动机通过圆光栅检测回转角度并把检测值传递给数字处理芯片,从而进一步调整输出的控制信号.整个系统实现闭环控制,同时实现压电微角度电动机的匀速连续转动.电动机的最小单步角位移可达2″.     

功率超声压电陶瓷换能器振动特性的控制

本文提出了用测量压电陶瓷圆板振动频谱和电导纳特性,研究磨边缘的压电陶瓷圆板产生能阱,用等效质量因子m控制耦合径向振动的影响。     

一种高速压电陶瓷驱动器驱动电源设计

利用转移和压缩控制信号的方法寻求放大器件最佳线性放大区域,设计出一种高速的压电陶瓷驱动电源。由于电压放大部分不含比较以及反馈成分,减少了容性结构,从而提高了整体响应时间。对小推力叠层型压电陶瓷的实验表明,该驱动电源的响应时间接近1.5μs,最高交流响应频率达500 kHz。     

压电叠堆驱动式超声电机设计

该文研究了拟发挥压电叠堆大输出力的特点,并提出了一种压电叠堆驱动的超声电机。电机定子由压电叠堆与金属弹性体结构组成,定子在交变激励信号下产生行波振动,并通过摩擦耦合驱动转子旋转输出。该文制作了样机,并搭建了实验平台。测试结果表明,电机转速与驱动电压呈正相关关系。当驱动电压峰-峰值为310 V时,电机最大输出转速为42.55 r/min,输出扭矩为0.8 N·m。     

基于D/A集成控制的压电陶瓷驱动电源设计

压电陶瓷驱动电源是纳米级工作台系统的关键部件。文章提出了采用多级驱动的电源结构，并在此基础上开发研制了基于D／A集成的单片机控制压电陶瓷驱动电源，该电源由多级数控可调直流电压源串联构成，采用具有过载保护的三端可调稳压集成模块LM317作为稳压核心元件。所设计电源分辨率高，响应速度快，驱动能力强，结构简单，调试方便，适用于压电陶瓷驱动器。     

压电陶瓷迟滞建模及控制仿真

为了提高压电陶瓷驱动器在调节光学谐振腔长度时的精度,设计了一种压电陶瓷驱动系统。同时,为了改善压电陶瓷的迟滞特性,利用Duhem迟滞模型对其进行建模,利用梯度下降法对模型参数进行辨识,得到迟滞模型;并利用逆模型补偿及比例、积分、微分(PID)复合控制方法进行控制。实验结果表明,Duhem模型可以有效地拟合压电陶瓷驱动器的迟滞,在15 μm的范围内,最大拟合误差小于0.2 μm ;同时,在复合控制下,驱动器的最大控制误差为12 nm,表明该复合控制方法的有效性。     

Implementation of Hybrid Control for Motor Drives

This paper presents the implementation of a hybrid-control strategy applied to a permanent-magnet synchronous-motor (PMSM) drive. Hybrid control is a general approach for control of a switching-based hybrid system (HS). This class of HS includes a continuous process controlled by a discrete controller with a finite number of states. In the case of ac motor drives, in contrast to conventional vector control like proportional-integral control or predictive control, where the inverter is not taken into account by the controller, hybrid control integrates the inverter model and considers the state of the inverter as a control variable. It allows to obtain faster torque dynamics than vector-control algorithms. The hybrid control algorithm requires both computing velocity for real-time implementation and code flexibility for management of low-performance functions and analog-digital interfaces. Codesign appears as a promising methodology for partitioning hybrid-control algorithm between software (flexible) and hardware (velocity) while taking care of overall time constrains. In this paper, the implementation of hybrid-control algorithm for a PMSM drive is performed through a codesign approach on an Excalibur board, embedding a CPU-core (Nios-2 by Altera) inside an APEX20KE200EFC484-2X field-programmable gate array. The partitioning of software and hardware parts is explained. Experimental results show the effectiveness of the implementation. Performances, advantages, and limitations are discussed.     

压电陶瓷迟滞建模及控制仿真

为了提高压电陶瓷驱动器在调节光学谐振腔长度时的精度,设计了一种压电陶瓷驱动系统。同时,为了改善压电陶瓷的迟滞特性,利用Duhem迟滞模型对其进行建模,利用梯度下降法对模型参数进行辨识,得到迟滞模型;并利用逆模型补偿及比例、积分、微分(PID)复合控制方法进行控制。实验结果表明,Duhem模型可以有效地拟合压电陶瓷驱动器的迟滞,在15μm的范围内,最大拟合误差小于0.2μm;同时,在复合控制下,驱动器的最大控制误差为12nm,表明该复合控制方法的有效性。