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.     

压电陶瓷微位移器件控制模型的研究

从不同角度介绍了压电陶瓷微位移器件的两种控制模型.首先,借助于统计物理学分析,结合数学建模方法,建立了一个简单实用的压电陶瓷的迟滞数学模型.其次,借助于弹性体变形理论,介绍了压电/电致伸缩陶瓷的归一化控制模型,从理论上说明了采用电极化强度的方法可以有效减小迟滞的观点.并设计了两种实验系统,对两种控制模型进行了实验验证,实验结果表明,所建立的两种模型可有效减小压电陶瓷的迟滞非线性误差,提高压电陶瓷微位移的控制精度,有助于实现压电陶瓷驱动器的高精度开环微位移控制.     

基于Bouc-Wen模型的压电执行器的前馈线性化控制器

本文提出并研究了利用Bouc-Wen模型构建压电陶瓷执行器的迟滞位移在线观测器的方法,并采用迟滞位移在线观测器构成前馈控制系统实现了压电陶瓷执行器的输出位移与输入控制电压之间迟滞关系的线性化。在此基础上设计了相应的数字控制算法,实现了一种基于数字信号处理器的前馈线性化控制器,建立了相应的实验装置并进行了实验验证。实验结果表明,当前馈线性化控制器的输入控制电压为频率0.5 Hz幅值5 V的正弦电压时(功率放大器放大倍数为20倍),压电陶瓷执行器输出位移的最大绝对误差和非线性度分别为1.25μm和2.37%;当前馈线性化控制器的输入控制电压为频率0.5 Hz幅值递增的三角波电压时,压电陶瓷执行器输出位移的最大绝对误差和非线性度分别为1.80μm和3.06%。采用DSP实现的前馈线性化控制器能够较好地实现压电陶瓷执行器输出位移与输入控制电压之间迟滞关系的线性化,而且由于是开环控制,成本较低。     

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。     

基于割率的线性方程抗迟滞方法

针对压电陶瓷驱动器固有的迟滞特性对定位及控制精度的影响,找到了一种基于割率的线性方程抗迟滞方法。首先计算出迟滞曲线上升、下降轨迹各采样点及目标修正直线的割率比,即割率系数β;将采样电压与对应β的关系曲线分段拟合成线性方程组;最后将采样电压带入方程组求出修正电压,作出驱动控制曲线。结合上述抗迟滞原理,驱动器的最大迟滞误差从14.543%减小为1.268%,重复性误差小于1.497%,非线性误差小于4.497%。相对于繁琐复杂的建模算法,该方法能以比例放大及加法运算电路的形式实现对迟滞曲线的修正,算法仅为一次方程组,具有更高的可实施性和可操作性,为进一步提高压电陶瓷驱动器的定位及控制精度提供了科学的参考依据。     

基于PZT非球面能动抛光盘的变形优化

基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘,能够在PZT驱动器的作用下改变面形,用于中小口径非球面镜加工。一个口径100mm、含19个PZT驱动器的非球面能动抛光磨盘已经试制完毕,用于一个口径350mm、k＝－1.112155、顶点半径R=840mm双曲面镜的加工实验。为研究PZT压电陶瓷驱动器迟滞效应对非球面能动抛光盘输出面形的影响,实测各PZT压电陶瓷驱动器的电压位移特性曲线,用基于径向基函数的神经网络算法建立各PZT压电陶瓷驱动器位移输出特性的数学模型并实施补偿,实测各PZT压电陶瓷驱动器迟滞补偿前后的位移输出值。最后利用有限元分析方法,得到迟滞补偿前后非球面能动抛光盘的输出面形,以及剩余残差RMS相应分别为1.910um、0.342um。通过补偿各PZT压电陶瓷驱动器的迟滞效应,非球面能动抛光盘输出面形精度得到了提高,剩余残差RMS减少了82%。     

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。     

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。     

压电陶瓷驱动器的迟滞非线性规律

探究压电陶瓷的迟滞非线性规律,为进一步修正迟滞非线性提供参考依据和理论基础。通过实验测量得到迟滞模型并对实验数据分析,拟合出上升轨迹的修正直线,求出其在相同位移下与上升、下降轨迹的电压差作为补偿电压,发现两条轨迹采样点上的输入电压与补偿电压满足近似多项式关系;分别选定5,10和15V不同步长进行驱动实验。实验结果:上升轨迹(下降轨迹)多项式参数R-square=0.999 2(0.999 9),RMSE=0.083(0.080 86);R-square=0.999 7(0.999 9),RMSE=0.057 39(0.094 99);R-square=0.995 2(0.999 8),RMSE=0.291 6(0.165 5)。实验结论:两条轨迹的R-square近似为1,RMSE较接近0,重复性误差在1.13%～2.63%,输入电压与补偿电压满足近似多项式关系,拟合程度和匹配性较高,且重复性较好,具有可预测性,从而为进一步修正压电陶瓷驱动器的迟滞非线性提供了参考依据和理论基础。     

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.     

基于模板匹配算法的压电微位移器位移量原位测量技术

针对压电微位移器的位移量高精度测量需要,基于模板匹配算法提出了一种新颖的位移量原位测量方法。利用改进型的Twyman-Green干涉系统对压电微位移器的电压——位移特性曲线进行原位测量,根据模板匹配算法实时计算干涉条纹的移动量,进而得到对应的压电微位移量,并对相关实验测量结果进行了分析与验证。结果表明,该测量技术具有较高的测量效率以及较好的随机噪声抑制能力,其测量精度和分辨率均可达到纳米量级。该方法属于非接触式测量,具有较高的可靠性,在微位移的高精度原位自动测量中具有较好的实用性。     

铁电材料测试系统用电压自动衰减电路

针对铁电材料测试系统中不同测试信号电压的差别，设计了电压自动衰减电路。重点介绍了自动量程转换电路、峰值AC／DC转换电路、继电器驱动电路和衰减电路的设计。利用配有电压自动衰减电路的铁电材料测试系统测量了PZT铁电体材料样品的电滞回线。测量结果表明，该设计解决了测试电压与采集卡量程的匹配问题，实现了铁电材料测试的自动化。     

Optoelectronic System for Studying Nanodisplacements of Moving MEMS Elements

An experimental structure of an optoelectronic system for contactless measurements of micro- and nanodisplacements of moving MEMS elements is considered. The system is based on a heterodyne interferometer with a frequency-stabilized He–Ne laser and an acousto-optical modulator of laser radiation. A resolution of less than 1 nm in terms of the moving element displacement is reached in experiments by applying voltage pulses with amplitudes up to 1 V on the MEMS structure; moreover, the displacement amplitude is found to be a linear function of the control voltage with sensitivity of 100–200 nm/V. No hysteresis is observed on the curve plotted in the coordinates of the element location and control voltage.     

压电微动机构的电荷反馈控制技术研究

研究了压电微动机构非线性回滞的形成机理，建立了压电陶瓷电荷量与机械应变之间的数学表达式。为减小压电微动机构的非线性回滞环，采用电荷反馈控制方法对压电微动机构进行控制。实验结果表明，与传统的电压激励方式相比，采用电荷反馈激励方式，压电微动机构的回滞环减小了50%，线性度提高了35％。     

压电执行器迟滞特性的自动采集及分析

压电微执行器用于纳米级微定位，预先获得其迟滞非线性特性是必要的，介绍了压电叠堆迟滞特性曲线的微机自动采集系统。系统基本部分是微机和通用数据采集板PCL-818L。高压运放输出作为高压驱动电源；电涡流位移传感器和后续减法放大电路承担测微位移任务，一定程度上可替代昂贵的精密电容位移传感器，测得了不同驱动电压范围的执行器迟滞特性曲线。     

超磁致伸缩电—机转换器位移感知模型及滞环分析

超磁致伸缩电—机转换器响应快、可靠性高,但动态驱动时,因受磁滞、涡流等因素影响,输出位移的滞环较大。需要以准确的数学模型为基础,通过控制算法来补偿滞环,或通过优化其结构参数来降低滞环。通过实时测量超磁致伸缩棒上所绕线圈两端的感应电压和推导此感应电压与超磁致伸缩电—机转换器输出位移的关系,建立实时反映超磁致伸缩棒磁化状态的超磁致伸缩电—机转换器动态位移感知模型,并进一步推导出了超磁致伸缩电—机转换器输出位移的滞环与其结构参数的关系。通过与试验结果对比,当驱动频率小于300 Hz时,由所建模型计算出的位移峰—峰值的相对误差小于5.8%;通过仿真研究超磁致伸缩电—机转换器结构参数对输出位移滞环的影响,得出增加预压弹簧的刚度,可以降低动态驱动时的滞环。     

基于压电模糊控制的2R柔性机械臂主动抑振实验研究

柔性机械臂在运动过程中不可避免产生弹性振动,对柔性机械臂的振动抑制成为重要研究课题.基于压电陶瓷的模糊控制抑振,利用电阻应变传感器检测机械臂振动信息,经动态应变仪采集到计算机系统,根据控制规律进行模糊运算,得到控制电压,再以该电压驱动压电陶瓷片,产生与振动方向相反控制力矩,抑制机械臂柔性变形.实验结果显示,模糊控制方法可靠,压电抑振效果显著.