压电微动杆迟滞动力学建模与鲁棒控制研究

压电微动杆作为光学设备主动调焦系统的关键设备,会因压电迟滞非线性及复杂机电耦合效应严重影响其位移输出精度,进而影响光学设备的性能。为实现压电微动杆的高精度控制,建立了压电微动杆的多场耦合迟滞动力学模型。在此基础上,对压电微动杆设计鲁棒H_∞反馈控制和逆Bouc-Wen前馈控制构成鲁棒复合控制器,在保证系统鲁棒性的同时补偿压电迟滞影响,提高控制精度。最后设计压电微动杆实验系统进行跟踪实验验证,结果表明所设计的鲁棒复合控制方法能够实现压电微动杆的高精度位移控制。     

液体媒质非接触型压电超声马达机理研究

介绍了一种液体媒质非接触型压电超声马达;这种马达的定子与转子是不接触的,且转子处于液体媒质中,定子压电振动所产生的能量通过定、转子间的液体传递给转子,从而驱动转子旋转,是压电超声马达的一个新的研究领域,文章给出了液体媒质非接触型压电超声马达的结构及驱动电路,对其运行机理进行了分析,并对目前存在的问题及进一步的研究方向作了阐述。     

压电超声马达驱动电路的研究

提出了一种基于计算机控制的压电超声马达谐振频率自动搜寻系统。在此系统中,首先使用计算机来产生一个频率可调的超声波驱动信号,然后通过对马达转数的检测,系统得到压电超声马达的最佳谐振频率值。试验证明本系统能够自动地查询到压电超声马达的最佳谐振点,并且,通过实验结果讨论了马达谐振频率与电路匹配状态对压电马达的影响。     

环形行波超声马达驱动电路的研究和设计

在介绍超声马达运行机理的基础上，分析了环形行波超声马达对驱动电路的要求，用驱动电路解决了超声马达中压电振子的极化问题，设计出了一种新颖的具有频率自动跟踪功能的行波超声马达驱动电路，分析了驱动电路的工作条件，得到了超声马达转速频率关系曲线。     

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。     

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。     

新型压电驱动机构

介绍了所研制的新型压电流体泵、多自由度压电马达、压电超声减摩机构等新型压电驱动机构的基本原理、试验样机的结构及研究现状。     

基于柔性铰链结构的二维微动工作台的设计分析

介绍了基于压电陶瓷驱动器(PZT)驱动的二维微动工作台。该微动台采用双柔性平行四连杆结构,运用参数化的分析方法求得铰链各尺寸对微动台固有频率、应力以及刚度的影响,将理论分析、有限元计算和试验测试的结果相结合,提出了一种微动台的设计方法。     

压电马达驱动控制电路的研究

分析和设计了一种频率可调式小型化压电马达驱动控制电路,能够输出单路和双路信号(相位差为90°),驱动控制驻波型和行波型压电马达,并实现了无线遥控,输出频率范围在0～150 kHz,输出电压可以通过改变变压器的匝数比进行调节.通过实验证实了这种驱动电路能够满足压电马达驱动的要求.     

压电微动平台的改进PID控制

为使压电微动平台具有良好的静动态特性,即响应快,超调量小,无振荡及稳态误差小,采用比例、积分、微分(PID)控制法来对其进行定位控制。将常规PID控制中积分环节的矩形积分改进为梯形积分,以提高压电微动平台的控制精度;采用微分分离法对常规PID控制中的微分环节进行改进,以使压电微动平台在具有良好稳定性的情况下,具有很快的响应速度。实验验证了压电微动平台改进PID控制的有效性,结果表明,压电微动平台对4μm阶跃参考位移的响应时间为0.05s,输出略有超调,但无振荡,且稳态误差几乎为0;在变幅值三角波及任意波形参考输入作用下,压电微动平台的输出可很好地跟踪输入。     

A miniature piezoelectric ultrasonic motor based on circularbending vibration mode

A rod-type miniature piezoelectric ultrasonic motor based on free-free bending vibration mode with improved construction was developed for application of precise positioner. The design methodology, construction, and operation principle of the motor are presented. By using the finite element method, the motor's vibration modes and driving mechanism were modeled. The characteristics of the prototype were investigated experimentally. The experimental results first reveal that both a corrugated tube type of horn and “soft-type” piezoelectric ceramic in the piezoelectric transducer (stator) can widen the band of operational frequency of the motors notably. The developed prototypes, 15 mm in diameter and 25 mm in length, have shown some advantages such as low speed (70 r/min) with large torque (0.055 N·M), very high resolution (0.01°), and good speed stability of over 10 h, etc. The miniature motor has been successfully applied to laser resonant cavity as a precise driving element     

基于粘滑驱动跨尺度精密定位技术的研究现状

目前跨尺度纳米定位技术在纳米操作、大规模集成电路制造和生物技术等众多领域都有着广泛的应用前景.该文对目前应用较多的宏微混合式驱动、压电超声马达驱动、尺蠖式驱动和粘滑式驱动这4种跨尺度定位技术驱动原理进行了介绍,并对其分辨率、速度、推力、尺寸、驱动器数量和结构6个方面进行了比较和分析,得出粘滑驱动以其驱动范围大,分辨率高,结构简单,体积小和集成度高等突出优点,适用于微纳操作领域.对目前国内外粘滑驱动在驱动原理、关键技术和样机实验方面的研究进行了分析,总结出目前粘滑驱动研究中的研究基础和不足,并提出了有待解决的问题和关键技术.     

Electrostatic linear actuator with a long stroke rolling spring guide

In contrast with diverse design concepts of actuators, we have developed an electrostatic linear actuator integrated with a long stroke rolling spring guide. The rolling spring guide realizes guiding function through rolling movements of two parallel preloaded belt-shaped springs. The electrostatic actuating force is generated by applying electrical fields to the structure of spring guide. Besides the driving voltage, the geometric size and the preloaded span of the spring guide are the main influential parameters of electrostatic actuating force and actuating displacement. With adequate adjustment of the preloaded span, this electrostatic actuator can generate not only a large actuating displacement in /spl mu/m range, but also a fine positioning displacement in /spl mu/m range. The finite element analysis (FEA) and the geometric analysis are applied to analyze spring stress and to derive the shape equation of the spring guide. Furthermore, a theoretical model for our electrostatic actuating principle is deduced on the basis of the shape equation. In addition to the theoretical analyses, the performance of the electrostatic actuator is experimentally tested and studied.     

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。     

宏微压电驱动器的电源设计与试验

针对超声电机与压电微驱动器对驱动电源的要求,设计出一种既能驱动超声电机又能驱动压电微驱动器的驱动电源,该驱动电源由可调变压器、半桥模块及以高性能数字信号处理(DSP)芯片TMS320F28335为核心的控制器组成。该电源驱动超声电机时,电源输出相位差、频率均较大范围连续可调的二相超声频率交流电;驱动压电驱动器时,电源输出较大范围连续可调的直流电。对行波型旋转超声电机及钹型压电驱动器的系列驱动试验表明该电源能同时满足超声电机和压电驱动器的驱动要求。     

V形大推力直线型超声电机的运动机理分析

随着超声电机应用的进一步深入,在工业机器人、航空航天等应用领域,需要一种具有较大输出力的直线型超声电机。因此,如何提高直线型超声电机的输出力成为超声电机研究者所关心的课题,国内外很多学者都曾致力于大输出力的直线型超声电机的研究,以进一步扩大其应用领域。目前,国内外的研究多集中于电机内部结构的各种改进方案上。1999年,日本学者Kurosawa提出了一种可用于直线型超声电机的高速、大推力压电振子,该振子利用面外振动模态工作。加上动子,即可构成直线型超声电机,它具有结构简单,输出速度和力较大的特点。该文采用运动矢量分析法,对该种电机的运动机理进行分析,并在此基础上设计制作了样机,该样机的最大速度可达0.9 m/s,最大推力可达20 N。     

Optimized friction drive controller for a multi-DOF ultrasonic nanopositioner

This paper presents a new generation of compliant multi-degrees-of-freedom piezoelectric nanopositioner for positioning, transport, alignment of micro-objects under the field of view of a microscope. It is based on the cooperation of arrayed direct-drive standing-wave ultrasonic actuators (microSWUMs). A number of nonlinearities exist in the actuator due to its macro- and microdynamics. An optimized friction drive multidimensional controller is proposed based on a closed-loop electromagnetic field-based preload controller ensuring optimal preload, and a feedforward pulsewidth modulation (PWM) controller with input shaping for driving force control. These techniques are applied to reduce the effects of low-speed-low-force instabilities due to stick-slip and friction pairs which lead to output oscillations during nanometric stepping motion. The closed-loop positioning system designed with microSWUMs produced 10-nm resolution and 5% displacement repeatability in a low-speed-low-force region; unlimited travel with velocities of 0.3 m.s/sup -1/ and driving forces around 2 mN in a high-speed-high-force region.     

用于计算机磁头驱动的新型直线超声电机

提出并设计了一种用于计算机硬盘磁头驱动的新型矩形压电复合板直线超声电机,并详细地给出了它的结构组成和运动机理分析。该直线超声电机利用了矩形板面内两种弯曲模态的合成,通过对复合振子的合理设计使两弯曲模态频率趋于一致,并通过改变驱动信号的相位差实现电机的往复直线运动。它除了具有直线超声电机的共同特点外,还具有自身的薄、小、轻、驱动力大等突出特点,可直接应用于计算机硬盘磁头驱动等外设装置中,以及其他需要高精度定位和快速响应的直线运动系统中。     

双足压电振子驱动模式的比较研究

为比较驻波直线超声电机双驱动足同时驱动与交替驱动的两种工作模式,该文提出了一种多足驱动的超声电机振子。该振子双侧共有4个驱动足,其中一侧的2个驱动足实施同时驱动模式,另一侧的2个驱动足实施交替驱动模式,便于比较及分析两种模式之间的性能差异。通过有限元仿真确定了压电振子的结构尺寸、弯曲工作模态及固有频率,制作振子并开展了振子的振动特性和输出性能及其比较的实验研究。实验结果表明,在激励电压峰峰值100 V、谐振频率26.30 kHz的条件下,交替驱动时空载速度和最大输出力比同时驱动提高了14%和40%。在交替驱动模式下,避免了因多个驱动足互相干扰动子而导致压电振子输出功率降低的问题,输出速度和输出力得以提高,与同时驱动模式相比,交替驱动模式有利于改善输出性能。     

A systematic procedure for the design of piezoelectric inchworm precision positioners

Design equations are developed and integrated into a computerized design tool in order to facilitate the creation of inchworm piezoelectric based positioners. Fundamental to the development of the design tool is the piezoelectric actuator and motor frame stiffness interaction and its influence on positioner performance. A generalized motor frame configuration for each of the motor subsystems is presented and used to generate key initial positioner frame geometry. An inchworm precision positioner is implemented based on the generalized motor frame and the computerized design tool and it is shown experimentally and through finite-element analysis that the design approach is effective for precision positioner design. The prototype of the inchworm positioner developed is shown to have a stiffness in the direction of motion of 88 N//spl mu/m, a maximum thrust of 150 N and a traversing speed of up to 20 mm/s.