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压电陶瓷自感知执行器及其驱动微动工作台控制方法的研究

崔玉国  
【摘要】:压电陶瓷执行器微定位技术具有许多其它微定位技术无可比拟的优点,从而获得了广泛的应用。本文将压电陶瓷执行器用于驱动工作台,为提高压电微动工作台的动静态性能,进行了如下的相关研究。 在系统分析电致伸缩效应、逆压电效应和铁电效应位移机理及对位移贡献的基础上,基于电畴转向与转向不完全立即可逆的观点,深入分析了压电陶瓷执行器迟滞非线性的成因,表明非180°电畴转向与转向的不完全立即可逆,分别是造成压电陶瓷执行器非线性和迟滞的根本原因。通过实验研究了压电陶瓷执行器在不同情况下的迟滞非线性。实验结果表明:随着驱动电压幅值的增大,压电陶瓷执行器的迟滞和非线性增大;随着驱动电压频率的增大,压电陶瓷执行器的迟滞和非线性仅略微增大; 随着驱动循环次数的增加,压电陶瓷执行器的迟滞和非线性逐渐减小。 基于压电陶瓷执行器位移-电压曲线各升程之间、各回程之间的相似性,采用坐标变换的方法,建立了一种新的简单实用的压电陶瓷执行器的迟滞非线性模型。在模型的实现过程中,为了避免求解病态方程组,采用基函数为正交多项式的最小二乘法来拟合压电陶瓷执行器的迟滞非线性模型。实验结果表明:在不同的电压驱动过程、不同的驱动电压频率以及不同的驱动循环次数下,模型均能够很好地跟踪实测值。 从基本压电方程出发,推导出压电陶瓷执行器中晶片上的自由电荷中包含执行器的位移信息,进而提出一种新的基于积分器电路的压电陶瓷执行器位移自感知的方法。该方法使得电路的调节和感知信号的获取变得容易,很好地克服了基于电桥电路的自感知方法的不足。实验结果表明,在不同的驱动电压波形、不同的驱动电压频率下,基于积分器的自感知压电陶瓷执行器均能够很好地检测出执行器的位移信号。 在准静态或低频情况下,对压电微动工作台进行了动力学分析,得出它为电学上的一阶惯性环节和机械上的二阶振荡环节的串联。进而给出了提高压电微动工作台响应速度的途径,即:一方面,应在不引起压电陶瓷执行器击穿的情况下,尽量减小电源内电阻的阻值;另一方面,应在保证刚度的情况下减小工作台运动部分的质量, 以及在保证最大期望输出位移的情况下增大柔性铰链的刚度。分析了预紧力对压电微动工作台刚度、固有频率以及输出位移的影响。为使压电微动工作台具有良好的动静态性能,应根据实验来确定合理的预紧力。推导出压电微动工作台的迟滞非线性模型同压电陶瓷执行器空载时的迟滞非线性模型具有相同的形式,但其输出位移相对于压电陶瓷执行器空载时的输出位移按一定的比例缩 人连理工人学博_!:学位论文 中文摘要 小。基于钢球冲击法测试了压电微动工作台X向和Y向的固有频率,测试结果表 明:压电微动工作台双向的固有频率均高于IkHz。 为有效地减小积分饱和并降低对扰动的敏感性,使压电微动工作台在控制系 统的作用下,响应快,超调小,稳态精度高,构造了一种带有迟滞非线性模型前 馈补偿的弱积分与加权微分PID控制算法。给出了PID控制器的整定方法及采样 周期的确定原则。由于自感知方式具有许多独立传感器测量方式所无可比拟的优 点,所以在采用压电陶瓷执行器对工作台进行驱动时,控制系统中反馈方式采用 基于积分器的自感知反馈方式。实验结果表明:具有前馈补偿的弱积分与加权微 分PID自感知反馈控制,具有良好的控制性能。


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