基于变比模型的压电驱动微位移工作台控制方法研究

【摘要】： 压电驱动微位移技术目前应用十分广泛，压电驱动器的非线性特性是影 响其重复定位精度、动态响应性能的主要因素。作者在国内外已经取得的科 研成果基础上，对压电驱动器的非线性特性的若干理论和实际问题进行了深 入地研究，在以下几个方面取得了有价值的进展： 1.在大量实验的基础上，根据压电驱动器非线性的特性，本文建立了一 种反应这种非线性特性内、外环关系的新的数学模型—变比模型。通过所建 立的变换矩阵，将压电驱动器内环的运动轨迹同外环曲线有机地结合在一 起。此模型对压电驱动器内环非线性曲线的最大相对拟会误差为2％。另外， 对变比模型的一些性质进行了详细地分析、阐述、论证。 2.根据压电驱动器的物理特性和所建立的变比模型，同时采用前馈控制 原理，本文构造了一种新的带有模型前馈补偿的变速积分PID算法，并利用 此算法对压电驱动器进行了控制。在这种算法的控制下，使压电驱动器对任 意信号的跟踪误差不超过1.3％。 3.对压电驱动微位移工作台进行了动力学特性分析，确立了应该满足的 边界条件，为此类工作台提供了设计准则。在此基础上论证了变比模型对压 电驱动微位移工作台的适用性，构造了相应的控制算法。在这种算法的指导 下实施控制，使压电驱动微位移工作台对任意信号的相对跟踪误差可减小到 0.9％。 4.分析了压电驱动微位移工作台实现纳米级分辨力的影响因素，并在有 效消除了各种因素的影响以后，使微位移工作台在35×46微米工作行程内 实现了10纳米的闭环分辨力和5纳米的开环分辨力。