压电驱动器非线性校正技术研究

论文摘要

随着各行各业对高精度定位的需求的增加，压电精密定位技术得到了越来越广泛的应用，随之也出现了许许多多要解决的问题。其中，压电驱动定位系统的非线性特性对定位精度的影响最为显著，直接影响着系统的性能。论文针对在低频领域使用压电驱动器进行跟踪定位和控制进行了详细的分析和研究，设计出了一种应变反馈式压电驱动器，并提出了新的控制算法对其进行控制，最后在一个光学偏转镜上进行了验证，实验效果较好。论文的主要研究内容有：首先，全面细致地调研了现有的压电陶瓷驱动器的迟滞和蠕变等非线性特性，并进行了定性和定量的实验测定，找出了其规律和特征。这些特性也是本论文研究的前提和出发点，既是研究对象也是研究基础。其次，提出并研制了一种驱动与传感一体化的微型精密应变反馈式压电驱动器。该结构克服了压电陶瓷应变量小无法测定的缺陷，采用电容传感器对应变信号调理电路进行了标定，通过最终的实验结果能够得出其定位性能在准静态范围内是有效的，这同时证明了该结构设计是成功的。再次，研究了前人提出的经典的PI模型，并采用经典的PI模型对我们使用的压电陶瓷驱动器进行建模，从实验结果发现经典的PI模型存在较大的系统误差，并不适合于我室所使用的驱动器。为此，对该经典的PI模型进行了改进，提出了一种新的改进的PI模型，它可以弥补经典PI模型的不足，通过实验证实了该模型的精确性。然后，研究了基于该改进的PI模型的多种控制算法，对各种算法的跟踪定位效果进行了对比，最终得出基于改进的PI逆模型的前馈控制加模糊PID反馈控制的复合控制算法的效果最好，可以有效的抑制迟滞非线性作用。而对于蠕变非线性，通过实验证实了只要存在反馈通道形成小闭环，蠕变效应就可以消除，可以在较长的时间内精确定位而不产生漂移。最后，设计了一个光学偏转镜并对其偏转角进行了跟踪和定位控制研究。在设计了光学偏转镜结构的基础上，测试了光学偏转镜在没有内部小闭环条件下的跟踪定位性能，证实了迟滞、蠕变效应的存在。然后，使用了内部小闭环对光学偏转镜进行转角控制，内部小闭环中采用了前文提出的基于改进的PI逆模型的前馈控制加模糊PID反馈控制的复合控制算法，通过实验证实了该算法对迟滞、蠕变等非线性的校正作用。该部分工作内容，既验证了迟滞理论模型的正确性，又验证了控制方法的可行性。本论文的研究工作成功地利用压电驱动器实现了精确定位，消除了迟滞蠕变等非线性效应的影响。用理论和实验证明了，在低频实时定位领域，提出的控制模型和算法能够有效的消除驱动器的非线性效应，为其精确定位应用扫清了障碍。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 压电驱动特性基础
• 1.2.1 压电效应与逆压电效应
• 1.2.2 压电系统迟滞非线性形成机理
• 1.2.3 压电驱动的特点
• 1.3 压电陶瓷驱动器的主要应用
• 1.3.1 扫描探针显微镜
• 1.3.2 光纤对接
• 1.3.3 自适应光学/能动光学
• 1.3.4 医疗机器人
• 1.3.5 生物工程
• 1.3.6 超声电机
• 1.3.7 精密驱动工作台
• 1.3.8 电子束液态曝光技术
• 1.4 压电陶瓷驱动器控制技术的国内外研究现状
• 1.4.1 压电陶瓷驱动器的控制模型
• 1.4.1.1 Preisach 模型
• 1.4.1.2 Krasnoselskill-Pokrovskii 模型
• 1.4.1.3 Maxwell 滑动模型
• 1.4.1.4 Bouc-Wen 模型
• 1.4.1.5 Duhem 模型
• 1.4.1.6 Prandtl-Ishlinskii 模型
• 1.4.1.7 多项式模型
• 1.4.1.8 类 Backlash 模型
• 1.4.1.9 简化的 Dahl 模型
• 1.4.1.10 指数形式的数学模型
• 1.4.1.11 椭圆模型
• 1.4.2 压电陶瓷驱动器的控制方法
• 1.4.2.1 电荷控制
• 1.4.2.2 相位控制
• 1.4.2.3 各种基于电压控制的开环位移控制方案
• 1.4.2.4 各种基于电压控制的闭环位移控制方案
• 1.5 论文研究目的及组织结构
• 1.5.1 论文的研究目的与意义
• 1.5.2 论文的组织结构
• 第二章 压电陶瓷驱动器的基本物理特性研究
• 2.1 压电陶瓷致动器及其输出特性
• 2.2 测试的目的及其实验装置介绍
• 2.3 压电陶瓷驱动器的基本物理特性分析及测定
• 2.3.1 迟滞特性
• 2.3.2 蠕变特性
• 2.3.3 温度特性
• 2.3.4 负载特性
• 2.4 本章小结
• 第三章 应变反馈式压电驱动器结构设计与研制
• 3.1 应变反馈式压电驱动器的设计要求
• 3.2 应变反馈式驱动器的机械结构设计与分析
• 3.2.1 结构设计分析
• 3.2.2 结构尺寸优化设计
• 3.2.3 有限元分析
• 3.2.4 放大倍数分析及实验测试
• 3.3 应变电桥在驱动器上的实现
• 3.3.1 应变片选型
• 3.3.2 应变片粘贴位置分布及电桥分析
• 3.3.3 应变片粘贴步骤及注意事项
• 3.4 本章小结
• 第四章 应变反馈式压电驱动器的实验研究
• 4.1 测试目的及实验系统构成
• 4.2 测试装置介绍
• 4.2.1 位移传感器
• 4.2.2 高压放大器及其特性测试
• 4.2.3 数据采集卡的选择
• 4.2.4 系统软件编制
• 4.3 应变反馈式驱动器的测试结果
• 4.3.1 驱动器在准静态条件下的定位性能
• 4.3.2 驱动器在准静态条件下对单频信号的跟踪性能
• 4.3.3 驱动器在准静态条件下对变频变幅信号的跟踪性能
• 4.4 本章小结
• 第五章 压电陶瓷驱动器迟滞非线性建模方法研究
• 5.1 传统 PI 模型介绍
• 5.2 改进的 PI 模型
• 5.3 压电驱动器迟滞模型的验证实验
• 5.3.1 实验装置
• 5.3.2 两种迟滞正模型的建模对比实验
• 5.3.3 两种迟滞逆模型的开环对比实验
• 5.4 本章小结
• 第六章 压电陶瓷驱动器非线性校正控制方法研究
• 6.1 引言
• 6.2 压电驱动器迟滞校正控制策略
• 6.2.1 经典 PID 控制算法
• 6.2.1.1 经典 PID 算法原理
• 6.2.1.2 经典 PID 控制算法流程
• 6.2.2 模糊控制算法
• 6.2.2.1 模糊控制概念
• 6.2.2.2 模糊控制系统原理
• 6.2.2.3 自整定模糊 PID 控制器设计
• 6.2.3 逆模型复合控制算法
• 6.2.3.1 逆模型开环控制算法
• 6.2.3.2 逆模型 PID 闭环控制算法
• 6.2.3.3 逆模型模糊 PID 闭环控制算法
• 6.2.4 实验验证
• 6.2.4.1 同频曲线的动态跟踪实验
• 6.2.4.2 变频变幅曲线的动态跟踪实验
• 6.2.4.3 不同频段内算法效果对比实验
• 6.3 压电驱动器蠕变校正闭环控制策略
• 6.4 本章小结
• 第七章 反馈式压电驱动器在光学偏转镜中的应用研究
• 7.1 引言
• 7.2 光学偏转镜设计
• 7.2.1 光学偏转镜结构设计
• 7.2.2 光学偏转镜测试结果
• 7.3 基于光学偏转镜的转角控制实验
• 7.3.1 实验系统搭建
• 7.3.2 实验原理与实验步骤
• 7.3.3 实验结果分析
• 7.3.3.1 迟滞矫正实验结果分析
• 7.3.3.2 蠕变实验结果分析
• 7.4 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 文章研究的主要内容和结论
• 8.2 论文的主要创新点
• 8.3 未来工作的展望
• 参考文献
• 作者简历及在学期间发表的学术论文与研究成果