压电陶瓷微位移驱动控制技术研究

论文摘要

随着高新技术在各前沿科学技术领域中应用的不断深入,以及微定位技术的不断发展,压电陶瓷致动器越来越多地被用作驱动纳米位移台。压电陶瓷纳米位移台不仅可以用作传感器静态校准,也越来越多的用来对传感器的动态特性进行校准,驱动压电陶瓷的关键设备是压电陶瓷驱动电源。本文分析研究了国内外主要压电陶瓷驱动电源原理及技术方法,了解各个方法原理上对于压电陶瓷驱动电源指标影响的优缺点,设计了压电陶瓷驱动控制系统。课题的主要研究工作如下:1.压电陶瓷驱动电源设计;由于压电陶瓷对驱动电源来说呈现容性负载特性,对电压放大电源的稳定性和动态响应特性产生非常不利的影响。为了满足驱动电源动静态性能的要求,设计基于误差放大原理的压电陶瓷驱动放大电路,该电路包括误差放大级,跟随器偏置电路,功率放大级电路,反馈网络组成。为了增加驱动电路输出稳定性,采用5路稳压源串联的方法设计了±150V稳压电路,保证了驱动电电源的供电稳定;针对压电陶瓷容性负载对放大电路性能产生的影响,采用RISO及CL补偿技术和反馈零点补偿方法,保证了驱动电路对于容性负载的稳定性,同时采用双路跟随器输出增强驱动电源的电流输出能力,增强驱动电源的动态响应速度。2.压电陶瓷控制单元设计;为了硬件上对压电陶瓷位移量实现闭环控制以及充分利用计算机的接口使系统操作上更为简便,选用DSP6000系列CPU作为主控芯片,通过PCI接口完成计算机与控制卡通信。针对压电陶瓷驱动控制系统的要求,设计了24bit数据采集电路和基于SPI总线的数模转换电路。完成了控制单元硬件设计。3.为了验证本系统所实现的各种功能,设计了一系列实验用于验证各个模块的指标。模拟驱动模块具有1.4mV/2h的稳定性,0.5mV的重复性,带3.3μF负载时具有100Hz的动态特性。驱动控制卡D/A模块具有20μV的分辨力和稳定性,A/D模块具有1.3mV的稳定性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 压电陶瓷的驱动控制方法
• 1.4 课题主要研究内容
• 第2章 压电陶瓷位移驱动系统设计总体方案
• 2.1 引言
• 2.2 压电陶瓷微定位驱动控制系统构成
• 2.3 压电陶瓷模拟放大模块设计
• 2.3.1 精密直流稳压源的原理设计
• 2.3.2 压电陶瓷驱动放大电路原理设计
• 2.4 压电陶瓷控制模块设计
• 2.4.1 压电陶瓷驱动控制模块原理设计
• 2.4.2 压电陶瓷驱动控制通信接口设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 压电陶瓷驱动电源
• 3.1 引言
• 3.2 精密直流稳压电源电路设计
• 3.3 误差放大式压电陶瓷稳压电源研制
• 3.3.1 误差放大级电路
• 3.3.2 源极跟随器偏置电路
• 3.3.3 功率放大级电路
• 3.3.4 若干器件的选择
• 3.4 放大电路容性负载稳定性设计
• 3.4.1 放大电路RISO 及CL 补偿
• 3.4.2 放大电路反馈零点补偿
• 3.5 本章小结
• 第4章 微定位系统驱动控制单元设计
• 4.1 引言
• 4.2 控制卡硬件电路设计
• 4.2.1 供电与电源管理
• 4.2.2 A/D 模数转换器硬件接口设计
• 4.2.3 D/A 数模转换硬件电路设计
• 4.2.4 CPLD 时序控制模块
• 4.3 控制卡软件设计
• 4.4 基于PCI 总线的DSP 与计算机通信接口
• 4.4.1 PCI 接口的结构
• 4.4.2 PCI 控制寄存器
• 4.4.3 PCI 地址映射机制
• 4.4.4 PCI 的中断
• 4.4.5 PCI 的硬件接口设计
• 4.4.6 PCI 通信程序设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 系统性能实验及数据分析
• 5.1 引言
• 5.2 模拟放大模块性能实验
• 5.2.1 稳定性实验
• 5.2.2 重复性实验
• 5.2.3 动态特性实验
• 5.2.4 阶跃响应实验
• 5.3 控制卡性能实验
• 5.3.1 D/A 稳定性实验
• 5.3.2 D/A 分辨力实验
• 5.3.3 D/A 重复性实验
• 5.3.4 A/D 基准电压实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢