压电陶瓷驱动器迟滞补偿方法研究

论文摘要

压电陶瓷驱动器被广泛应用于超精密定位系统中。这种驱动器在拥有高刚度、高频响和高分辨率等优点的同时,也存在迟滞、蠕变等缺点。压电陶瓷驱动器的迟滞特性使驱动电压与输出位移之间呈现多值对应关系,严重影响位移输出精度。因此,对迟滞特性的建模和补偿是获得压电驱动器高精度输出的关键。本文分析了压电陶瓷的迟滞机理、迟滞特性;分析、比较了多种迟滞非线性补偿方法。经典Preisach模型表现出非局部记忆性,能很好地描述压电陶瓷驱动器的迟滞非线性特性。本文利用压电陶瓷驱动器的迟滞Preisach模型,对其迟滞特性进行补偿,并通过对该模型离散化,推导出逆迟滞Preisach模型离散数字算法,采用搜索迭代的方法对压电陶瓷驱动器非线性特性进行实时修正。本文构建了以P830.20型压电陶瓷为驱动器、以柔性铰链为微位移传递机构、以电容传感器为测量反馈单元的微位移平台,在此平台上对迟滞补偿方法进行了实验验证。结果表明,开环情况下,基于Preisach模型的线性化方法改善了压电陶瓷的迟滞特性,位移迟滞环宽度由3.2μm缩小到0.6μm以下。在此基础上,引入PID控制器组成反馈控制与前馈补偿相结合的闭环控制系统,进一步改善了压电陶瓷驱动器驱动电压与输出位移间的线性关系,提高了定位精度,在20μm行程内定位误差小于106nm。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 压电陶瓷驱动器的迟滞特性简介
• 1.2.1 迟滞机理简介
• 1.2.2 压电陶瓷驱动器迟滞特性
• 1.3 压电陶瓷驱动器迟滞补偿方法研究现状
• 1.3.1 基于模型的迟滞补偿方法
• 1.3.2 电荷驱动法
• 1.3.3 其他补偿方法
• 1.4 课题的主要研究内容
• 第2章 压电陶瓷驱动器迟滞补偿方法研究
• 2.1 压电陶瓷迟滞Preisach模型的建立
• 2.2 Preisach迟滞模型离散算法
• 2.3 逆迟滞Preisach模型离散数字算法
• 2.4 Preisach模型前馈+PID反馈控制方法研究
• 2.4.1 PID控制原理
• 2.4.2 基于逆Preisach模型前馈+PID反馈控制
• 2.5 本章小结
• 第3章 闭环控制系统软硬件设计
• 3.1 硬件平台构建
• 3.2 HP5527 双频激光干涉仪稳定性测试
• 3.3 电容传感器的标定
• 3.4 电容传感器稳定性测试
• 3.5 PD-II压电陶瓷驱动电源特性测试
• 3.6 迟滞补偿软件设计
• 3.7 本章小结
• 第4章 实验及结果分析
• 4.1 基于逆Preisach算子的开环控制方法实验研究
• αβ的实验测定'>4.1.1 一阶回转曲线f_αβ的实验测定
• 4.1.2 基于逆Preisach算子的迟滞补偿（线性化）实验
• 4.2 Preisach 模型前馈+PID反馈控制方法实验研究
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢