基于纳米定位的压电陶瓷执行器控制方法的研究进展

　　在纳米定位技术中,应用最为广泛的定位元件是压电陶瓷执行器。在实现纳米定位的应用中,压电陶瓷执行器具有位移精度与位移分辨率高、机电耦合效率高、响应快、功耗小、无噪声等优点,因而被广泛应用于微机械、微电子、计算机应用、精密机械、精密加工、精密光学、生物医学、机器人、航空航天等领域[1,2]。但是,压电陶瓷执行器同时也存在着明显的不足——在较高电场的作用下将产生严重的非线性、迟滞和蠕变[3～6],从而大大降低了它的定位精度。改善或消除压电陶瓷执行器非线性、迟滞和蠕变的方法较多,在控制方式上,可采用开环控制或闭环控制;在驱动方式上,可采用电压驱动或电荷驱动;而在控制算法上,除了传统的PID控制外,还出现了许多新的算法。

　　1　电压驱动开环控制法

　　电压驱动开环控制主要是通过软件技术控制压电陶瓷执行器的驱动电压,从而实现压电陶瓷执行器的位移控制。由于开环控制是基于模型的控制,所以在进行开环控制时必须知道被控对象——压电陶瓷执行器的数学模型。

　　1.1　基于平均曲线模型的控制

　　利用该模型进行微定位控制的过程如下:通过实验拟合出压电陶瓷执行器的实际平均曲线,并作为其数学模型,然后依据此模型设计控制器,从而对压电陶瓷执行器进行位移控制。在对实际平均曲线进行拟合时,可采用代数多项式,如在文献[7]中,采用代数多项式对压电陶瓷执行器进行控制,取得了较为满意的结果;还可采用三角多项式,如Lapshin等[8]在原子力显微镜(AMF)上应用以三角多项式拟合的平均曲线后,使由压电陶瓷执行器非线性和迟滞所引起的扫描图像的变形明显减小。另外,升程曲线和回程曲线也可采用不同的拟合形式,如升程曲线采用幂函数拟合,而回程曲线采用二次多项式拟合[9]。

　　还有,为了更好地使控制结果接近于实际情况,往往将压电陶瓷执行器的位移量按大小进行分段,对每一段采用与上面相同的方法,分别拟合出升程和回程的实际平均曲线。对于处于不同范围内的位移信号,根据不同的计算公式进行计算,从而可得到更为精确的计算结果。采用这种处理方法,可将压电陶瓷执行器的线性度再提高一倍以上[9]。

　　1.2　基于参量模型的控制

　　利用该模型进行微定位控制的过程如下:通过实验确定压电陶瓷执行器的参量模型,然后依据此模型设计控制器,通过控制器对压电陶瓷执行器的位移进行补偿控制[10,11]。以文献[10]为例,确定压电陶瓷执行器参量模型的过程如下(见图1):①由于压电陶瓷的回零重复性较高,所以首先从零电压开始升压,直至饱和电压,然后拟合出饱和升压曲线;②由于压电陶瓷在饱和电压处的重复性也较高,所以首先从饱和电压开始降压,直至零电压,然后拟合出饱和降压曲线;③根据饱和升压曲线与饱和降压曲线,确定压电陶瓷执行器在任意位置的补偿量Δμ。利用该方法可使压电陶瓷执行器的定位精度提高10～15倍。