压电微角度驱动器及其闭环控制检测系统

　　0　引言

　　微位移驱动定位系统是指系统产生的运动位移在几微米到几百微米范围内，其分辨率、定位精度和重复定位精度在纳米级[1-2]。微位移定位系统在纳米加工、生物工程、激光通讯、精密机械加工等高新技术领域发挥着越来越重要的作用[3]。

　　压电微角位移驱动定位系统主要是利用压电陶瓷的逆压电效应来输出驱动旋转位移。本文研究的压电驱动器主要包括压电微角位移执行器、压电微角位移驱动控制与检测系统3部分。机械执行机构方面采用高碳铬轴承钢 GCr15作为执行器加工材料，满足了系统高硬度、高耐磨性等要求。控制系统采用 TI公司生产的 TMS320LF2407型 DSP作为整个系统的控制核心，检测系统通过集成在驱动器上的圆光栅，不仅能实现全圆周范围检测，同时把角位移检测量引入到 DSP中，实现 PID 闭环控制，从而提高了控制定位精度。

　　1　压电微角度驱动器机械结构

　　压电陶瓷具有线性度好，定位精度高，位移分辨率高，不发热，无噪声等优点。利用压电陶瓷作为核心驱动部件的驱动器具有低速大转矩，动态响应快，无电磁干扰，定位精度高，结构简单，设计灵活简单等优点，故压电陶瓷是微小型驱动器中的主流材料[4]。压电微角度驱动器结合了柔性铰链机构。柔性铰链是利用结构薄弱部分的弹性微小角度变形来完成类似铰链的运动传递，具有传动无间隙，无机械摩擦，运动灵敏度高和响应快等优点[5]。

　　驱动器的机械结构主要由夹紧器、促动器、联动盘及主轴组成，机盖和机座用于封装和稳固整个系统。图1为压电微角度驱动器的机械图。

　　由图1可见，夹紧器安装压电陶瓷，利用压电陶瓷的逆压电效应输出位移，加紧联动盘;同时，促动器相应的压电陶瓷在同步电压信号下发生膨胀，驱动促动器旋转微小角度，最终将微小角度传递到主轴。

　　机械材料的选择是影响加工精度及工作稳定性的重要因素。高碳铬轴承钢 GCr15是一种广泛应用的轴承钢，具有较高淬透性，热处理后可获得高而均匀的硬度，接触疲劳强度高，有良好的尺寸稳定性和抗蚀性。以夹紧器设计要求为例，夹紧器的使用方式决定了其必须兼顾弹性段的疲劳和锁紧部的耐磨性要求，因此选用GCr15作为机械结构的主要材料。

　　2　控制系统及检测系统设计

　　2.1　控制及检测系统整体设计

　　驱动器的整个系统控制及检测部分是由控制信号产生、控制信号调整放大、压电驱动器的执行机构和运动角位移检测4部分组成。整个控制检测系统的结构框如图2所示。