一种闭环微纳定位扫描系统设计

　　0　引　言

　　压电陶瓷(PZT)驱动器是一种理想的微位移驱动元件,它具有位移精度与分辨率高、响应速度快、功耗小等优点,因而,被广泛应用于微机械、微电子、精密光学、机器人关节、航空航天等领域[1]。但是,由于PZT驱动器同时存在着非线性、迟滞和蠕变等不足[2~3],难以建立起精确的数学模型,所以,采用开环控制的效果不甚理想为了减小由PZT本身的缺陷给微位移系统带来的影响,国内外学者提出了多种方法也做了许多相关的研究,如以电荷驱动代替经典的电压驱动,但电荷控制法需要专用的电荷放大设备,且在较宽的频率范围内不能保证PZT的电荷和微位移具有良好的线性[4]; Hanz Richter[5]等人采用PI控制,使PZT微位移器阶跃响应的上升时间达到3~4ms;郑岩[6]等人采用改进控制PID算法很好地改善PZT的蠕变特性;曲东升[7]等人采用自适应逆控制方法能很好地改善PZT的非线性;

　　本文设计了一种闭环PZT微纳定位扫描系统,该系统的硬件部分以80C196KC为主控制器,用预先设置好的位移量控制PZT的步进,再通过一个附加的微位移传感器来测定位移量并传回控制器与目标位移进行对比校正,此设计很好地改善PZT的蠕变特性和非线性[8];软件部分采用Fuzzy-PID复合控制算法进行非线性处理。

　　1　闭环PZT微纳定位扫描系统的软硬件设计

　　1.1　硬件设计

　　本文设计的闭环PZT微纳定位扫描系统的硬件部分由PZT微位移驱动器,计算机,单片机,驱动电源,微位移传感器,A/D转换器组成,其结构图如图1所示。

　　1. 1. 1　单片机系统

　　本系统选用型号为80C196KC的单片机作为主控制核心。其特点是:有外设事务服务器功能,大大提高响应外设中断的速度,减少CPU处理外设事务的开销,提高A/D转换器的性能,再配以12位的D /A转换器就能满足系统需要的精度。图2为80C196KC与A/D转换器MAC120的具体连接原理图.

　　1. 1. 2　后向通道D /A转换器

　　D /A转换器将数字量转换为模拟量,控制后级驱动电路。D /A转换器的位数决定了系统的分辨率,根据系统要求的精度,D /A芯片选用DA7521,它是12位无数据输入锁存器的D /A转换器,具有精度高、线性好、速度快等优点。DA7521通过接收80C196KC的数字量,使得数字电路和模拟电路隔离开,增强了系统的抗干扰能力。

　　1. 1. 3　驱动电源

　　本系统的电源部分是采用电压控制型的线性高压放大电路。在外加电场作用下,具有逆压电效应的PZT材料将发生变形, PZT微位移器就是利用这一原理,根据不同的位移量将一定数量的PZT陶瓷片黏贴起来构成微位移器。对外加电压而言,每个PZT陶瓷片相当于一个电容器,因此,驱动电源的控制对象PZT微位移器是一个容性负载。在实际应用中,微位移器输出位移应是连续的,这就要求驱动电源的输出控制电压连续可调,对于PZT微位移器,驱动电源输出电压应为直流0~200V连续可调。本文设计的线性高压控制放大电路的原理图如图3所示。