基于压电陶瓷驱动器(PZT)驱动的二维微动工作台系统及控制方法的研究

　　随着纳米技术的兴起和飞速发展,基于压电陶瓷驱动的纳米级微定位技术已成为能束加工、超精密加工、微操作系统等诸多前沿技术的基础支持技术。以柔性铰链为传动机构的微动工作台具有结构紧凑、重量轻、传动无间隙、无机械摩擦、位移分辨率高等特点。压电陶瓷驱动器(PiezoMaterialLead Zir2conateTitanate, PZT)具有体积小、分辨率高、承载能力强等优点。本文采用基于PZT驱动的双柔性平行四连杆结构的微动工作台,利用电容位移传感器进行位移检测,采用前馈与模糊控制相结合的复合控制对微动台进行双向控制。

　　1　微动台的设计和分析

　　1·1　柔性铰链的力学模型

　　这里采用的是双圆弧柔性铰链,结构如图1所示,其绕z轴转动刚度为[1]:

　　压电陶瓷驱动器产生推力,驱动微动台运动,驱动力对柔性铰链产生一个绕z轴的力矩Mz,使得铰链绕z轴偏转αz角[2]:

　　驱动力Mz在y向产生位移Δy[2]:

其中: E为材料的弹性模量, R、t、h、b分别为铰链的圆弧半径、厚度、高度及宽度。

　　1·2　微动台的结构分析

　　微动台采用双柔性平行四连杆结构,结构简图如图2所示,微动台采用平面一体式结构,由一块不锈钢板经由线切割机切割而成,运用ANSYS对工作台进行有限元分析,得到其一阶固有频率为737Hz,在100N的驱动力下的位移为47μm,最大应力为37·2MPa,应力云图如图3所示。微动台X向和Y向的固有频率的实测值为1725Hz和1296Hz。

　　有限元分析结果与实验测得值相差这么大,主要有3方面原因: (1)线切割过程中的高温对微动台表面形成了淬火[3],增加了微动台的刚度,提高了微动台的固有频率。(2)加工过程中,工作台内部产生了残余应力[3],增加了工作台的刚度,提高了固有频率。(3)线切割过程中在微动台加工表面形成凹坑和凸缘,与有限元分析的表面抛光的初始条件不同,这也是有限元分析与实验结果不一致的一个重要影响因素。

　　2　前馈+模糊控制的复合控制

　　2·1　前馈模型的建立

　　图4为实测的压电陶瓷执行器位移(D)-电压(U)曲线,可见,各升程曲线之间、各回程曲线之间存在着明显的相似性。这样,便为第一升回程曲线来近似以后各升回程曲线提供了根据。

　　微动台在控制过程中可能会经历多个升程和多个回程,在控制过程中利用压电陶瓷驱动器迟滞曲线的相似性,通过对第一升回程曲线进行坐标平移和比例缩放,得到某一升回程的迟滞曲线,作为微动台的参考输入,提高系统的稳定性。

　　第一升回程曲线

式(1)为已知,可通过实验数据拟合得到,下面根据第一升回程曲线通过坐标变换和变比例缩放来求任意一条不同零点的迟滞曲线: