光栅回转式压电微角度执行器的研究

　　0　引　言

　　随着科学技术的发展,在电子、光学、生物、制造等众多技术领域中,迫切需要高精度、高分辨率、能够灵活控制的驱动与检测系统,用以直接进行有关工作或配合其他设备完成高精度的研究和应用。在纳米技术的许多领域,如,微小机械零件装配、MEMS组装、细胞操作、精密光学工程、精密加工、精密测量、大规模集成电路制造等领域,迫切需要大行程高分辨率的角位移驱动定位系统,以实现高精度的定位。但在国内外已有的研究成果中,虽然达到了高分辨率与高精度,但缺少可连续匀速运动的大行程微角度执行器[1]。

　　本文介绍的回转式压电微角度执行器,运用尺蠖运动原理[2],可实现全圆周行程、连续匀速的运动,在压电电动机上安装圆光栅,不仅能实现全圆周范围检测,而且,把角位移检测引入到控制系统中,可实现闭环控制,提高控制与定位精度。

　　1　回转式压电电动机的工作原理

　　回转式微角度驱动装置利用了尺蠖运动原理,实现联动盘和轴的连续匀速转动。如图1所示,这是回转式微角度压电电动机的工作原理简图, C1, C2为2个夹紧器,A1,A2为2个促动器, (a)为放松状态, C1, C2均放松, (b)为C2夹紧C1放松, (c)为C2继续夹紧,同时,A1,A2伸张,由此带动联动盘转过一个角度, (d)为C1夹紧, (e)为A1,A2收缩,通过C1带动联动盘转动。如此(b), (c), (d), (e)状态反复交替,使固定在联动盘上的轴实现顺时针运动,将C1,C2顺序颠倒,轴将逆时针转动,由于A1,A2位移速度相等,因此,能保证轴的连续匀速旋转。在A2伸张和A1收缩交替时重叠了一段,此时, C1, C2同时夹紧,以防C1, C2松紧交替时,轴会发生瞬时失速。

　　本文介绍的压电电动机是利用压电陶瓷的逆压电效应特性来实现夹紧器与促动器的工作的,即在加规则波形的信号的情况下,压电陶瓷产生规则的形变,由此促使夹紧器夹紧和放松、促动器伸张和收缩,压电陶瓷的膨胀与收缩是由驱动控制系统来控制的。

　　2　驱动控制系统

　　2.1　控制波形

　　控制波形是如图2所示的四路波形,图示上方是供给夹紧器C1,C2压电晶体块的电压波形,而图示下方是供给驱动器A1,A2压电晶体块的电压波形。在过渡区Tr时,由于C1和C2同时夹紧,因此,A1推与A2拉形成合力,同时驱动微动台运动[3]。由于A1,A2运动上的搭接和供给驱动器的是三角波形,故其运动状态是连续的匀速转动,从而保证了运动的平稳性。如果将C1与C2,A1与A2驱动波形同时互换时,微动台将向相反方向转动。

　　2.2　控制系统

　　压电电动机控制系统的功能是产生如图2所示的四路控制波形,控制系统的核心为C8051F005单片机,它有与8051兼容的微控制器内核,并有一个具有32 k字节FLASH存储器,有一个12位多通道A/D转换器, 2个12位D/A转换器,4个通用的16位定时器和4字节宽的通用数字I/O端口,还有2304字节的RAM,执行速度可达25 MIPS。C8051F005直接控制行列式键盘和液晶屏,进行对控制电压的频率、幅值和压电电动机的运动方向与运动方式(单步/连续)的设定以及运动过程中参数的显示。C8051F005内置的2个D/A转换器可以产生如图2所示的两路三角波, P1口直接输出两路方波,两路三角波和两路方波的电压还需放大到0~200V才能驱动压电陶瓷。采用直流放大式驱动电源,放大电路主要是由OP07和PA85组成的负反馈直流放大电路,OP07的输入失调电压很小,作为前置放大器,PA85是A-PEX公司生产的高电压、大功率宽带MOSFET运算放大器有1 000V/μs的转换速率。其中,OP07为开环, PA85的闭环增益为31,共同提供60倍的放大倍数。