第1章 緒論 

1.1 研究背景及意義
壓電陶瓷是一種可以實現(xiàn)機械能和電能之間轉(zhuǎn)化的特殊的電介質(zhì)，它具有正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。壓電陶瓷微定位技術(shù)是 20 世紀(jì) 80 年代發(fā)展起來的一種新型技術(shù)，利用這種微定位技術(shù)制成的微位移器可以減小器件的結(jié)構(gòu)尺寸，實現(xiàn)器件的微型化[1]。它具有位移控制精度高、分辨力高、響應(yīng)速度快、無機械摩擦、發(fā)熱少、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、易于控制等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于光學(xué)、機械、電子、航空航天以及生物醫(yī)療等相關(guān)領(lǐng)域[2]。 本文所研究的兩維壓電陶瓷偏擺鏡主要應(yīng)用于激光合成設(shè)備中，可以實現(xiàn)不同波長激光之間的合束，原理圖如圖 1.1 所示。圖中的反射鏡和合束鏡都是依靠兩維壓電陶瓷偏擺鏡承載的，A 激光器發(fā)出的激光經(jīng)過反射鏡的反射，與 B 激光器發(fā)出的激光依靠合束鏡完成激光合束，再與 C 激光器發(fā)出的激光進行合束。在實際的工程中，由于激光器發(fā)出的激光有漂移、外部的振動和環(huán)境溫度變化等原因，設(shè)備內(nèi)部可能會存在應(yīng)力，從而導(dǎo)致機械形變，所以需要偏擺鏡對光路進行補償。光路指向監(jiān)視單元可以檢測光路的脫靶量，根據(jù)脫靶量對光束的指向進行解算，然后將控制信號輸入給兩維偏擺鏡的控制器，使偏擺鏡轉(zhuǎn)動對光路進行調(diào)節(jié)。偏擺鏡的執(zhí)行器通常選用音圈電機和壓電陶瓷兩種。而利用音圈電機驅(qū)動的偏擺鏡由于音圈電機的結(jié)構(gòu)尺寸一般較大，所以難以將結(jié)構(gòu)小型化；而且音圈電機容易發(fā)熱，如果不能有效的進行散熱處理，可能會使內(nèi)部的機械結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，影響控制系統(tǒng)的性能和精度；同時，音圈電機進行的是直線運動，要把直線運動轉(zhuǎn)化成偏擺鏡的轉(zhuǎn)動，就要求機械連接部分具有摩擦小、可形變等特點，而通常傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)無法滿足這些要求，所以利用壓電陶瓷驅(qū)動偏擺鏡已成為一種趨勢。 
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1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
壓電陶瓷驅(qū)動技術(shù)是影響位移精確輸出特性的關(guān)鍵技術(shù)，隨著壓電陶瓷微位移技術(shù)的越來越快的發(fā)展，壓電陶瓷驅(qū)動技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注。從原理上來看，壓電陶瓷驅(qū)動器實現(xiàn)的兩種最基本的方式是電壓控制型驅(qū)動方式和電流控制型驅(qū)動方式[12]。電壓控制型驅(qū)動方式可以實現(xiàn)輸入電壓的放大，得到高電壓；而電流控制型驅(qū)動方式則是實現(xiàn)電流的放大，可以輸出高功率和大電流。電壓控制型驅(qū)動器的工作原理是依靠對壓電陶瓷兩端的輸入電壓進行控制來控制驅(qū)動器的位移。它主要分為兩種，基于電流變換器原理的開關(guān)式驅(qū)動電源和直流驅(qū)動放大電源。圖 1.2 為基于電流變換器原理實現(xiàn)的開關(guān)式驅(qū)動電源的原理圖，輸出電壓的變化可以通過控制功率開關(guān)管通斷頻率實現(xiàn)[13]。它具有體積尺寸小、轉(zhuǎn)換效率高，可以很好的降低功率損耗的優(yōu)勢[14]。但同時，它的頻率響應(yīng)的范圍比較窄，穩(wěn)定性能不是很好，對高頻噪聲比較敏感，電源輸出的紋波較大、紋波比難抑制。這些缺點限制了開關(guān)式驅(qū)動電源的應(yīng)用。 直流驅(qū)動放大電源主要有兩種形式，包括電壓跟隨式驅(qū)動器和誤差放大式驅(qū)動器。它的輸出精度有限，但是頻率響應(yīng)的范圍比較寬，是一種發(fā)展前景比較大的控制方式。 如圖 1.3 所示，電壓跟隨器驅(qū)動器的工作原理是將誤差放大端的輸出電壓信號反饋給運算放大器的輸入端，輸出電壓信號與輸入進行對比并進行放大，將得到的放大信號再通過功率放大部分，最后輸出施加到壓電陶瓷的兩端[15]。 
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第2章 壓電陶瓷特性 

2.1 壓電陶瓷概述 
壓電陶瓷是一種可以實現(xiàn)電能與機械能之間的相互轉(zhuǎn)換的包含鐵電性晶粒的新型材料。它具有正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)，應(yīng)用范圍十分廣泛。其內(nèi)部含有鐵電性晶粒，在強直流電場的作用下，極化矢量會沿著電場方向取向，電場消失后，極化強度會有一部分殘留，從而表現(xiàn)出宏觀的壓電特性。壓電陶瓷具有較強的抗壓能力、較快的響應(yīng)速度、結(jié)構(gòu)簡單、以及較高的分辨率等優(yōu)點，廣泛的應(yīng)用在微納米定位領(lǐng)域。 居里兄弟在 1880 年發(fā)現(xiàn)了電氣石的壓電效應(yīng)，接著在 1881 年發(fā)現(xiàn)了逆壓電效應(yīng)，并證明石英晶體的正壓電常數(shù)和逆壓電常數(shù)相等。Voigt 在 1894 年提出，只有像石英晶體這類無對稱中心的點群晶體才可能具有壓電效應(yīng)。郎之萬在第一次世界大戰(zhàn)期間，首次制造出水下超聲壓電探測器，開啟了將壓電材料應(yīng)用與工程的序幕。1946 年，美國麻省理工學(xué)院發(fā)現(xiàn)，在直流高壓電場中的鈦酸鋇鐵電陶瓷會沿著電場的方向自發(fā)極化取向，撤出電場后仍會殘留部分極化，具有壓電效應(yīng)，從而制成壓電陶瓷。美國學(xué)者 Roberts 在 1947 年，對 Ba Tio3陶瓷進行高壓極化處理，使 Ba Tio3陶瓷具有了壓電性。之后，日本利用 Ba Tio3進行各種壓電器件的研究。1955 年，美國發(fā)現(xiàn)了性能更優(yōu)越的壓電陶瓷，進一步推動了壓電器件的研究。到了七十年代，壓電陶瓷迅速而廣泛的實用化，被廣泛地應(yīng)用在濾波器以及振蕩器等領(lǐng)域。 
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2.2 壓電陶瓷特性 

由于壓電晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和極化作用等因素，使得壓電陶瓷具有遲滯特性、蠕變特性、溫度特性等特性，而這些特性對壓電陶瓷位移的影響和機理并不相同，使得壓電陶瓷的精密控制增添了難度，以下主要分析壓電陶瓷的這些特性。當(dāng)對壓電陶瓷先施加上升電壓和下降電壓時，在同一電壓值下，壓電陶瓷的形變量并不相等，表現(xiàn)出升壓曲線與降壓曲線的不重合，如圖 2.2 所示。造成壓電陶瓷遲滯特性的主要原因是因為晶體內(nèi)部存在著 180°電疇和非180°電疇。當(dāng)施加外電場時，180°疇和非 180°疇同時發(fā)生轉(zhuǎn)向，但只有非 180°疇會對體積應(yīng)變造成影響，而 180°疇沒有效果。非 180°疇的轉(zhuǎn)向是不完全可逆的，表現(xiàn)為壓電陶瓷的遲滯特性。一般情況下，在開環(huán)控制時壓電陶瓷升壓和降壓曲線的位移差大約為 10%~15%。 

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第 3 章  壓電偏擺鏡的結(jié)構(gòu) ...... 25 
3.1  壓電偏擺鏡的驅(qū)動結(jié)構(gòu) ......25 
3.2  壓電陶瓷制動器 .......27 
3.3  壓電陶瓷精密偏轉(zhuǎn)機構(gòu) ......28
3.4  反饋信號采集傳感器 ..........29 
3.4.1  電阻應(yīng)變片傳感器原理 .....30 
3.4.2  反饋信號轉(zhuǎn)換電路 .............31 
3.5  本章小結(jié) .........32 
第 4 章  伺服控制驅(qū)動系統(tǒng)硬件電路 .......... 33 
4.1  硬件電路的總體結(jié)構(gòu) ..........33 
4.2  控制模塊電路 ...........33
4.3  驅(qū)動模塊電路 ...........42 
4.4  檢測模塊電路 ...........45 
4.5  控制驅(qū)動系統(tǒng)的性能測試 ............49 
4.6  本章小結(jié) .........54 
第 5 章  壓電偏擺鏡的建模及控制算法設(shè)計 ........ 57 
5.1  引言 .......57 
5.2  基于 PI 遲滯模型的建模及參數(shù)辨識 ....58 

第5章 壓電偏擺鏡的建模及控制算法設(shè)計

5.1 引言 
由于壓電偏擺鏡采用的是四點驅(qū)動結(jié)構(gòu)，四條邊框都是由壓電陶瓷驅(qū)動的，而驅(qū)動兩維偏擺鏡轉(zhuǎn)動的壓電陶瓷具有遲滯效應(yīng)，宏觀上表現(xiàn)出轉(zhuǎn)動角度的滯后性，所以使得常規(guī)方法對壓電陶瓷的精密控制效果并不明顯。偏擺鏡的兩維運動可以分解出沿 x 軸和 y 軸兩個方向上運動的合成，所以本文先研究繞一個軸的偏擺鏡的轉(zhuǎn)動。 當(dāng)對壓電陶瓷施加 0-100V 勻速的三角波電壓時，利用 AD 芯片采集壓電陶瓷偏擺臺的位置信號，得到偏擺臺的輸出角度與驅(qū)動電壓之間的關(guān)系曲線圖，如圖 5.1 所示。從圖中可以看出，隨著驅(qū)動電壓的變化，偏擺臺的轉(zhuǎn)動從-1mrad 到1mrad 的范圍內(nèi)變化，在上升階段和下降階段的同一電壓時，壓電偏擺臺的輸出角度并不相等，具有很明顯的遲滯效應(yīng)。通常對壓電陶瓷的建模方法有 Preisach 模型、PI 模型、KP 模型和 Duhem 模型等，其中最常用的為 Presiach 模型和 PI 模型[39]。Presiach 模型中含有雙重積分，可以更為全面的表達壓電陶瓷的遲滯特性[40]，但也因為雙重積分，需要大量的網(wǎng)格劃分和輸入輸出數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)辨識參數(shù)的確定變得很困難，不利于 Presiach 模型的廣泛應(yīng)用[41]。而本文所采用的 PI 遲滯模型，結(jié)構(gòu)較為簡單，具有線性的表達式，其逆模型也是線性的方便求解，而且參數(shù)辨識也比 Presiach 模型更為容易，有利于編程和實際工程的應(yīng)用。 
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總結(jié) 

本論文主要研究的是壓電陶瓷偏擺鏡的控制單元。通過對國內(nèi)外壓電陶瓷偏擺鏡控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行分析，對壓電陶瓷的特性、偏擺鏡的機械結(jié)構(gòu)以及電氣驅(qū)動原理等進行了研究，采用芯明天公司生產(chǎn)的 XP-T54 壓電偏擺臺，在實驗室搭建硬件電路平臺，并設(shè)計了控制算法，實現(xiàn)對壓電偏擺臺的開環(huán)前饋控制以及前饋與反饋復(fù)合控制。論文的研究內(nèi)容主要包括三個方面： 
1、分析了壓電陶瓷的遲滯特性、蠕變特性和溫度特性等特性及其機理，分析了壓電陶瓷的正逆壓電效應(yīng)及形變原因，對壓電陶瓷微觀極化的機理進行了分析。同時還對壓電陶瓷偏擺臺的驅(qū)動結(jié)構(gòu)與電氣連接結(jié)構(gòu)進行了研究，本課題中的壓電偏擺臺所采用的是四點驅(qū)動結(jié)構(gòu)，通過改變兩路的輸入電壓，來控制兩個軸上四個壓電陶瓷的驅(qū)動電壓的變化。對壓電偏擺臺內(nèi)部柔性制動器及偏轉(zhuǎn)連接機構(gòu)的機制進行了分析，并對位置信號采集所用的電阻應(yīng)變片式傳感器的原理和直流電橋電路結(jié)構(gòu)進行了分析。 
2、為了實現(xiàn)壓電陶瓷偏擺鏡的精密伺服控制，搭建了硬件電路平臺。主要包括控制模塊、驅(qū)動模塊和檢測回路模塊三個部分�？刂颇K采用 DSP28335 為主控芯片，利用 FPGA 作為串行數(shù)據(jù)與并行數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換接口，利用 AD 芯片與 DA 芯片進行數(shù)字信號與模擬信號之間的轉(zhuǎn)換；驅(qū)動模塊主要包括兩級運放，前級運算放大器采用的是 OPA177，后級采用的是高壓功率運算放大器 PA78，將
從控制模塊輸出的 0~5V 的控制電壓放大到 0~100V；檢測回路模塊是由電壓跟隨器和兩級運算放大器構(gòu)成，，將由壓電陶瓷偏擺臺輸出的 2.49750V~2.50250V 變化的微弱電壓信號放大到-10V~10V。 
3、在硬件電路平臺的基礎(chǔ)上，對壓電陶瓷偏擺臺建立了 PI 遲滯模型，并辨識了模型的相關(guān)參數(shù)，求解了 PI 遲滯逆模型及其相關(guān)參數(shù)，設(shè)計了前饋開環(huán)控制和前饋與反饋復(fù)合控制兩種控制方式。前饋開環(huán)控制較好的補償了由于壓電陶瓷的遲滯特性帶來的誤差，最大定位誤差為 48.8urad，輸出角度與輸入角度之間具有很好的線性關(guān)系。前饋與反饋復(fù)合控制大幅度的減小了系統(tǒng)的定位誤差，使偏擺鏡輸出角度與輸入角度之間最大的定位誤差降低為 2.2urad，優(yōu)于指標(biāo)要求的 5urad，明顯的提高了系統(tǒng)的控制精度。 
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參考文獻（略）

本文編號：882199