第1章 緒論 

1.1 研究背景及意義
壓電陶瓷是一種可以實(shí)現(xiàn)機(jī)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(lái)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(shí)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(wú)機(jī)械摩擦、發(fā)熱少、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于光學(xué)、機(jī)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(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)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?jī)删S壓電陶瓷偏擺鏡承載的，A 激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)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(jìn)行合束。在實(shí)際的工程中，由于激光器發(fā)出的激光有漂移、外部的振動(dòng)和環(huán)境溫度變化等原因，設(shè)備內(nèi)部可能會(huì)存在應(yīng)力，從而導(dǎo)致機(jī)械形變，所以需要偏擺鏡對(duì)光路進(jìn)行補(bǔ)償。光路指向監(jiān)視單元可以檢測(cè)光路的脫靶量，根據(jù)脫靶量對(duì)光束的指向進(jìn)行解算，然后將控制信號(hào)輸入給兩維偏擺鏡的控制器，使偏擺鏡轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)光路進(jìn)行調(diào)節(jié)。偏擺鏡的執(zhí)行器通常選用音圈電機(jī)和壓電陶瓷兩種。而利用音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)的偏擺鏡由于音圈電機(jī)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(jī)容易發(fā)熱，如果不能有效的進(jìn)行散熱處理，可能會(huì)使內(nèi)部的機(jī)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(shí)，音圈電機(jī)進(jìn)行的是直線運(yùn)動(dòng)，要把直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成偏擺鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)，就要求機(jī)械連接部分具有摩擦小、可形變等特點(diǎn)，而通常傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足這些要求，所以利用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)偏擺鏡已成為一種趨勢(shì)。 
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1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)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(lái)越快的發(fā)展，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)技術(shù)受到了越來(lái)越多的關(guān)注。從原理上來(lái)看，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的兩種最基本的方式是電壓控制型驅(qū)動(dòng)方式和電流控制型驅(qū)動(dòng)方式[12]。電壓控制型驅(qū)動(dòng)方式可以實(shí)現(xiàn)輸入電壓的放大，得到高電壓；而電流控制型驅(qū)動(dòng)方式則是實(shí)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(dòng)器的工作原理是依靠對(duì)壓電陶瓷兩端的輸入電壓進(jìn)行控制來(lái)控制驅(qū)動(dòng)器的位移。它主要分為兩種，基于電流變換器原理的開(kāi)關(guān)式驅(qū)動(dòng)電源和直流驅(qū)動(dòng)放大電源。圖 1.2 為基于電流變換器原理實(shí)現(xiàn)的開(kāi)關(guān)式驅(qū)動(dòng)電源的原理圖，輸出電壓的變化可以通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)管通斷頻率實(shí)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(shì)[14]。但同時(shí)，它的頻率響應(yīng)的范圍比較窄，穩(wěn)定性能不是很好，對(duì)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(diǎn)限制了開(kāi)關(guān)式驅(qū)動(dòng)電源的應(yīng)用。 直流驅(qū)動(dòng)放大電源主要有兩種形式，包括電壓跟隨式驅(qū)動(dòng)器和誤差放大式驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的工作原理是將誤差放大端的輸出電壓信號(hào)反饋給運(yùn)算放大器的輸入端，輸出電壓信號(hào)與輸入進(jìn)行對(duì)比并進(jìn)行放大，將得到的放大信號(hào)再通過(guò)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(shí)現(xiàn)電能與機(jī)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(qiáng)直流電場(chǎng)的作用下，極化矢量會(huì)沿著電場(chǎng)方向取向，電場(chǎng)消失后，極化強(qiáng)度會(huì)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(qiáng)的抗壓能力、較快的響應(yīng)速度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、以及較高的分辨率等優(yōu)點(diǎn)，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(wú)對(duì)稱中心的點(diǎn)群晶體才可能具有壓電效應(yīng)。郎之萬(wàn)在第一次世界大戰(zhàn)期間，首次制造出水下超聲壓電探測(cè)器，開(kāi)啟了將壓電材料應(yīng)用與工程的序幕。1946 年，美國(guó)麻省理工學(xué)院發(fā)現(xiàn)，在直流高壓電場(chǎng)中的鈦酸鋇鐵電陶瓷會(huì)沿著電場(chǎng)的方向自發(fā)極化取向，撤出電場(chǎng)后仍會(huì)殘留部分極化，具有壓電效應(yīng)，從而制成壓電陶瓷。美國(guó)學(xué)者 Roberts 在 1947 年，對(duì) Ba Tio3陶瓷進(jìn)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(jìn)行各種壓電器件的研究。1955 年，美國(guó)發(fā)現(xiàn)了性能更優(yōu)越的壓電陶瓷，進(jìn)一步推動(dòng)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(shí)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(duì)壓電陶瓷位移的影響和機(jī)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(duì)壓電陶瓷先施加上升電壓和下降電壓時(shí)，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?yàn)榫w內(nèi)部存在著 180°電疇和非180°電疇。當(dāng)施加外電場(chǎng)時(shí)，180°疇和非 180°疇同時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)向，但只有非 180°疇會(huì)對(duì)體積應(yīng)變?cè)斐捎绊�，�?180°疇沒(méi)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(kāi)環(huán)控制時(shí)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(dòng)結(jié)構(gòu) ......25 
3.2  壓電陶瓷制動(dòng)器 .......27 
3.3  壓電陶瓷精密偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) ......28
3.4  反饋信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換電路 .............31 
3.5  本章小結(jié) .........32 
第 4 章  伺服控制驅(qū)動(dòng)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(dòng)模塊電路 ...........42 
4.4  檢測(cè)模塊電路 ...........45 
4.5  控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能測(cè)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(jì) ........ 57 
5.1  引言 .......57 
5.2  基于 PI 遲滯模型的建模及參數(shù)辨識(shí) ....58 

第5章 壓電偏擺鏡的建模及控制算法設(shè)計(jì)

5.1 引言 
由于壓電偏擺鏡采用的是四點(diǎn)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，四條邊框都是由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的，而驅(qū)動(dòng)兩維偏擺鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的壓電陶瓷具有遲滯效應(yīng)，宏觀上表現(xiàn)出轉(zhuǎn)動(dòng)角度的滯后性，所以使得常規(guī)方法對(duì)壓電陶瓷的精密控制效果并不明顯。偏擺鏡的兩維運(yùn)動(dòng)可以分解出沿 x 軸和 y 軸兩個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)的合成，所以本文先研究繞一個(gè)軸的偏擺鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)。 當(dāng)對(duì)壓電陶瓷施加 0-100V 勻速的三角波電壓時(shí)，利用 AD 芯片采集壓電陶瓷偏擺臺(tái)的位置信號(hào)，得到偏擺臺(tái)的輸出角度與驅(qū)動(dòng)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(dòng)電壓的變化，偏擺臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)，壓電偏擺臺(tái)的輸出角度并不相等，具有很明顯的遲滯效應(yīng)。通常對(duì)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(dá)壓電陶瓷的遲滯特性[40]，但也因?yàn)殡p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(shí)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(jiǎn)單，具有線性的表達(dá)式，其逆模型也是線性的方便求解，而且參數(shù)辨識(shí)也比 Presiach 模型更為容易，有利于編程和實(shí)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(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外壓電陶瓷偏擺鏡控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，對(duì)壓電陶瓷的特性、偏擺鏡的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及電氣驅(qū)動(dòng)原理等進(jìn)行了研究，采用芯明天公司生產(chǎn)的 XP-T54 壓電偏擺臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)室搭建硬件電路平臺(tái)，并設(shè)計(jì)了控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電偏擺臺(tái)的開(kāi)環(huán)前饋控制以及前饋與反饋復(fù)合控制。論文的研究?jī)?nèi)容主要包括三個(gè)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(jī)理，分析了壓電陶瓷的正逆壓電效應(yīng)及形變?cè)�，�?duì)壓電陶瓷微觀極化的機(jī)理進(jìn)行了分析。同時(shí)還對(duì)壓電陶瓷偏擺臺(tái)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)與電氣連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，本課題中的壓電偏擺臺(tái)所采用的是四點(diǎn)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變兩路的輸入電壓，來(lái)控制兩個(gè)軸上四個(gè)壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)電壓的變化。對(duì)壓電偏擺臺(tái)內(nèi)部柔性制動(dòng)器及偏轉(zhuǎn)連接機(jī)構(gòu)的機(jī)制進(jìn)行了分析，并對(duì)位置信號(hào)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(jìn)行了分析。 
2、為了實(shí)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(tái)。主要包括控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和檢測(cè)回路模塊三個(gè)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(jìn)行數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換；驅(qū)動(dòng)模塊主要包括兩級(jí)運(yùn)放，前級(jí)運(yùn)算放大器采用的是 OPA177，后級(jí)采用的是高壓功率運(yùn)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(cè)回路模塊是由電壓跟隨器和兩級(jí)運(yùn)算放大器構(gòu)成，，將由壓電陶瓷偏擺臺(tái)輸出的 2.49750V~2.50250V 變化的微弱電壓信號(hào)放大到-10V~10V。 
3、在硬件電路平臺(tái)的基礎(chǔ)上，對(duì)壓電陶瓷偏擺臺(tái)建立了 PI 遲滯模型，并辨識(shí)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(jì)了前饋開(kāi)環(huán)控制和前饋與反饋復(fù)合控制兩種控制方式。前饋開(kāi)環(huán)控制較好的補(bǔ)償了由于壓電陶瓷的遲滯特性帶來(lái)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(xiàn)（略）

本文編號(hào)：882199