壓電式精密驅(qū)動器及其閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計*

蘇 江，劉 鵬，楊志剛

（1．吉林大學(xué)珠海學(xué)院機(jī)電工程系，廣東 珠海 519041;2．吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春 130025）

0 引言

近年來，隨著微/納米技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們紛紛開展對新型驅(qū)動技術(shù)的研究，新型驅(qū)動技術(shù)大致可分為兩類［1］:一類是利用場力驅(qū)動，如電磁力、靜電力等;另一類是運用材料本身的性能變化產(chǎn)生的微小變形來驅(qū)動，尤其以壓電材料、磁滯伸縮材料和形狀記憶合金材料制成的驅(qū)動裝置研究最為廣泛。壓電驅(qū)動技術(shù)利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，即壓電材料在電場作用下產(chǎn)生機(jī)械變形的特性實現(xiàn)驅(qū)動，具有位移分辨率高、定位精度好、響應(yīng)速度快、易于微型化等優(yōu)點［2，3］。利用壓電驅(qū)動技術(shù)開發(fā)研究的壓電驅(qū)動器采用摩擦力驅(qū)動，將阻礙運動的摩擦力變?yōu)轵?qū)動力，有可能成為MEMS最有前途的驅(qū)動器。壓電驅(qū)動器在超精密加工、生物醫(yī)學(xué)工程、半導(dǎo)體及微電子數(shù)據(jù)存儲、光學(xué)、光纖度量技術(shù)、精密機(jī)械等領(lǐng)域，具有極其廣泛的應(yīng)用前景［4～9］。本文設(shè)計了以壓電疊堆作為驅(qū)動源的直線式精密驅(qū)動器，為了改善驅(qū)動器的穩(wěn)定性，采用閉環(huán)反饋控制的方法來補(bǔ)償步距誤差，以此來提高驅(qū)動器運行的穩(wěn)定性。

1 壓電步進(jìn)式精密驅(qū)動器結(jié)構(gòu)與原理

本文采用整體柔性鉸鏈與壓電疊堆相配合的機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種新型的直線步進(jìn)驅(qū)動器。其組成部分有:箝位機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、調(diào)整機(jī)構(gòu)、動子及導(dǎo)軌。圖1為步進(jìn)式驅(qū)動器的三維裝配圖。箝位機(jī)構(gòu)是將壓電疊堆伸長而產(chǎn)生的力傳遞到動子的傳動機(jī)構(gòu)，箝位力的大小決定了驅(qū)動器驅(qū)動力和承載能力的大小。驅(qū)動機(jī)構(gòu)是利用驅(qū)動疊堆的驅(qū)動力并通過箝位機(jī)構(gòu)的配合帶動動子運動的機(jī)構(gòu)，驅(qū)動疊堆安裝在動子結(jié)構(gòu)外部，通過與箝位機(jī)構(gòu)配合實現(xiàn)對動子的驅(qū)動。調(diào)整機(jī)構(gòu)是與柔性鉸鏈配合使用的，主要的作用是在壓電疊堆的變形方向上提供可調(diào)的位移量，從而對壓電疊堆的預(yù)緊力、箝位面與箝位力作用面之間配合間隙等方面實現(xiàn)最佳的調(diào)整。動子是依賴導(dǎo)軌導(dǎo)向和箝位機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)定位的。動子在工作過程中，要求在水平導(dǎo)軌中平穩(wěn)運動，導(dǎo)軌的加工精度對動子的運動方向有很大影響，是保證動子運動的關(guān)鍵因素。

圖1 驅(qū)動器的整體結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Overall structure diagram of actuator

驅(qū)動器初始工作時，其左右箝位疊堆處于加壓箝位狀態(tài)以保持動子的承載能力。步進(jìn)直線步進(jìn)驅(qū)動器工作原理為:當(dāng)驅(qū)動器向左驅(qū)動時，左箝位疊堆保持箝位，右箝位疊堆自由，然后驅(qū)動疊堆加壓伸長，推動箝位驅(qū)動復(fù)合體的前后活動部分向兩側(cè)均勻分開，從而左箝位疊堆帶動動子向前驅(qū)動了1/2的驅(qū)動疊堆伸長量;右箝位疊堆箝位，左箝位疊堆自由，驅(qū)動疊堆失電縮短，復(fù)合體依靠鉸鏈的回復(fù)力前后活動部分向中間收縮，右箝位疊堆通過柔性鉸鏈箝住動子又向左移動1/2的驅(qū)動疊堆伸長量;左箝位疊堆箝位，同時右箝位疊堆保持箝位。這樣，驅(qū)動器完成了向前的一步驅(qū)動。驅(qū)動器不斷重復(fù)上述的驅(qū)動過程，從而實現(xiàn)動子向前的連續(xù)步進(jìn)運動。同理，只要交換左右箝位疊堆箝位的先后順序，驅(qū)動器就會連續(xù)得向右運動。

2 步距與步距穩(wěn)定性測試

2．1 試驗系統(tǒng)組成

試驗測試的組成如圖2所示，首先在PC機(jī)上，通過LabVIEW軟件編制驅(qū)動器所需的3路控制信號，通過NI數(shù)據(jù)采集卡輸出3路模擬信號，然后這3路控制信號分別通過功率放大器和壓電陶瓷電源放大，得到驅(qū)動器所需的實際電壓信號，按照一定的時序控制驅(qū)動器運動，同時激光測微儀適時讀取驅(qū)動器的位移信號，并把位移信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，送入傅立葉分析儀進(jìn)行分析和顯示，直觀、方便地對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和處理。

2．2 步距與步距穩(wěn)定性與電壓關(guān)系曲線

驅(qū)動器的運動步距（簡稱步距）指驅(qū)動器在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，動子在一個時序周期內(nèi)運動的距離。在同方向進(jìn)給的前提下，采集一定步數(shù)內(nèi)連續(xù)工作的具體的步距數(shù)值，驅(qū)動器步距穩(wěn)定性通過公式（1）計算獲得

圖2 試驗測試系統(tǒng)原理圖Fig 2 Principle diagram of experimental testing system

式中 ηs為驅(qū)動器步距穩(wěn)定性;Si為驅(qū)動器的實際步距為驅(qū)動器進(jìn)給n步的步距平均值;n為驅(qū)動器的進(jìn)給的步數(shù)。

頻率1 Hz時步距與驅(qū)動電壓關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可以看出:驅(qū)動器的步距與電壓間的具有良好的線性關(guān)系。尤其是隨著驅(qū)動電壓的增大，線性關(guān)系越好。

步距穩(wěn)定性與驅(qū)動電壓關(guān)系曲線如圖4所示。從圖4可以看出:高驅(qū)動電壓時，驅(qū)動器運行的穩(wěn)定性要好于低驅(qū)動電壓。步距穩(wěn)定性的變化過程不是線性的。驅(qū)動電壓由90V向50V降低時，步距穩(wěn)定性的變化比較緩慢，即驅(qū)動器保持較好的步距穩(wěn)定性。驅(qū)動電壓在50～4 V范圍內(nèi)變化時，步距穩(wěn)定性的變化明顯加劇，說明驅(qū)動器受摩擦等外界因素的影響比重明顯加大了。

圖3 步距—驅(qū)動電壓特性曲線Fig 3 Step distance vs driving voltage characteristic curve

圖4 步距穩(wěn)定性—驅(qū)動電壓特性曲線Fig 4 Stability of step distance vs driving voltage characteristic curve

3 基于LabVIEW的驅(qū)動器閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計

以上對驅(qū)動器的試驗研究都是基于開環(huán)控制的，經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，雖然驅(qū)動器的步距能夠達(dá)到0．05 μm，但是存在步距誤差，尤其是在小驅(qū)動電壓下運行，誤差明顯增大。當(dāng)驅(qū)動器空載時，在最小驅(qū)動電壓下，步距的穩(wěn)定性為25%。步距的穩(wěn)定性是衡量驅(qū)動器性能好壞的一個重要指標(biāo)。為了改善驅(qū)動器的步距穩(wěn)定性，本文采用閉環(huán)反饋控制的方法，來補(bǔ)償步距誤差，以此來提高驅(qū)動器運行的穩(wěn)定性。

3．1 驅(qū)動器閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本思想

閉環(huán)控制主要目的就是要提高驅(qū)動器步距穩(wěn)定性，實現(xiàn)精確定位，閉環(huán)控制的基本思想如圖5所示。在驅(qū)動器工作前，預(yù)先設(shè)定要達(dá)到的目標(biāo)位移S，在相應(yīng)的驅(qū)動電壓下運動，通過傳感器適時采集當(dāng)前的實際輸出位移S1，并送入控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將實際位移同目標(biāo)位移作比較，判斷ΔS（ΔS=S－S1）是否滿足，相應(yīng)的判斷條件，如果不滿足，則再次給驅(qū)動器相應(yīng)的驅(qū)動電壓信號，驅(qū)動器繼續(xù)運動，經(jīng)過多次的采集、比較，直到ΔS滿足了相應(yīng)的判斷條件，驅(qū)動器最終停止在目標(biāo)位置。

圖5 閉環(huán)控制基本思想Fig 5 Basic idea of closed-loop control

3．2 控制系統(tǒng)的工作原理

控制系統(tǒng)工作原理如圖6所示，包括PC機(jī)、10 MHz帶寬功率放大器、壓電陶瓷專用電源、PCI—6229NI數(shù)據(jù)采集卡、LC—2400激光測微儀、CB—68LP型號的端子板以及若干條標(biāo)準(zhǔn)電纜。

圖6 閉環(huán)控制系統(tǒng)原理Fig 6 Principle of closed-loop control system

基于虛擬儀器LabVIEW軟件的開發(fā)平臺，在PC機(jī)上編制驅(qū)動器閉環(huán)控制程序，通過調(diào)用數(shù)據(jù)采集卡DAQ驅(qū)動程序，使數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生3路模擬電壓信號。這3路電壓信號通過便于信號輸出和輸入的端子板CB—68LP分別連接到功率放大器和壓電陶瓷專用電源上，電壓信號得到放大，同時驅(qū)動步進(jìn)驅(qū)動器運動。同時激光測微儀對動子的運動位移進(jìn)行實時跟蹤測量，并將測得的位移信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，再通過端子板CB—68LP把位移電壓信號傳遞給數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡采集到電壓信號，再將此電壓信號轉(zhuǎn)換成控制程序識別的數(shù)字信號?？刂葡到y(tǒng)將對反饋回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)一定的控制規(guī)則進(jìn)行判斷，然后再次調(diào)用DAQ驅(qū)動程序，使數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生所需要的驅(qū)動電壓信號（2路箝位電壓信號始終保持不變）。從而對驅(qū)動機(jī)構(gòu)的運動進(jìn)行控制。通過這種方法，實現(xiàn)了對驅(qū)動機(jī)構(gòu)的閉環(huán)反饋控制。

3．3 定位停止閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)流程如圖7所示。控制過程分為2個部分:快速運動和慢速運動。首先讓驅(qū)動器在較大驅(qū)動電壓下快速接近快速運動時的目標(biāo)位置S0，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定的閾值范圍內(nèi)，改變驅(qū)動電壓讓其在小驅(qū)動電壓下慢速運動，經(jīng)過循環(huán)和反復(fù)比較，直至到達(dá)最終目標(biāo)位置S后停止。例如:要求驅(qū)動器在100 μm的位置停止，先讓其快速運動到95 μm，然后再以小步距移動到最終目標(biāo)位置。

圖7 閉環(huán)控制系統(tǒng)流程圖Fig 7 Flow chart of closed-loop control system

3．4 定位停止控制系統(tǒng)試驗測試

對所設(shè)計的閉環(huán)反饋定位停止控制系統(tǒng)進(jìn)行了試驗測試，并且和開環(huán)定位停止進(jìn)行了比較。以50V驅(qū)動電壓下，運動20步時為例，此時步長為4．1 μm，如果在理想條件下，20步能夠運行82 μm，讓驅(qū)動器運動20步后記錄下位移值，再讓其在閉環(huán)控制系統(tǒng)下運行。為了對比，取最終目標(biāo)位置為82μm，快速運動時，目標(biāo)位置為75μm，電壓為40V，頻率為10Hz;慢速運動時，設(shè)定電壓4V，頻率是5Hz?？焖匍撝翟O(shè)為0．5 μm，慢速運動閾值是 0．1 μm。分別測試了10組開環(huán)和閉環(huán)定位停止試驗數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 開環(huán)與閉環(huán)測試對比數(shù)據(jù)Tab 1 Testing contrast data of open-loop and closed-loop

當(dāng)使用開環(huán)定位停止時，定位停止誤差比較大，甚至達(dá)到了mm級，這是由于驅(qū)動器運行過程中每步都存在步距誤差，經(jīng)過累積后，定位誤差就會很大了。如果使用閉環(huán)定位停止系統(tǒng)，其定位精度可達(dá)到0．06 μm，大大提高了驅(qū)動器的定位停止精度。

4 結(jié)束語

以電壓疊堆為驅(qū)動源，設(shè)計并制作了一種步進(jìn)直線精密驅(qū)動器，為了克服開環(huán)控制下驅(qū)動器存在的步距誤差，使用LabVIEW設(shè)計了驅(qū)動器閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，試驗表明:驅(qū)動器步距與電壓具有良好的線性關(guān)系，定位精度高，可達(dá)到0．06 μm，工作穩(wěn)定性好。該驅(qū)動器在精密控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

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