【摘 要】
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随着科学技术的发展和人们研究领域的不断扩展,操作对象已从宏观领域深入到微观领域.为完成显微外科、超精密加工及测量等操作,需要达到纳米级的定位精度,并且对系统动态性能
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随着科学技术的发展和人们研究领域的不断扩展,操作对象已从宏观领域深入到微观领域.为完成显微外科、超精密加工及测量等操作,需要达到纳米级的定位精度,并且对系统动态性能的要求也越来越高.压电陶瓷微位移器具有体积小、位移分辨率高、频响高、无噪声、不发热等特点,是一种理想的微位移元件.采用电压驱动方法,压电陶瓷存在迟滞、蠕变和位移非线性,给压电陶瓷的控制带来了困难.针对这一问题,该文结合国家自然基金项目"压电陶瓷微驱动器件极化模型与驱动方法的研究"(编号:60274053),采用电流控制原理,对压电陶瓷的驱动与控制技术进行研究.通过对叠堆型压电陶瓷的压电滞回机理、极化机理的深入分析,在理想状态下,同时考虑外力和充电自由电荷时,给出了其位移-电荷模型公式,为寻找能够消除压电陶瓷的迟滞和蠕变现象的驱动方式提供了理论依据.以高压运算放大器为核心元件设计了基于电流控制的压电陶瓷驱动电源;为了提高电源对充电电荷量的分辨率,设计了专门的电路;针对压电陶瓷位移零点的可重复性设计了初始化电路.实验结果表明,集成上述电路的压电陶瓷驱动电源兼具高分辨率、高动态频响等特点.建立了完整的压电陶瓷微定位控制系统,并分别采用开环控制和开环-闭环复合控制方法进行了实验研究.实验结果表明,该课题研制的压电陶瓷驱动电源在开环控制时几乎没有迟滞现象;并且不论在开环还是闭环条件下,均比电压控制型驱动电源有更高的频率响应性能.理论研究和实验验证均证明,基于电流控制的压电陶瓷驱动电源,结合开环-闭环控制方法在微纳米定位的应用中非常有效.
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