压电陶瓷偏摆镜控制单元的研究

发布时间：2017-09-19 14:39

第1章 绪论 

1.1 研究背景及意义
压电陶瓷是一种可以实现机械能和电能之间转化的特殊的电介质，它具有正压电效应和逆压电效应。压电陶瓷微定位技术是 20 世纪 80 年代发展起来的一种新型技术，利用这种微定位技术制成的微位移器可以减小器件的结构尺寸，实现器件的微型化[1]。它具有位移控制精度高、分辨力高、响应速度快、无机械摩擦、发热少、功耗低、结构简单、尺寸小、易于控制等优点，被广泛应用于光学、机械、电子、航空航天以及生物医疗等相关领域[2]。 本文所研究的两维压电陶瓷偏摆镜主要应用于激光合成设备中，可以实现不同波长激光之间的合束，原理图如图 1.1 所示。图中的反射镜和合束镜都是依靠两维压电陶瓷偏摆镜承载的，A 激光器发出的激光经过反射镜的反射，与 B 激光器发出的激光依靠合束镜完成激光合束，再与 C 激光器发出的激光进行合束。在实际的工程中，由于激光器发出的激光有漂移、外部的振动和环境温度变化等原因，设备内部可能会存在应力，从而导致机械形变，所以需要偏摆镜对光路进行补偿。光路指向监视单元可以检测光路的脱靶量，根据脱靶量对光束的指向进行解算，然后将控制信号输入给两维偏摆镜的控制器，使偏摆镜转动对光路进行调节。偏摆镜的执行器通常选用音圈电机和压电陶瓷两种。而利用音圈电机驱动的偏摆镜由于音圈电机的结构尺寸一般较大，所以难以将结构小型化；而且音圈电机容易发热，如果不能有效的进行散热处理，可能会使内部的机械结构发生形变，影响控制系统的性能和精度；同时，音圈电机进行的是直线运动，要把直线运动转化成偏摆镜的转动，就要求机械连接部分具有摩擦小、可形变等特点，而通常传统的刚性结构无法满足这些要求，所以利用压电陶瓷驱动偏摆镜已成为一种趋势。 
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1.2 国内外研究现状
压电陶瓷驱动技术是影响位移精确输出特性的关键技术，随着压电陶瓷微位移技术的越来越快的发展，压电陶瓷驱动技术受到了越来越多的关注。从原理上来看，压电陶瓷驱动器实现的两种最基本的方式是电压控制型驱动方式和电流控制型驱动方式[12]。电压控制型驱动方式可以实现输入电压的放大，得到高电压；而电流控制型驱动方式则是实现电流的放大，可以输出高功率和大电流。电压控制型驱动器的工作原理是依靠对压电陶瓷两端的输入电压进行控制来控制驱动器的位移。它主要分为两种，基于电流变换器原理的开关式驱动电源和直流驱动放大电源。图 1.2 为基于电流变换器原理实现的开关式驱动电源的原理图，输出电压的变化可以通过控制功率开关管通断频率实现[13]。它具有体积尺寸小、转换效率高，可以很好的降低功率损耗的优势[14]。但同时，它的频率响应的范围比较窄，稳定性能不是很好，对高频噪声比较敏感，电源输出的纹波较大、纹波比难抑制。这些缺点限制了开关式驱动电源的应用。 直流驱动放大电源主要有两种形式，包括电压跟随式驱动器和误差放大式驱动器。它的输出精度有限，但是频率响应的范围比较宽，是一种发展前景比较大的控制方式。 如图 1.3 所示，电压跟随器驱动器的工作原理是将误差放大端的输出电压信号反馈给运算放大器的输入端，输出电压信号与输入进行对比并进行放大，将得到的放大信号再通过功率放大部分，最后输出施加到压电陶瓷的两端[15]。 
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第2章 压电陶瓷特性 

2.1 压电陶瓷概述 
压电陶瓷是一种可以实现电能与机械能之间的相互转换的包含铁电性晶粒的新型材料。它具有正压电效应与逆压电效应，应用范围十分广泛。其内部含有铁电性晶粒，在强直流电场的作用下，极化矢量会沿着电场方向取向，电场消失后，极化强度会有一部分残留，从而表现出宏观的压电特性。压电陶瓷具有较强的抗压能力、较快的响应速度、结构简单、以及较高的分辨率等优点，广泛的应用在微纳米定位领域。 居里兄弟在 1880 年发现了电气石的压电效应，接着在 1881 年发现了逆压电效应，并证明石英晶体的正压电常数和逆压电常数相等。Voigt 在 1894 年提出，只有像石英晶体这类无对称中心的点群晶体才可能具有压电效应。郎之万在第一次世界大战期间，首次制造出水下超声压电探测器，开启了将压电材料应用与工程的序幕。1946 年，美国麻省理工学院发现，在直流高压电场中的钛酸钡铁电陶瓷会沿着电场的方向自发极化取向，撤出电场后仍会残留部分极化，具有压电效应，从而制成压电陶瓷。美国学者 Roberts 在 1947 年，对 Ba Tio3陶瓷进行高压极化处理，使 Ba Tio3陶瓷具有了压电性。之后，日本利用 Ba Tio3进行各种压电器件的研究。1955 年，美国发现了性能更优越的压电陶瓷，进一步推动了压电器件的研究。到了七十年代，压电陶瓷迅速而广泛的实用化，被广泛地应用在滤波器以及振荡器等领域。 
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2.2 压电陶瓷特性 

由于压电晶体内部结构和极化作用等因素，使得压电陶瓷具有迟滞特性、蠕变特性、温度特性等特性，而这些特性对压电陶瓷位移的影响和机理并不相同，使得压电陶瓷的精密控制增添了难度，以下主要分析压电陶瓷的这些特性。当对压电陶瓷先施加上升电压和下降电压时，在同一电压值下，压电陶瓷的形变量并不相等，表现出升压曲线与降压曲线的不重合，如图 2.2 所示。造成压电陶瓷迟滞特性的主要原因是因为晶体内部存在着 180°电畴和非180°电畴。当施加外电场时，180°畴和非 180°畴同时发生转向，但只有非 180°畴会对体积应变造成影响，而 180°畴没有效果。非 180°畴的转向是不完全可逆的，表现为压电陶瓷的迟滞特性。一般情况下，在开环控制时压电陶瓷升压和降压曲线的位移差大约为 10%~15%。 

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第 3 章  压电偏摆镜的结构 ...... 25 
3.1  压电偏摆镜的驱动结构 ......25 
3.2  压电陶瓷制动器 .......27 
3.3  压电陶瓷精密偏转机构 ......28
3.4  反馈信号采集传感器 ..........29 
3.4.1  电阻应变片传感器原理 .....30 
3.4.2  反馈信号转换电路 .............31 
3.5  本章小结 .........32 
第 4 章  伺服控制驱动系统硬件电路 .......... 33 
4.1  硬件电路的总体结构 ..........33 
4.2  控制模块电路 ...........33
4.3  驱动模块电路 ...........42 
4.4  检测模块电路 ...........45 
4.5  控制驱动系统的性能测试 ............49 
4.6  本章小结 .........54 
第 5 章  压电偏摆镜的建模及控制算法设计 ........ 57 
5.1  引言 .......57 
5.2  基于 PI 迟滞模型的建模及参数辨识 ....58 

第5章 压电偏摆镜的建模及控制算法设计

5.1 引言 
由于压电偏摆镜采用的是四点驱动结构，四条边框都是由压电陶瓷驱动的，而驱动两维偏摆镜转动的压电陶瓷具有迟滞效应，宏观上表现出转动角度的滞后性，所以使得常规方法对压电陶瓷的精密控制效果并不明显。偏摆镜的两维运动可以分解出沿 x 轴和 y 轴两个方向上运动的合成，所以本文先研究绕一个轴的偏摆镜的转动。 当对压电陶瓷施加 0-100V 匀速的三角波电压时，利用 AD 芯片采集压电陶瓷偏摆台的位置信号，得到偏摆台的输出角度与驱动电压之间的关系曲线图，如图 5.1 所示。从图中可以看出，随着驱动电压的变化，偏摆台的转动从-1mrad 到1mrad 的范围内变化，在上升阶段和下降阶段的同一电压时，压电偏摆台的输出角度并不相等，具有很明显的迟滞效应。通常对压电陶瓷的建模方法有 Preisach 模型、PI 模型、KP 模型和 Duhem 模型等，其中最常用的为 Presiach 模型和 PI 模型[39]。Presiach 模型中含有双重积分，可以更为全面的表达压电陶瓷的迟滞特性[40]，但也因为双重积分，需要大量的网格划分和输入输出数据，使系统辨识参数的确定变得很困难，不利于 Presiach 模型的广泛应用[41]。而本文所采用的 PI 迟滞模型，结构较为简单，具有线性的表达式，其逆模型也是线性的方便求解，而且参数辨识也比 Presiach 模型更为容易，有利于编程和实际工程的应用。 
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总结 

本论文主要研究的是压电陶瓷偏摆镜的控制单元。通过对国内外压电陶瓷偏摆镜控制技术的研究现状进行分析，对压电陶瓷的特性、偏摆镜的机械结构以及电气驱动原理等进行了研究，采用芯明天公司生产的 XP-T54 压电偏摆台，在实验室搭建硬件电路平台，并设计了控制算法，实现对压电偏摆台的开环前馈控制以及前馈与反馈复合控制。论文的研究内容主要包括三个方面： 
1、分析了压电陶瓷的迟滞特性、蠕变特性和温度特性等特性及其机理，分析了压电陶瓷的正逆压电效应及形变原因，对压电陶瓷微观极化的机理进行了分析。同时还对压电陶瓷偏摆台的驱动结构与电气连接结构进行了研究，本课题中的压电偏摆台所采用的是四点驱动结构，通过改变两路的输入电压，来控制两个轴上四个压电陶瓷的驱动电压的变化。对压电偏摆台内部柔性制动器及偏转连接机构的机制进行了分析，并对位置信号采集所用的电阻应变片式传感器的原理和直流电桥电路结构进行了分析。 
2、为了实现压电陶瓷偏摆镜的精密伺服控制，搭建了硬件电路平台。主要包括控制模块、驱动模块和检测回路模块三个部分。控制模块采用 DSP28335 为主控芯片，利用 FPGA 作为串行数据与并行数据之间的转换接口，利用 AD 芯片与 DA 芯片进行数字信号与模拟信号之间的转换；驱动模块主要包括两级运放，前级运算放大器采用的是 OPA177，后级采用的是高压功率运算放大器 PA78，将
从控制模块输出的 0~5V 的控制电压放大到 0~100V；检测回路模块是由电压跟随器和两级运算放大器构成，，将由压电陶瓷偏摆台输出的 2.49750V~2.50250V 变化的微弱电压信号放大到-10V~10V。 
3、在硬件电路平台的基础上，对压电陶瓷偏摆台建立了 PI 迟滞模型，并辨识了模型的相关参数，求解了 PI 迟滞逆模型及其相关参数，设计了前馈开环控制和前馈与反馈复合控制两种控制方式。前馈开环控制较好的补偿了由于压电陶瓷的迟滞特性带来的误差，最大定位误差为 48.8urad，输出角度与输入角度之间具有很好的线性关系。前馈与反馈复合控制大幅度的减小了系统的定位误差，使偏摆镜输出角度与输入角度之间最大的定位误差降低为 2.2urad，优于指标要求的 5urad，明显的提高了系统的控制精度。 
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参考文献（略）

本文编号：882199