摘 要:由于压电陶瓷驱动器(PZTA)具有体积小、位移输出精度高等优点,因而它在超精密定位和微机电系统(MEMS)中得到了广泛的应用,但其本身固有的非线性和迟滞等缺陷,降低了其位移输出精度。为了克服这些缺陷,采用开环二进制控制原理控制PZTA,不仅可以有效地克服其非线性和迟滞缺陷,使PZTA的位移输出精度达到±26.9 nm,而且无需反馈控制回路和检测元件,使控制系统结构简单,降低了成本,便于集成到MEMS中。
纳米级微位移驱动器已成为微机电系统(MEMS)、扫描探测显微镜、超精密加工、细胞操作、光纤对接等诸多领域决定系统精度的关键执行器件。压电陶瓷驱动器(PZTA)具有体积小,位移分辨率高,无机械摩擦,不发热,响应快,无噪声等优点,缺点是在电场作用下将产生非线性、迟滞和蠕变[1-4],从而降低位移输出精度。Jung Hewon[5]利用Preisach模型补偿原子力显微镜z轴方向PZTA的非线性和迟滞,改善了扫描图像的质量。Ge Ping等[6]用Preisach模型描述PZTA的非线性和迟滞,在开环控制下,实现了正弦波和三角波3%的跟踪精度。文献[7]采用电荷驱动恒流源,以半导体应变片作为位移检测元件,并运用EMM方法对PZTA的动态特性进行校正,获得了良好的线性度。文献[8]将单层神经网络同PID控制相结合,构成具有自适应和自学习特点的神经网络控制系统,使PZ-TA取得了很高的定位精度。Ge Ping等[9]将前馈控制同PID反馈控制相结合,使定位精度比开环控制提高80%,比单纯前馈控制或PID反馈控制提高50%。本文采用开环二进制控制原理控制PZTA,可克服非线性和迟滞缺陷,提高PZTA的位移输出精度。
1 PZTA的二进制控制原理
PZTA的电压-位移曲线如图1所示。从图中可见存在着明显的非线性和迟滞缺陷。
为了克服PZTA的非线性和迟滞缺陷,提高其位移输出精度,构建二进制控制原理为由10个PZ-TA串联构成的驱动器组,如图2所示,每一个驱动器两端由电极板构成独立的控制电路,电极板产生的电场使PZTA发生伸缩,电极板之间是绝缘的。每一个PZTA控制电路的控制方式为“开”或“关”,当控制方式为“开”时,在控制电场作用下,经激光干涉仪的测试,驱动器0~3分别输出1 nm、2 nm、4 nm、8 nm的位移,驱动器n输出2nnm的位移,也就是按照二进制原理输出位移。当控制方式为“关”时,相应的驱动器输出位移为0。如当需要驱动器输出20 nm的位移时,只需驱动器2、4的控制方式为“开”,其他驱动器的控制方式为“关”即可。当不同的驱动器组合在一起受到激励时,就能获得很多可重复的输出位移,所得到的输出位移数量与驱动器的数量(N=n+1)成比例,即为2N。这样,一组N=10的PZTA能输出1 024个离散位移,当N=12时,能够获得4 096个输出位移,如果这些输出位移平均分布在一个或几个微米的位移范围内,只是通过简单的“开”、“关”驱动器而无需反馈控制就可以获得纳米级的重复定位。这种控制方式的优点是只利用了每个PZTA在某一电压作用下的单一输出位移,与其他电压作用下的输出位移无关,这样,就有效地避开了PZTA的非线性和迟滞缺点,从而与每一个PZTA的电压-位移曲线的非线性和迟滞无关,这样就提高了其位移输出精度。另外,这种控制方式简单,便于在无法使用反馈控制的MEMS中集成,而且降低了成本。
2 实验结果
用于标定和测量PZTA输出位移的实验装置如图2所示。在实验过程中,PC机用于产生控制信号,控制PZTA产生伸缩运动,从而输出力和位移,PZTA输出的位移由激光干涉仪测量,激光干涉仪的分辨率和测量精度分别为0.1 nm和1 nm。
2.1 PZTA输出位移的标定
激光干涉仪是用于标定和测量PZTA输出位移的,根据二进制控制原理,使第0个PZTA的控制方式为“开”,其他PZTA的控制方式为“关”,然后调整控制信号的大小直到激光干涉仪指示第0个PZTA的输出位移为1 nm,记录此时的控制电压信号值。同样,当第1个PZTA的控制方式为“开”,其他PZTA的控制方式为“关”时,调整控制信号的大小直到激光干涉仪指示第1个PZTA的输出位移为2 nm,记录此时的控制电压信号值。依此类推,得到了10个PZTA的输出位移和控制电压的对应关系。为了验证电压-位移关系的稳定性,连续进行了三次实验,实验结果如表1所示,取三次实验的平均值作为每个PZTA输出标定位移时所需的标定控制电压。
2.2 PZTA输出位移的测量
根据标定的PZTA输出位移与所需控制电压的对应关系,在所标定的驱动控制电压作用下,测量不同PZTA组合在一起输出的实际位移。如要想得到1 nm的输出位移,只需第0个PZTA的控制方式为“开”,且其控制电压信号的大小为0.07 V,其他PZTA的控制方式为“关”;要得到3 nm的输出位移,只需第0个和第1个PZTA的控制方式为“开”,且第0个和第1个PZTA的控制电压信号的大小分别为0.07 V和0.13 V,而其他PZTA的控制方式为“关”;依此类推。为了验证输出位移的稳定性,连续进行了三次实验,结果如表2所示。为了更直观地观察和分析输出位移与对应误差的关系,连续进行了5次实验,把输出位移与对应的误差绘在位移-误差曲线图中,用直线拟合后如图3所示。
实验结果表明,在1.023μm范围内,由10个PZTA构成的一组驱动器输出位移误差在-26.9~26.9 nm之间,误差的最大绝对值为26.9 nm;输出位移越大,则输出位移的误差越大,这是因为在驱动过程中会有更多的能量消耗。
3 结束语
为了克服PZTA在电场作用下的非线性和迟滞缺陷,同时适应精密定位装置小型化的发展趋势和MEMS的需要,用二进制控制原理控制一组PZ-TA输出离散位移,实际上只利用了每一个PZTA在某一控制电压信号作用下的单一输出位移值,这样就与其电压-位移曲线的非线性和迟滞缺陷无关,实验结果表明,采用开环二进制控制原理控制PZ-TA可以获得纳米级(±26.9 nm)的位移输出精度。另外,由于开环二进制控制无需反馈控制回路和检测元件,不但降低了成本,而且控制系统结构简单、体积小、便于集成到MEMS中。
参考文献:
[1]唐凤,黄尚廉,刘光聪. PZT非线性特性的研究[J].压电与声光,1997,19(3): 180-183.
[2]张涛,孙立宁,蔡鹤皋.压电陶瓷基本特性研究[J].光学精密工程,1998,6(5): 26-32.
[3] HWANH S C, MCMEEKING R M. A fiNIte elementmodel of ferroelastic polycystals [ J]. InternationalJournal of Solids and Structure, 1999, 36(10): 1 541-1 556.
[4] GUYOMAR D. Piezoelectric ceramics nonlinear be-havior: application to langevin transducer [J]. JournalDe Physique, 1997, 7(6): 1 197-1 208.
[5] JUNG H. Enhancement of AFM image by compensa-ting the hysteresis and creep effect within PZT [C ].Proceedings of SPIE-The International Society for Op-tical Engineering, 1999, 3 740: 327-330.
[6] GE Ping, JOUANEH M. Modeling hysteresis in pi-ezoceramic actuators [ J ]. Precision Engineering,1995, 17(3): 211-221.
[7]杨宜民,松岛皓三.微机器人的机构和控制系统的基础研究[J].机器人,1988,2(4):13-16.
[8] LU Zhao-quan, CHEN Dao-jiong, KONG Hui-fang,et al. Nueron net control and it’s application in preci-sion feed mechanism of machine tool driven by PZTA[C]. New York: Proceedings of the IEEE Internation-al Conference on Industrial Technology, 1994.
[9] GE Ping, JOUANEH M. Generalized preisach modelfor hysteresis nonlinearity of piezoceramic actuators[J]. Precision Engineering, 1997, 19(2): 99-111.
本文作者：孙树峰
