（测试计量技术及仪器专业论文）圆光栅回转式压电微角度执行器的研究.pdf

摘要 微位移驱动技术是当今世界各国研究的热点问题，是纳米测量及加工技术中 的关键技术之一，随着科学技术的发展，需要高精度、高分辨力、能够灵活控制 的微位移驱动及检测系统，用以直接进行有关工作或配合其它仪器设备完成高精 度的研究和应用，正是这些需要，极大地促进了微位移驱动定位技术的发展。角 位移驱动定位技术的需求也越来越广泛，在许多领域迫切需要大行程高分辨力的 角位移驱动定位系统，以实现高精度的定位。 课题对角位移驱动定位及检测技术进行了探索，通过研究角位移驱动定位及 检测技术的发展现状，在总结前人经验的基础上，提出了一种集成了高精度角位 移检测装置圆光栅的回转式压电微角度执行器系统，同时研究检测其角位移的角 度检测系统和驱动其工作的控制系统。 圆光栅回转式压电微角度执行器的结构创新地在压电执行器上集成了角位 移传感器，采用圆光栅与微驱动机构一体化的方案，同时结合运用了尺蠖运动原 理和柔性铰链机构进行设计，压电执行器的运动原理、柔性铰链设计、圆光栅集 成结构设计以及总体机械结构设计得到了详细论述；圆光栅检测信号的处理是根 据圆光栅信号的正交特性，采用硬件方面大数计数和小数软件细分的方法进行辨 向细分等处理，实现由单片机检测计算出角位移值，把检测结果引入控制环节， 圆光栅传感器、检测电路及单片机系统组成了角位移检测系统；控制系统方面采 用单片机产生四路驱动信号，并运用直流放大式原理设计压电陶瓷驱动电源，放 大控制信号驱动压电执行器。压电陶瓷驱动器电源的作用原理、分类以及设计特 点得到了介绍，压电陶瓷驱动电源的设计要求、方法、电路等方面的内容得到了 充分论述。 实验结果表明：圆光栅回转式压电微角度执行器的运动的最小步距达到纳米 级，行程为全圆周，系统实现了高精度定位。 关键词：微角度微驱动回转式执行器圆光栅压电尺蠖运动 a b s t r a c t m i c r o c o n t r o l l i n ga n dp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yi sh o ti s s u e si nt h ep r e s e n tw o r l d a n di ti so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si nn a n o t e c h n o l o g ym e a s u r e m e n ta n dp r o c e s s i n g t e c h n o l o g i e s w 衲t h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y t h em i c r o d i s p l a c e m e n t c o n t r o l l i n ga n dd e t e c t i n gs y s t e mw h i c hi sh i g hp r e c i s i o n ，h i g h r e s o l u t i o na n df l e x i b l e c o n t r o l l e di sn e e d e d ，s ot h a tc a l lb eu s e dd i r e c t l yw i t ht h ew o r ko ro t h e re q u i p m e n tt o c o m p l e t et h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fh i g hp r e c i s i o n ，i ti st h e s en e e d s c o n t r i b u t e s i g n i f i c a n t l yt ot h ed e v e l o p m e n to ft h em i c r o d i s p l a c e m e n td r i v i n ga n dp o s i t i o n i n g t e c h n o l o g y n ed e m a n do fm i c r oa n g u l a rd i s p l a c e m e n td r i v i n ga n dp o s i t i o n i n g t e c h n o l o g yi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ew i d e 。m a n ya r e a sn e e dh i g h r e s o l u t i o nb i g t r i pm i c r oa n g u l a rd i s p l a c e m e n tc o n t r o l l i n ga n dp o s i t i o n i n gs y s t e mu r g e n t l y , i no r d e r t oa c h i e v e h i g h - p r e c i s i o np o s i t i o n i n g r e s e a r c ho ft h ep a p e ri st h ee x p l o r a t i o no ft h em i c r oa n g u l a rd i s p l a c e m e n t d r i v i n ga n dp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y ，t h r o u g hr e s e a r c h i n gt h ed e v e l o p m e n ts t a t u so ft h e a n g u l a rd i s p l a c e m e n td r i v i n ga n dp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y ，a tt h ec o n c l u s i o no ft h e b a s i so fp r e v i o u se x p e r i e n c e ，a na n g l er o t a r yp i e z o e l e c t r i cm i c r o a c t u a t o rs y s t e m w h i c hi si n t e g r a t e dw i t hh i g h p r e c i s i o na n g u l a rd i s p l a c e m e n td e t e c t i o nd e v i c ec i r c u l a r g r a t i n gi sb r o u g h tu p ，a tt h es a l t l et i m ei t sa n g u l a rd i s p l a c e m e n td e t e c t i o ns y s t e ma n d d r i v es y s t e ma r er e s e a r c h e d n es t r u c t u r eo fc i r c u l a rg r a t i n gr o t a r y p i e z o e l e c t r i cm i c r o a n g l ea c t u a t o r i n n o v a t i v e l yi n t e g r a t e dw i t ha n g u l a rs e n s o r s ，t a k i n gt h eu s eo fi n t e g r a t e dc i r c u l a r g r a t i n gw i t ht h em i c r o d r i v eb o i i v 。c o m b i n e dw i t ht h eu s eo ft h ep r i n c i p l eo f i n c h w o r mm o v e m e n ta n df l e x u r eh i n g ed e s i g n p i e z o e l e c t r i ca c t u a t o rm o v e m e n t p r i n c i p l e ，t h ei n t e g r a t i o no ft h ec i r c u l a rg r a t i n g ，o v e r a l ld e s i g no ft h em e c h a n i c a l s t r u c t u r eh a sb e e nf o c u s e do ni nt h ep a p e r c i r c u l a r g r a t i n gd e t e c t i o ns i g n a l p r o c e s s i n gi sb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fo r t h o g o n a ls i g n a l u s e st h em e t h o d so f l a r g en u m b e r sc o u n t i n gi nh a r d w a r ea n ds m a l ln u m b e r ss u b d i v i s i o ni ns o f t w a r e a n d d e t e c t i o nb yt h es i n g l e - c h i pt oc a l c u l a t et h ev a l u eo fa n g u l a rd i s p l a c e m e n t d e t e c t i o n r e s u l ti sd r a w ni n t oc o n t r o l l i n gs e c t i o n 。c i r c u l a rg r a t i n gs e n s o r 。d e t e c t i o nc i r c u i ta n d s i n g l e - c h i ps y s t e mc o m p o s et h ed e t e c t i o ns y s t e m c o n t r o ls y s t e m su s e ss i n g l e c h i pt o g e n e r a t ef o u r - w a yd r i v es i g n a l ，a n da p p l yt h ed ca m p l i f i c a t i o ns t y l et od e s i g np z t p o w e r ，w h i c ha m p l yc o n t r o ls i g n a l t od r i v ep i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r 1 1 1 et h e o r y ， c l a s s i f i c a t i o na n dd e s i g nf e a t u r e so fp i e z o e l e c t r i cc e r a m i cd r i v i n gp o w e ra r e i n t r o d u c e d 。t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s m e t h o d sa n do t h e ra s p e c t so ft h ec i r c u i th a v e b e e nf u l l yd i s c u s s e d r n l ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ：t h em o v e m e n to fc i r c u l a rg r a t i n gr o t a r y p i e z o e l e c t r i cm i c r o a n g l ea c t u a t o ri sl i n e a r , t h es m a l l e s ts t e pa c h i e v e sn a n o s c a l e i t i n e r a r yi st h ew h o l ec i r c u m f e r e n c e k e yw o r d s ：m i c r oa n g l e ，m i c r od r i v e ，a c t u a t o r , c i r c u l a rg r a t i n g ，p i e z o e l e c t r i c i t y i n c h w o r mm o t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞墨堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：；长立签字日期：w 哆年上月“同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞墨堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： l 亨纽 签字嗍砷年上月日 导师签名：椎 签字嗍z 7 年厂月髟日 第1 章绪论 1 1 微驱动定位系统 第1 章绪论 微驱动定位系统是指系统产生的运动位移在几微米和几百微米的范围内，其 分辨率、定位精度和重复定位精度在纳米级的范围内。一套微驱动定位系统包括 微位移机构、控制系统和检测装置。微驱动定位系统的出现带动了诸如超大规模 集成电路加工、精密光学控制、超精加工、显微分析、人工智能控制等的飞速发 展，在国防、微电子、航空、航天、生物、制造等尖端领域发挥着极为重要的作 用【1 捌。 随着科学技术的发展，需要高精度、高分辨力、能够灵活控制的驱动及检测 系统，用以直接进行有关工作或配合其它仪器设备完成高精度的研究和应用，正 是这些需要，极大地促进了纳米位移驱动定位技术的发展。随着纳米科技的发展， 对角位移驱动技术的需求也越来越广泛，在纳米技术的许多领域，如微小机械零 件装配、m e m s 组装、细胞操作、精密光学工程、精密加工、精密测量、大规 模集成电路制造等领域，迫切需要大行程高分辨力的角位移驱动定位系统，以实 现高精度的定位 3 , 4 1 。 1 2 微位移执行器 执行器( a c t u a t o r ) 是指接受控制信息并对受控对象施加控制作用的装置，它 由执行机构和调节机构两部分组成，调节机构通过执行元件直接改变生产 过程的参数，使生产过程满足预定的要求，执行机构则接受来自控制器的 控制信息把它转换为驱动调节机构的输出，如角位移或线位移输出【5 】。微位 移执行器就是产生的位移在微米级范围内的执行器，是一类能够实现微米、亚微 米及纳米尺度超高精度位置执行与控制的致动器，微位移执行器是微驱动定 位系统中的重要组成部分。微位移执行器根据位移的类型可分为微线位移 执行器和微角位移执行器，微角位移执行器按工作原理可以分为六大类： 机械传动式、弹性变形式、电热式、磁致伸缩式、电磁式、压电式 6 4 1 。 1 机械传动微位移执行器 机械传动式微位移执行器在精密机械和仪器中应用广泛。其结构形式比较 多，主要有：螺旋机构、杠杆机构、楔块凸轮机构等，以及它们之间的组合机构。 第1 章绪论 机械传动式微位移执行器存在间隙、传动误差、摩擦损耗以及爬行现象等，其运 动灵敏度、精度很难达到微米级精度，故只适用于中等精度的微位移系统。 2 弹性变性微位移执行器 ( 1 ) 弹性缩小机构 这种微位移机构利用两个弹簧的刚度比进行位移缩小，这种缩小机构的缺点 是当微动台承受外力或部分摩擦力时，它将直接成为定位误差的因素，而且对于 步进状态的输入位移，容易产生过渡性的振荡。 ( 2 ) 杠杆式位移缩小机构 杠杆式位移缩小机构是微动机构中常见的一种形式。这种机构虽然能够通过 数级杠杆得到大的缩小比，但其定位精度易受末级杠杆回转支点和着力点的结 构、加工精度的影响。 3 电热式微位移执行器 电热式微位移是利用物体的热膨胀来实现微位移的。这种执行器结构简单， 操作方便。但由于传动杆与周围介质之间有热交换，从而影响位移精度。由于热 惯性的存在，不适于高速位移。当隔热不合理时，相邻的零部件由于受热变形， 以致影响整机的精度，这些原因限制了它的应用。 4 磁致伸缩微位移执行器 磁致伸缩微位移执行器是利用铁磁材料在磁场的作用下产生微伸长运动来 实现微位移的。但由于铁磁材料在磁场的作用下，除产生磁致伸缩外，还伴随着 受热伸长，因此其应用受到了限制。 5 电磁铁驱动的微位移执行器 这种执行器利用电磁原理，通过控制线圈中的电流大小来控制电磁力的大 小，使具有弹性支承的工作台产生精密微位移。它的缺点是电磁铁中始终要通过 一定的电流，结果由于发热而影响精度。此外这种执行器的位移阶跃响应存在瞬 间的振荡，灵敏度高时系统难于稳定。 6 压电陶瓷微位移执行器 压电电致伸缩陶瓷驱动的柔性支承微位移执行器是利用压电晶体的逆压电 效应来工作的。它的特点是结构紧凑，体积很小，无机械摩擦，无间隙，具有很 高的位移分辨率。使用压电或电致伸缩器件驱动，由于机电耦合效应进行的速度 很快，来不及与外界热交换，因此不存在发热问题，同时没有噪声，适用于各种 介质环境工作，是一种理想的微位移执行器【9 】。 压电微角度执行器是利用压电陶瓷逆压电效应形成机械回转式驱动或控制 的微角位移执行器，是近年来发展起来的新型驱动器。利用加在压电材料上面的 电压，通过其电致伸缩特性，产生与电压相应的形变，驱动工作台转动，精度达 2 第1 章绪论 几至几十角分。压电微位移执行器具有体积小、推力大、精度高、不发热、无噪 声、位移分辨力高和频响快等优点，可以广泛用于精密工程、生物仪器、机器人 以及光学仪器等各种高精度角位移驱动或者定位的场合。利用逆压电效应能够形 成的微角度驱动或控制装置可谓种类繁多，表1 1 给出了国内外近年开发或已经 应用的几类装置，可以看出在大部分工业与民用领域获得了开发与应用【l o ，l l 】。 表1 1 压电执行器的应用领域 机械行业机床的精密进给机构：刀具的磨损调整装置；动态振荡器； 制动器、锁紧装置及夹具的快速调整；挤压机喷嘴及铸造 导流板的控制；微流量泵电液伺服阀 精密器具 微机械手；隧道显微镜；印刷机的驱动机构；视频跟踪系 统：精密开关阀：超声波电动机；振动传输装置；快速喷 油吼柴油机；深层刻蚀装置；开关及接线装置；主动空气 轴承 光学激光测量系统及激光调制器；干涉及全息测量；光导纤维 的定位；反射镜跟踪装置与光束偏转系统；x 射线光刻与 微型光刻自动聚焦系统 生物医药生物材料微型操作器：盲文操作器：计量设备：微型喷嘴； 冲击发生器：肾结石破碎治疗机；器官超声波扫描器 1 3 微角度驱动技术国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 2 0 世纪6 0 年代初，美国国家标准局最先采用杠杆原理与柔性铰链结合的整体 式结构制造了压电驱动型微调工作台，其中压电元件的微量位移( 2 2 5 p m 1 0 0 0 经过两级杠杆放大产生3 8 p m 的位移量。施加1 5 0 0 v 的电压时，微动台可移动 5 0 t i n ，位移分辨率为0 0 0 1 a m 。该工作台被成功的应用于航天技术中【1 2 】。 2 0 世纪9 0 年代初，美国研究人员利用尺蠖运动原理研制了一种用磁致伸缩材 料直接驱动的旋转马达，该马达具有较大的扭矩，可以自锁，可双向运动，但是 运动分辨力只有8 0 0 p r a d 。2 0 世纪9 0 年代末，韩国研究人员在尺蠖运动原理的基 第1 章绪论 础上，使用两条摩擦带实现了旋转驱动，运动分辨力达到了2 3 6 1 x r a d ，但是其分 辨力与转子的半径有关。日本研究人员采用尺蠖运动原理获得了小于4 8 x 1 0 - 7 r a d 的旋转定位精度，但是其驱动范围只有7 r 2 1 1 3 1 。 美国于2 0 0 5 年又研制了飞船上使用的小型旋转驱动器，其直径为3 6 m m ， 长度为1 0 0 m m ，扭矩较大为3 5 n m ，但驱动分辨力并不高，只有5 0 0 t t r a d 。日本 工业技术设计院计量研究所，利用柔性铰链原理研制的角度微调装置，在3 分的 角度范围内达到了1 0 - 7 r a d 的稳定分辨力【1 4 】。 在某些场合既需要较大的行程同时需要高精度，压电驱动器的位移量比较 小，一般在几微米到几十微米。解决这一矛盾可采用粗精结合的方法来实现，即 采用两个工作台，粗工作台完成高速大行程运动，而由微动工作台实现精密进给。 日本日立制作所研制的x - y - 0 自由度微动工作台，其粗动台行程2 5 0m m x 2 5 0 m m ， 最高速度为1 0 0 m m s ，位移分辨率为0 5 p m ，3 自由度的微动工作台固定在粗动台 上，x ，y 行程为士8 t t m ，定位精度为士o 0 5 1 a m ，角度范围为1 6 0 ，分辨率为0 0 0 1 0 t i s 日本东芝株式会社杉原和佳等人研制成功了用于半导体制造的可回转9 0o 压 电陶瓷驱动回转台。通过压电陶瓷驱动的两个夹爪的松开与夹紧，配合驱动回转 台的两个压电陶瓷的伸长与缩短，实现回转台的大行程回转，其回转角度为9 0o ， 速度为3 2 x 1 0 - 2 r a d s ，角度分辨率为7 0 5 9 r a d ，精度为4 8 i t r a d 1 6 1 。 图1 - 1 为瑞士e t h z 机器人研究所开发的a b a l o n ei t 型惯性冲击式3 d o f 精密驱动器【1 7 1 。驱动器整体通过内腿上的三个红宝石球作为支撑，外腿悬空作为 惯性体使用而不再与支撑面接触。三 个压电体安装在弹性框架内，压电体 在缓慢增加的外电场作用下同时发 生剪切变形，通过3 粒红宝石在摩擦 力作用下推动滚针旋转一个微小角 度；外电场突然撤消，压电体急速回 复原位，而滚针在惯性作用下保持不 动，从而旋转了一个步距角，如此往 复形成驱动。性能：步距0 1 4m l f d ； 角度分辨率 l s 6 推力：大于1 0 n 。 根据使用的压电元件的尺寸设计压电电动机的外形尺寸，要求驱动器直径 s 1 1 0 m m ，回转角度微动台口径 1 0 0 0 p f 时，输出的脉冲宽度为： ，= 04 5r ，f 叫：0 1 ) 式中毋的单位是f o ( 井部定时电阻) ，乞的单位是p ，o 的单位是n s 为了得到最好的结果，系统的地线应加在c 。端。 图中管脚1 0 与正弦脉冲直接相连接，而管脚2 则由正弦脉冲接一个反向器 后得到。 按照公式( 3 - 1 ) 计算得出： ，。= 0 4 5 x 1 0 朋xz 0 0 0 0 ：, f = 4 5 0 0 0 , 2 s( 3 - 2 ) 图3 - 1 1 为转化的脉冲波形图。 r l s 姊 hp “n 撕m s 忧f e ，业幽曩 兰= l菩蚕l蹬一 垂 骼骼 菡 第3 章圆光栅回转式压电执行器角位移检测系统的设计 3 2 6 脉冲计数 本部分主要功能是判断圆光栅的转动方向是顺时针还是逆时针，由于圆光栅 每移动一个栅距，对应方向的计数器t 0 或者t l 对应加l ，然后圆光栅转动的位 移量转变为脉冲由t 0 和t 1 计数，从而实现了辨向和整周期计数。 s n 7 4 l s 0 8 d s n 了4 l s 0 8 d 图3 1 2脉冲计数 l m 3 3 9 输出的方波v 2 分别与7 4 l s l 2 3 输出的脉冲v 1 ”和v l ”经过7 4 l s 0 8 与运算后，由于圆光栅信号的正交特性，顺时针转时只有u 7 a 输出脉冲，逆时 针转时只有u 7 b 输出脉冲，分别送给单片机的t o 和t l 定时器，通过定时器t o 、 t l 计录圆光栅转动的整周期数。 3 3 检测系统软件设计 3 3 1 设计原理 大数计数检测出2 0 p m 倍数的位移量，为提高测量分辨率，要对不足整周期 的信号进行细分。把v 1 、v 2 接到单片机的a d 端，模数转换得到相应的数字量， 首先对不足一个周期的信号进行八细分，图3 1 3 是根据两个正交信号的极性和大 小区分的象限图，从图中可以看出，一个周期可以分成八个象限，在每个象限中 两个正交信号都有对应的大小关系【4 8 】。 第3 章圆光栅回转式压电执行器角位移检测系统的设计 图3 1 3信号象限图 正交信号v l 、v 2 在不同象限的大小和的极性由表3 - l 表示，由单片机软件判 断信号所在象限，进行八细分。 象限 v lv 2v l i i v 2 i l + 2 + 3 + 4 5 + 6 + 7 + 8 + 当iv ll i v 2 i ，e 0 在2 、3 、6 、7 象限时，求o 的余切值： 删= 踹 ( 3 4 ) 这两个值都在o n l 之间变化，用0 0 4 5 0 n 的t g o 值来表示，在单片机的内部数 据存储器用软件建立一个表格，用2 5 个数据存储- 0 元建立o o 4 5 0 的2 5 个角度正切 值，在此表中查询与算得的瞎。值或c t ；o 值最接近的存储单元，若该存储单元是正 4 1 第3 章圆光栅回转式压电执行器角位移检测系统的设计 切表的第k 个单元，则对应的细分数由表3 - 2 决定【4 9 5 0 】。 表3 - 2 不足整周期信号在各象限的细分数 t 9 4 5 。= 1 第2 5 个存储单元 象细分数 限 t 9 4 3 2 。= o 9 3 9 1 第2 4 个存储单元 lk 25 0 - k 35 0 + k t g ( k 1 8 。)第k 个存储单元 4 1 0 0 - k 51 0 0 + k 61 5 0 - k t 9 1 8 。= o 0 3 1 4 3 第1 个存储单元 71 5 0 + k t 9 0 。= 0 第0 个存储单元 82 0 0 - k 由此，圆光栅移动的位移为： s - l ( m 却i 2 0 t t m + x o 1 9 m ，( 2 - 5 ) 换算成角度为： 西= i ( m 邶i 。1 8 3 + x 。o 5 5 ( 2 6 ) 其中，s - 线位移， 妒一角位移， m - - t 0 计数值， n - _ t l 计数值， r 小数细分数 3 3 2 程序流程图 程序主要实现信号细分，测量结果数据处理及显功能，主要进行以下几个方 面的处理： 1 大数计数 2 小数细分计算 3 数据处理 4 数值显示 程序流程框图如图3 1 4 。 第3 章圆光栅回转式压电执行器角位移检测系统的设计 图3 - 1 4 程序流程框图 4 3 第4 章圆光栅回转式压电执行器驱动控制系统的设计 第4 章圆光栅回转式压电执行器驱动控制系统的设计 4 1 压电执行器控制系统设计 回转式压电电动机是通过夹紧器的放松与夹紧，驱动器的膨胀与收缩来驱动 回转平台而产生运动的。而夹紧器与驱动器则是利用压电晶体的逆压电效应特 性，由控制系统来控制压电晶体的膨胀与收缩以实现其功能的。 4 1 1 驱动控制信号 配合回转式驱动原理，驱动压电晶体的供电电压波形如下图4 - l 所示。图 示上方是供给夹紧器c 1 、c 2 压电晶体块的电压波形，而图示下方是供给驱动器 a 1 、a 2 压电晶体块的电压波形。在过渡区t r 时，由于c 1 和c 2 同时夹紧，因 此a 1 推与a 2 拉形成合力，同时驱动微动台运动。由于a 1 、a 2 运动上的搭接 以及供给驱动器的是三角波形，故其运动状态是连续的匀速转动，从而保证了运 动的平稳性。如果将c l 与c 2 、a 1 与a 2 驱动波形同时互换时，微动台将向相 反方向转动。 c 2 |ll、； 川 ” 八 。y c 1 nl a 2 。 x 沙 x i 蕊 心 a l a i 推 a 2 拉a l 推a 2 拉 图4 _ 1回转式压电执行器的驱动电压波形图 4 1 2 单片机控制系统的设计 产生如图4 1 所示的四路波形，c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机做为控制的核心，直接控 制行列式键盘和液晶屏完成运动参数及相关功能的设定，采用软件取反的方法， 从p l 口的两个引脚p i 6 和p 1 7 分别输出两路方波；另外两路三角波则通过片 第4 章圆光栅回转式压电执行器驱动控制系统的设计 内2 个1 2 位d a c 来输出。 控制系统的程序由主程序和执行子程序两部分组成。 主程序的功能是完成键盘扫描、l c m 显示和参数换算，这些功能是由 c 8 0 51 f 0 0 5 型单片机对字符型液晶显示模块及行列式键盘进行操作完成的。其中 行列式键盘规格为4 4 ，包括0 曲一共1 0 个数字键和6 个功能键。程序主要包 括以下步骤：对l c m 进行初始化，即对l c m 送入总清除命令，设置功能、 输入模式等各种显示参数；显示提示符v ( 电压) ，h z ( 频率) ，s ( 运行步数 位移量) ；通过键盘上的数字键输入频率、电压、运行步数位移量的设定值。 控制系统的主程序框图如图4 3 所示。 执行子程序的功能是产生如图4 1 所示的四路波形。在这四路波形中以三 角波为基准，当三角波达到峰值或零点时，方波进行取反。由图4 1 可知，对于 每一路三角波而言，其上升和下降的频率是不同的；而两路三角波相比较，其上 升和下降的频率是相反的，并且两路三角波还有一定的相位差。由图4 - 2 分析可 知，在t 1 阶段，两路三角波的频率是相同的，不同的是一路上升，一路下降， 因此只需使用一个定时器；在t 2 阶段，两路三角波同时上升，但频率不同，这 就需要使用两个定时器；而t 3 阶段与t l 阶段相同，t 4 阶段与t 2 阶段相同。 因而要在执行子程序中交替使用1 个和2 个定时器，并用查询的方式编写定时器 程序，执行子程序的框图如图4 - 4 所示。 u 。 。 。上。乙j j t l砣 图铊 t 3t 4 波形分析图 控制系统的主要功能是产生四路时序波形，即两路三角波和两路方波，然 后经过直流放大器后，加载到压电陶瓷微位移致动器上，驱动压电执行器工作， 使其完成顺时针、逆时针、单步或者多步角位移。 4 5 第4 章圆光栅回转式压电执行器驱动控制系统的设计 单片机初始化 土 l c m 初始化 上 显示提示符 j 3 土 设定频率、电压值及 运行步数，位移量 上 参数计算 上 定时器初始化 图4 - 3 控制系统的主程序框图 第4 章圆光栅回转式压电执行器驱动控制系统的设计 图钳执行子程序框图 4 7 第4 章圆光栅回转式压电执行器驱动控制系统的设计 4 2 压电陶瓷驱动电源设计 从理论上来说，设计和选定了微位移机构和压电陶瓷致动器后，系统的位移 精度和分辨率主要取决于驱动电源。驱动电源对压电陶瓷机构的微位移性能影响 很大，特别是机构的动态特性，可以说完全取决于驱动电源的动态性能。这就要 求压电陶瓷驱动电源具有高精度、高分辨率和优良的稳定性等性能指标。因此， 压电陶瓷驱动电源技术已成为目前压电执行器应用中的关键技术。 从c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机输出的信号最大也只有3 3 v ，本课题要研制的压电陶 瓷驱动电源主要作用是把单片机控制系统输出的小电压信号转换为o 2 0 0 v 高电 压输出信信号，进而驱动控制压电执行器。 4 2 1 压电陶瓷驱动电源类型 压电陶瓷器件是一种高精度微位移器件，从理论上讲，它可以获得无限小的 位移。但是由于受到驱动电源分辨率和波纹的影响，压电陶瓷所能达到的分辨率 是有限的，因此有必要研制高精度、高稳定性的压电陶瓷驱动电源。目前各种专 用压电陶瓷驱动器驱动电源很多，但从原理上讲，驱动器电源可分为电荷控制型 和电压控制型 5 1 - 5 3 。 电荷控制型驱动电源的原理如图4 5 所示。这种电源在一定程度上能够有效改 善p z t 的迟滞及蠕变特性，但其充电电流较小，响应时间很长，一般可应用开环 静态场合，对于有较高频率响应要求或带有位移检测元件的闭环控制系统则无法 使用。 图4 5电荷充电式驱动电源原理图 4 8 第4 章圆光栅回转式压电执行器驱动控制系统的设计 电压控制型驱动电源主要有两种形式：一种是基于直流变换器原理的开关式 驱动电源，其电路原理如图4 - 6 所示，开关型电源采用p w m 调制技术，成本低、 效率高，但其纹波大、动态频率响应范围很窄，采用此类电源容易产生p z t 共 振，一般只应用于位移精度要求很低的静态工作方式。 图4 - 6 开关式压电陶瓷驱动器电源原理图 电压控制型电源中的另一种是直流放大式电源是，其原理如图4 7 ，这种电 源的特点是便于实现高精度和高频响，但效率低。高频响和高精度，这在电路设 计上是一对矛盾，实现起来有一定难度，但从发展趋势看，这种电源是大有前途 的。直流放大式电源在频率响应、线性度、稳定性、电压精度、纹波等方面均明 显优于电荷控制型和开关型电源，所以尽管其成本高、功耗较大，目前仍是压电 陶瓷驱动电源理想的工作方式1 5 4 1 。 图4 7 直流放大式压电陶瓷驱动电源原理图 4 2 2 压电陶瓷驱动电源的设计要求 根据压电陶瓷微位移致动器的作用原理、结构形式、实际应用以及压电执行 器中所选用的压电晶体块的特性，对驱动电源提出如下设计要求： 1 可控性。实际应用系统中，压电陶瓷传感器的位移输出大小应灵活可变，故 第4 章圆光栅回转式压电执行器驱动控制系统的设计 驱动电源的输出也应连续可调，针对本文所选用的p t b s 2 0 0 型压电陶瓷，驱动电 源输出要求至少要在0 - 2 0 0v 的范围内连续可调。 2 分辨率。p t b s 2 0 0 1 01 0 1 0 型压电陶瓷在2 0 0 v 驱动电压的作用下产生1 0 , , m 的 微位移，则分辨率为2 0 v , , m ，如果要实现0 1 , u r n 的位移，则驱动电源必须提供高 于2 v 的分辨率。 3 稳定性。稳定性受多方面因素的影响，如电源设计，器件的热稳定性及其相 关质量，电网电压变化，负荷变化等因素，所以除了在电路设计上采用反馈回路、 高性能器件外，应将更多的精力放在计算机控制方面。由计算机控制输入量的变 化而达到电源的稳定，所以驱动电源应有与微机的接口。 4 驱动能力。压电陶瓷微位移传感器输出对外加驱动电压的响应速度，主要取 决于驱动电源驱动电流的大小，因此，驱动电源应具有很强的驱动能力。 5 静态纹波。纹波的存在会导致陶瓷伸缩的波动，波动量的大小取决于纹波的 大小。由于压电陶瓷驱动器主要应用于精密微位移技术领域，为了保证压电陶瓷 微位移传感器的输出位移精度，应该尽量减小驱动电源的静态纹波电压。 要同时满足以上所有条件是比较困难的，因此就实际情况做出以下设计指 标：高压稳压电源输入大于2 2 0 v ；放大电路输出电压0 2 0 0 v 频率要求0 - 4 0 h z ； 由于控制系统输出信号的幅值小于3 3 v ，因此要求放大倍数在6 0 倍以上。 4 2 3 总体设计 压电陶瓷驱动电源目前大多采用相对简单的电压控制型驱动电源，直流放大 式电源是电压控制型电源中的一种，特点是便于实现高精度和高频响，本课题采 用直流放大式原理设计驱动电源。 根据该原理和设计要求，设计框图如图4 8 所示，图中v i 为2 2 0 v 交流输入， 经整流滤波后，通过稳压给放大电路提供电源，单片机控制系统提供输入信号o 3 3 v ，经放大电路后得到0 - - - 2 0 0 v 电压，给压电陶瓷晶体供电。考虑到压电陶 瓷的容性负载特性，电源的电流调整率指标可不予考虑，提高电压调整率是提高 稳压性能的关键，采用两级稳压，以提高驱动电源的输出精度。 图舢8压电陶瓷驱动电源设计框图 v o 第4 章圆光栅回转式压电执行器驱动控制系统的设计 4 2 4 放大电路设计 图4 - 9 为线性放大电路原理图，由p a 8 5 和o p 0 7 串联，组成负反馈放大电 路。复合放大器的输入电压为0 3 3 v ，输出电压为0 - - 2 0 0 v ，由此确定复合放 大器的放大倍数为6 0 。增益过大会影响运放的稳定性，在该电源中选定p a 8 5 的闭环放大倍数为3 1 ，o p 0 7 与p a 8 5 串联，二者共同提供6 0 的放大倍数。根据 放大倍数的分配确定r 2 = 2 k q ，r 4 = 5 5 k o ，r 9 = 1 0 k q ，r 1 0 - - 1 6 0 k q ，r 11 = 2 0 0 k f 2 。 电路中的反馈电容和为了提高在高频情况下的稳定性，放大器输入端的二极管把 放大器的正负输入端的电压钳位在范围内，对运放起保护作用。 图4 - 9 驱动电源直流放大电路 p a 8 5 是a p e x 公司生产的高电压、大功率宽带m o s f e t 运算放大器，输出 电流达2 0 0 m a ，单端供电时书电压可以高达4 4 0 v ，它在安全操作区( s o a ) 没有二 次击穿的限制，通过选择合适的限流电阻可以观察到任何负载下的安全操作曲 线。p a 8 5 的额定工作参数如下：供电电压+ v s 一v s ：4 4 0 v 一1 5 v ；2 2 5 v 一2 2 5 v ；3 3 0 v - 一1 5 ；输出电流连续值：2 0 0 m a ：功率耗散：3 0 w ：输 入差模电压：4 - 2 5 v ；输入共模电压：士v s ；转换速率：1 0 0 0 v , u s 。 根据a p e x 公司提供的p a 8 5 的资料，如图4 1 0 ，这里的增益与2 0 接近， 由此可以确定相位补偿电容和电阻为：f r 6 为r c ) r 5 = 3 3 0 q ，( c 3 为c c ) c 6 = 1 0 p f o 第4 章圆光栅回转式压电执行器驱动控制系统的设计 输入失调电压补偿：在室温及 标准电源电压下，输入电压为零时， 为了使输出电压为零，在输入端加 的补偿电压叫做失调电压。p a 8 5 的最大输入失调电压为2 m v , 对要 求分辨率为1 0 m v 以下的压电陶瓷 驱动电源，这个输入特性不能够满 足要求。因此，在该电源线性放大 部分采用o p 0 7 和p a 8 5 的复合放大 器，从而输入的失调电压由输入失 调电压较小的前置放大器o p 0 7 来 决定，o p 0 7 的最大输入失调电压为 7 5 9 v ，7 5 9 v 6 0 = 4 5 m v 1 0 m v ，满 足输入特性的要求。 q n n p h a s ec o 瓤p e 囊略a n o n g a i n c 艮 16 反；f1 0 渤 2 0 1 0 0 f 3 3 1 0 0 3 3 p f 0 t ) 图4 _ 1 0p a 8 5 相位补偿 由图4 - 1 1 和4 - 1 2 的驱动响应和转换速率图可以知道，当c 6 = 1 0 p f , 输出2 6 0 v 电压时，p a 8 5 的闭环带宽约为5 0 0 k ，转换速率4 0 0 v 誓s 。而压电晶体工作时所 选的频率不超过1 0 0 h z ，转换速率也完全能够满足要求【5 5 】。 、 i i 炉 譬6 弋 ： 、 、 、 l o 。咚 、 、 、 i 毫、 、 h i 、 ll 、 、 r l ：2| ( n i1 5 0 k 眯瑚k 鼢k1 睢搠鲥 f r e q u e n c y ，f ( 嘲 图4 - 1 1p a 8 5 驱动响应图 4 2 5 前级稳压电路设计 1 0 氅5 0 0 ； u j - 芷 至2 0 0 1 0 d 、 | | f 、 01 53 04 56 07 5 e x t c o m p e n s a t i o nc a p a c i t o r , c c ( 旧 图4 - 1 2p a 8 5 转换速率图 放大电路部分需要一个3 3 0 v 高压稳压电源，它的稳定性将直接影响到运放 p a 8 5 的正常工作，从而影响驱动电源输出电压的稳定性，也就会使压电陶瓷微 位移器发挥不出其精度和位移分辨率高的优点。因此，对于该高压稳压电源，我 翳 药琵 5 2 1 1 一梦一岁山。墨o卜nd_l30 第4 章圆光栅回转式压电执行器驱动控制系统的设计 们的基本设计思想是选用低耐压的稳压集成块，采用悬浮式电路，适当增加保护 元件，以实现高精度可控稳压输出【5 6 1 。 采用l m 7 2 3 c n 的一种拓展电路，稳压输出高达2 5 0 v 以上。具体电路参见 图4 1 3 。2 2 0 v 交流电直接整流滤波后再由l m 7 2 3 c n 进行稳压，对于该电路， 其输出电压，电流表达式如下： 形= 粤譬】 ( 4 - 1 ) 乞时= 了r s e n c e ( 4 2 ) a 彤 对于所选取的l m 7 2 3 c n ，取值范围为6 8 v - - 7 5 v ，工作时取其典型值 为7 1 5 v ，如果取足为3 6 k 。l m 7 2 3 c n 输入输出压差不超过4 0 v ，保证它的正 常工作，我们取其差值为2 0 v ，整流后的直流电压约为2 9 0 v ，那么要输出2 7 0 v 的电压，尼应该为2 7 0 k ，而