（精密仪器及机械专业论文）六自由度纳米工作台驱动控制方法及系统研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 微位移驱动技术是精密测量与精密制造的关键技术之一。随着微纳制造技术的快 速发展，需求纳米级驱动控制技术的领域越来越多。本学位论文选题来源于国家自然 科学基金“纳米三坐标测量机关键技术的研究”，重点研究用于微小器件表面形貌测 量的全场并行共焦显微镜关键部件一一六自由度纳米工作台的驱动技术及驱动系统， 实现微动平台的快速调整、高精度定位和微型化。 六自由度纳米工作台采用单层结构，由八个压电陶瓷驱动器并行驱动，因此必须 建立工作台位移与各驱动器驱动量之间的关系；压电陶瓷驱动器具有位移分辨率高， 体积小，响应快，输出力大。不发热等优点但其固有的迟滞和蠕变严重影响了它的 定位精度；驱动电源的品质直接影响工作台的定位精度，而目前市场上有售的压电陶 瓷驱动电源，输出通道数、体积、输出电压稳定性均难以满足课题研制的六自由度微 动工作台并行驱动的需求。 因此本论文围绕六自由度纳米工作台高精度驱动控制技术开展了系统深入的研 究，主要的研究工作和创新点如下： ( 1 ) 建立六自由度纳米工作台并行驱动控制模型 根据六自由度纳米工作台的结构参量，建立了工作台三个移动参量及三个转动参 量与八个压电陶瓷驱动器驱动量之间的数学关系。 ( 2 ) 研究压电陶瓷驱动器高精度的开环控制方法 所研制的六自由度工作台有微型化要求，没有安装位移传感器的空间，只能采用 开环控制。而压电陶瓷驱动器的迟滞、蠕交特性严重影响开环控制精度。因此从压电 陶瓷材料的变形机理入手，深入研究了压电陶瓷驱动器的迟滞特性和蠕变特性，提出 了压电陶瓷驱动器的“抗迟滞”和“抗蠕变”高精度开环控制方法。实验结果表明： 压电陶瓷驱动器的最大迟滞误差下降了9 0 左右，蠕变误差也减小了一个数量级，定 位稳定时闻也大大缩短，使通过开环控制实现六自由度的高精度定位成为可能。上述 驱动方法已申请2 项国家发明专利，其中1 项已获批。 ( 3 ) 研制微型化多通道高精度压电陶瓷驱动电源 性能良好的驱动电源是实现压电陶瓷高精度定位的关键，本论文研究主要从拓展 通道数、降纹波、抗干扰、减小体积和控制放大器工作温度等几个方面入手，自行研 制出了微型化低纹波的多通道压电陶瓷驱动电源，并完成了相应的特性标定实验。经 测试，八路电源输出电压的非线性误差小于o 0 5 ，分辨率为6 m y ，静态电压纹波小 于9 m y ，功率带宽可达5 k h z ，连续输出电流可达l ，5 a ，连续工作8 小时电压变化量小 于0 o l ，体积仅为2 8 0 2 6 0 1 2 0 m m ( 博实三通道压电陶瓷电源体积为 3 8 5 * 1 5 0 3 4 0 m m ) ，满足压电陶瓷驱动的要求。 ( 4 ) 六自由度纳米工作台驱动实验研究 工作台实际的结构参量与其理论值间存在差异，各驱动器特性也不完全一致，因 此对六自由度纳米工作台进行了各自由度的位移特性标定实验，确定了各自由度的驱 动特性，并建立了修正后的六自由度并行驱动控制模型，继而对纳米工作台的最终运 动精度进行标定，实验验证了前期的研究成果。六自由度纳米工作台的最大重复性误 差小于2 8 n m ，可以满足全场并行共焦检测插值采样的需求。 关键词：纳米工作台，压电陶瓷驱动器，开环控制方法，高压驱动电源 a b s t r a c t m i c r o - d i s p l a c e m e n tt e c h n o l o g y i so n eo ft h e k e yt e c h n o l o g i e si np r e c i s i o n m a c h i n e r ya n dp r e c i s i o ni n s t r u m e n t sf i e l d s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o n a n o m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , t h e r ea r em o r ea n dm o r ef i e l d sn e e dn a n o d r i v e nc o n t r o l t e c h n o l o g y t h ed i s s e r t a t i o ni sb a s e do nt h ep r o j e c ts p o n s o r e db yt h en a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no f ”n a n o - c m mk e y t e c h n o l o g yr e s e a r c h ”，f o c u s0 nt h ed r i v i n g t e c h n o l o g ya n ds y s t e m so fas i xd e g r e e so ff r e e d o mn a n o t a b l ew h i c hi st h ek e y c o m p o n e n t so ft h ew h o l ef i e l dp a r a l l e lc o n f o c a lm i c r o s c o p eu s e df o rm e a s u r i n gs u r f a c e t o p o g r a p h yo fs m a l ld e v i c e s ，t or e a l i z a t i o nt h er a p i d a d j u s t m e n t ，h i g h - p r e c i s i o n p o s i t i o n i n ga n dm i n i a t u r i z a t i o no ft h em i c r o - p l a t f o r m s i xd e g r e e so ff r e e d o mn a n o - t a b l ew i t hs i n g l e - l a y e rs t r u c t u r ei sd r i v e nb yt h ee i g h t p a r a l l e lp z t , t h e r e f o r ei t sn e c e s s a r yt oe s t a b l i s ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et a b l e d i s p l a c e m e n ta n dt h ed r i v i n gv o l u m eo fe v e r yp z t t h ep z ta c t u a t o rd e m o n s t r a t e s s u p e r i o rc h a r a c t e r i s t i c so fh i g hd i s p l a c e m e n tr e s o l u t i o n ，m i n i a t u r es i z e ，h i g h f r e q u e n c y r e s p o n s e ，s t r o n gp o w e r ，n og e n e r a t eh e a te t c b u tt h ei n h e r e n th y s t e r e s i sa n dc r e e pe f f e c t t h ea p p l i c a t i o no fp z tb a d l y t h eq u a l i t yo fp z tp o w e rs u p p l yw i l li m p a c tt h ep o s i t i o n i n g a c c u r a c yo ft a b l ed i r e c t l y a tp r e s e n t ，t h ep z tp o w e rs u p p l yi nm a r k e tf o rs a l e ，n o to n l y t h en u m b e ro fo u t p u tc h a n n e l s ，b u ta l s ot h ev o l u m ea n do u t p u tv o l t a g e s t a b i l i t ya r e d i f f i c u l tt om e e tt h ed e m a n d so ft h ep a r a l l e ld r i v i n go fs i xd e g r e e so ff r e e d o mn a n o t a b l e i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，c a r r i e do u tas y s t e m a t i cs t u d yi nd e p t ha b o u tt h eh i g h p r e c i s i o n d r i v i n gc o n t r o lt e c h n o l o g ya r o u n dt h es i xd e g r e e so ff r e e d o mn a n o t a b l e t h em a i nw o r k s a n di t so r i g i n a l i t yo ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ee s t a b l i s h m e n to fs i xd e g r e e so ff r e e d o mn a n o t a b l e p a r a l l e lc o n t r o lm o d e l i na c c o r d a n c ew i t ht h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so fs i xd e g r e e so ff r e e d o mn a n o t a b l e ，t h e m a t h e m a t i c a l r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h r e em o b i l ew o r k s t a t i o n s p a r a m e t e r sa n dt h r e e r o t a t i o np a r a m e t e r sw i t ht h ed r i v i n gc a p a c i t yo f e i g h tp z th a v eb e e ne s t a b l i s h e d ( 2 ) t h er e s e a r c ho nh i g h p r e c i s i o no p e n - l o o pc o n t r o lm e t h o do fp z t be c a u s et h er e q u i r e m e n t so fm i n i a t u r i z a t i o n ，t h e r ei sn os p a c ef o rt h ei n s t a l l a t i o no f d i s p l a c e m e n ts e n s o ro nt h e s i xd e g r e e so ff r e e d o mn a n o t a b l e ，o n l yt h eo p e n - l o o pc o n t r o l c o u l db ea d o p t e d b u tt h eh y s t e r e s i sa n dc r e e po fp z ti m p a c tt h e o p e n l o o pc o n t r o l a c c u r a c yb a d l y f r o mt h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h ep z t ，t h eh y s t e r e s i sa n dc r e e p c h a r a c t e r i s t i c so fp z th a v eb e e ns t u d i e dd e e p l y t h eh i g h - p r e c i s i o no p e n 1 0 0 pc o n t r o l m e t h o do fp z t ”a n t i l a g ”a n d ”a n t i c r e e p ”a l s oh a v eb e e nm a d e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a t ：t h eh y s t e r e s i se r r o ro ft h ep z th a sb e e nr e d u c e da b o u t9 0 ，t h ec r e e pe r r o ra l s o b er e d u c e do fa no r d e ro fm a g n i t u d e ，a n dt h el o c a t i o nt i m eh a sb e e ng r e a t l ys h o r t e n e d ，i t m a k e st h ea d o p t i o no fo p e n - l o o pc o n t r o lt oa c h i e v eh i g h - p r e c i s i o np o s i t i o n i n go fs i x d e g r e e so ff r e e d o mb e c o m ep o s s i b l e t h ea b o v e m e n t i o n e dm e t h o d sh a v ea p p l i e df o rt w o n a t i o n a li n v e n t i o np a t e n t s ，w h i c hh a v eb e e ng r a n t e do n e ( 3 ) t h ed e v e l o p m e n to fm i n i a t u r i z e dm u l t i c h a n n e lh i g h p r e c i s i o np z tp o w e rs u p p l y g o o dp e r f o r m a n c eo fd r i v i n gp o w e rs u p p l yi st h ek e yt oa c h i e v eh i g h p r e c i s i o n p o s i t i o n i n go ft h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i c i nt h i sp a p e r ，m a i n l yf r o mt h ee x p a n s i o no f p o w e r c h a n n e l - c o u n t ，l o w e rr i p p l ea n di n t e r f e r e n c e ，r e d u c i n gt h ev o l u m ea n dt e m p e r a t u r e c o n t r o lo fa m p l i f i e rs u c ha sa s p e c t s ，d e v e l o p e do w nm i c r o - l o wr i p p l eo ft h em u l t i - c h a n n e l p z tp o w e rs u p p l y ，a n dc o m p l e t e dt h ec o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t so f t h ec a l i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s b yt e s t i n g ，t h eo u t p u tv o l t a g eo fe i g h tc h a n n e l ss h o w sg o o dl i n e a r i t y ，t h e n o n l i n e a re r r o ri sl e s st h a n0 0 5 t h er e s o l u t i o ni s6 m y ，t h es t a t i cr i p p l ev o l t a g ei sl e s s t h a n9 m v ，t h ep o w e rb a n d w i d t hc o u l db e5 k h z ，t h ec o n t i n u o u so u t p u tc u r r e n tc o u l db e 1 5 a ，t h ev o l t a g ev a r i a t i o ni sl e s st h a n0 0i a f t e re i g h th o u r sc o n t i n u o u sw o r k i n g t h e v o l u m eo fp o w e rs u p p l yi so n l y2 8 0 宰2 6 0 12 0 r a m ( t h ev o l u m eo ft h r e e c h a n n e lp z t p o w e rs u p p l yo fb o s h ii s3 8 5 1 5 0 3 4 0 r a m ) ，t h ep o w e rc o u l ds a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so f p z td r i v i n g ( 4 ) t h er e s e a r c ho nd r i v i n ge x p e r i m e n t so fs i xd e g r e e so ff r e e d o mn a n o t a b l e t h e r ea r ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ea c t u a lp a r a m e t e rv a l u e sw i t ht h et h e o r e t i c a lv a l u e s o ft h et a b l e ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep z ti sn o te x a c t l yt h es a m e ，s ot h ed i s p l a c e m e n t c a l i b r a t i o ne x p e r i m e n t so ns i xd e g r e e so ff r e e d o mn a n o t a b l eh a v eb e e nm a d e ，t h ed r i v i n g c h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u sd e g r e e so ff r e e d o mh a v eb e e nd e t e r m i n e d ，a n de s t a b l i s h e da r e v i s e ds i x d e g r e eo ff r e e d o mp a r a l l e l - d r i v e nc o n t r o lm o d e l ，t h e nt h ef i n a lc a m p a i g n p r e c i s i o no ft h en a n o - t a b l eh a sb e e nc a l i b r a t e d ，t h ep r e l i m i n a r yr e s e a r c hr e s u l t sh a v eb e e n v e r i f i e d b ye x p e r i m e n t s t h el a r g e s tr e p e a t a b i l i t y e r r o ro fs i x d e g r e e so ff r e e d o m n a n o - t a b l ei sl e s st h a n2 8 n m ，c o u l dm e e tt h en e e d so ft h es a m p l ei n t e r p o l a t i o nf o rw h o l e c o n f o c a lm i c r o s c o p ei np a r a l l e l k e y w o r d s ：n a n o - t a b l e ，p z t ，o p e n l o o pc o n t r o lm e t h o d ，h i g h v o l t a g ep o w e rs u p p l y 目录 插图清单 1 - 1 机械式微位移机构2 1 - 2 电热式微位移机构2 卜3 磁致伸缩微位移机构3 卜4 电磁力微位移机构3 1 - 5 压电陶瓷驱动微位移机构3 1 - 6 基于参考模型的开环控制框图5 卜7 五自由度精密定位平台6 1 - 8 三维微动工作台结构图6 卜9 多杆式六轴并行驱动纳米定位系统7 卜1 0 开关式压电陶瓷驱动电源原理图8 1 一l l 直流放大式压电陶瓷驱动电源原理图。8 1 - 1 2p i 公司压电控制模块图j 9 卜1 3 英国l t g 公司的l p z l 0 0 0 型压电驱动器9 卜1 4h p v 系列压电陶瓷电源9 卜1 5d w y 型压电陶瓷电源9 2 1 并行共焦检测的原理图一1 1 2 - 2 六自由度纳米工作台结构示意图1 2 2 - 3 微动工作台结构简图1 3 2 4 工作台沿x 方向直线运动及绕x 轴旋转示意图1 4 3 - 1 压电陶瓷层叠结构2 1 3 - 2 压电陶瓷蠕变曲线2 2 3 - 3 压电陶瓷迟滞曲线2 2 3 - 4 压电陶瓷驱动器晶体结构图2 3 3 - 5 实验装置系统框图2 4 3 - 6 压电陶瓷驱动器蠕变实验软件流程图2 5 3 - 7 压电陶瓷驱动器往返驱动蠕变曲线2 7 3 - 8 压电陶瓷驱动器全行程不同位置蠕变曲2 8 3 - 9 不同电压增量蠕变平均值曲线2 9 3 一1 0 “反向电压附加驱动 电压控制方式示意图3 0 3 - 11 “反向电压附加驱动”程序流程图3 0 3 1 2 控制程序界面图3 0图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 目录 图3 13 压电陶瓷驱动器全行程不同位置抗蠕变特性曲线3 1 图3 一1 4 压电陶瓷驱动器不同电压增量抗蠕变特性曲线3 3 图3 1 5 压电陶瓷驱动器往返驱动抗蠕变特性曲线一3 4 图3 1 6 “脉动电压驱动”控制电压示意图3 6 图3 一l7 抗迟滞实验程序流程图3 6 图3 一1 8 抗迟滞实验程序界面图3 6 图3 19 传统驱动模式位移特性曲线图3 8 图3 2 0 抗迟滞驱动模式位移特性曲线图3 8 图3 - 212 号压电陶瓷驱动器位移特性曲线图4 l 图3 2 21 号驱动器重复装夹后位移特性曲线图4 3 图3 2 3 压电陶瓷电压位移值拟合曲线4 6 图3 2 4 非线性修正程序流程图4 6 图3 2 5 非线性修正程序界面图4 6 图4 1 多通道压电陶瓷驱动电源系统结构框图4 9 图4 - 2 铁氧体磁珠对高频噪声的抑制图“5 0 图4 - 3 模拟控制信号模块5 0 图4 - 4 多通道压电陶瓷电源程序流程图：5 1 图4 - 5 多通道压电陶瓷电源程序面板图5 1 图4 - 6 高压功率放大电路原理图5 2 图4 - 7 功率运算放大器引脚图5 3 图4 - 8 功率运算放大器的电源旁路5 3 图4 - 9 高压功率放大电路实物图一5 4 图4 1 0 一般直流稳压电源输出电压纹波图5 5 图4 113 i o v 直流稳压电源电路图5 6 图4 1 23 1 0 v 直流稳压电源输出电压纹波图。5 6 图4 一l3 放大器温度失效比率图5 7 图4 1 4p a 9 3 温度与静态电流关系图5 7 图4 - i5 温度与输出电压纹波关系曲线图5 7 图4 一1 6p a 9 3 温度特性试验装置5 8 图4 17 半导体制冷片原理示意图5 9 图4 1 8 温度控制系统原理框图5 9 图4 1 9 多通道压电陶瓷电源性能测试实验装置6 0 图4 2 0 拟合电压与输出电压曲线6 l 图4 2l 直流3 0 0 v 输出时的电源纹波6 2 图4 2 2 压电陶瓷电源频率响应图6 3 目录 4 2 3 八通道压电陶瓷电源实物图6 4 5 1 六自由度微动工作台实验装置照片6 6 5 - 2 双向铰链微动台机械结构6 6 5 3 六自由度工作台驱动器位置示意图6 7 5 4 工作台驱动控制界面6 7 5 5 标定六自由度微动工作台x 向直线位移特性示意图、6 8 5 6x 轴直线位移驱动电压与位移图6 9 5 7 绕x 轴旋转电压与转角图7 0 5 - 8 标定六自由度微动工作台绕x 轴旋转特性示意图7 0 5 9 标定实验程序框图7 2 图图图图图图图图图图 目录 表格清单 表3 1 往返行程中蠕变量对比表2 6 表3 2 不同电压增量情况下的蠕变平均值2 8 表3 - 3 全行程中不同位置蠕变特性对比表i 3 2 表3 - 4 不同电压增量抗蠕变特性对比表3 3 表3 5 往返行程中不同驱动方法蠕变特性对比表3 4 表3 - 6 抗蠕变驱动与普通驱动蠕变误差对照表3 5 表3 - 71 号驱动器抗迟滞驱动与传统驱动位移比较数据3 7 表3 - 8i 号驱动器在5 0 - i 5 0 v 电压范围两种驱动模式的位移比较数据3 8 表3 - 9l 号驱动器在0 一l o o v 电压范围两种驱动模式的位移比较数据3 9 表3 102 号驱动器在o - 2 0 0 v 电压范围两种驱动模式的位移比较数据3 9 表3 113 号驱动器在0 一l o o v 电压范围两种驱动模式的位移比较数据4 1 表3 1 24 号驱动器在o 一1 0 0 v 电压范围两种驱动模式的位移比较数据：4 1 表3 一1 3l 号驱动器重复装夹实验数据表4 2 表3 1 4 压电陶瓷非线性修正数据表4 5 表4 1 压电陶瓷电源纹波随温度变化测试表：5 8 表4 - 2 压电陶瓷电源各通道输出电压值表6 1 表4 - 3 压电陶瓷电源纹波测试表6 2 表4 - 4 压电陶瓷驱动电源电压漂移表6 2 表4 - 5 压电陶瓷驱动电源主要性能指标6 4 表5 1 部分x 向直线位移标定数据6 8 表5 - 2 绕x 轴旋转标定数据表7 0 表5 3 六自由度微动工作台运动特性标定结果7 3 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及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 金胆王些盘堂 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已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 一虢嘶 签字日期：2 口。7 年7 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金胆 王些盔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，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业去向： 工作单位： 通讯地址： 导师躲字娇q “，d 稗眺千7 咖 电话： 邮编： 一扔丫l 拖 名 年 签， 髫 净 文 期 忿 巨 衔 字 致谢 本论文是在导师余晓芬教授的悉心指导和关怀下完成的。余老师渊博的知 识、严谨的治学态度、和诲人不倦的敬业精神，使我受益匪浅，余老师在论文 选题、学习、生活上给了我无微不至的关心和帮助，对我的成长倾注了大量心 血，使我得以顺利地完成课题。余老师活跃的学术思想、锲而不舍的工作精神， 以及精益求精的科研态度给我留下了深刻的印象，将成为我今后学习工作的楷 模，在此谨向余老师表示衷心的感谢和最诚挚的敬意。 在整个研究过程中，还受到了费业泰教授和范光照教授的指导和无私帮助， 无论是在实验阶段和论文阶段，两位专家都不辞辛苦地给予我大量的指点，并 提供实验设备，在此对他们表示最诚挚的谢意。此外，还得到学院的徐从裕、 王永红、黄英、王标、奚琳、杨蓓蓓、余卿、马文平等多位老师和同学的帮助， 在此对他们表示最诚挚的谢意。 感谢我的父亲和亲人，他们的殷切期望和鼓励是我不断前进的动力。他们 对我论文的完成及研究工作给予了全力支持，在此向他们表示深深的谢意。 感谢所有曾经帮助和关心过我的人们! 作者：范伟 2 0 0 9 年6 月 第一章绪论 第一章绪论 1 1 微位移驱动技术概述 微位移驱动技术是精密机械与精密仪器的关键技术之一，广泛应用于精密仪器、 微型机械制造、超精密加工、生物工程、医疗科学、集成电路制造、光学调整、扫描 隧道显微镜、微型零件的操作和装配等方面n 柚1 。微位驱动移技术直接影响精密、超精 密切削加工水平、精密测量水平及超大规模集成电路生产水平h 。7 1 。同时，它的各项技 术指标是各国高技术发展水平的重要标志，主要应用在以下几个方面： 随着微电子技术的不断发展，刻划的微细化需要采用更为有效的手段克服由于量 子力学效应的增强而带来的瓶颈效应，纳米级驱动定位系统将在这一领域发挥重要作 用。 电化学微加工中要求支撑电解槽的微定位平台具有五个方向的自由度，而且，每 个轴的输出位移都具有纳米级精度，用来调整电解池的位置。高精度多自由度微定位 系统将会有利于复杂三维立体图形复制加工向批量化和实用化方向发展，也是电化学 微加工法走向工程化，产业化的前提条件和工作基础。 显微外科手术主要包括脑外科显微手术、神经外科手术、囊肿摘除、心血管搭桥 等微细作业手术。为了完成精细的动作，各种基于微位移驱动技术的显微外科手术系 统的研究，倍受关注。目前国际上已研制出能够缝合人体静脉血管和疏通眼球视网膜 静脉堵塞的微操作控制系统。 在大规模集成电路制造中，印刷电路板上的布线密度越来越高，而且印刷电路板 上线路的修复、线路连接质量和表面质量的评估、材料性能的检测等许多工序都需要 纳米级微驱动系统实现超精密的定位。 扫描探针显微镜( s p m ) 以原子尺度来考察固体材料表面的实空间三维结构。利用 s p m 对固体表面上原子进行操作和移植的纳米加工技术是当前国际上纳米科技的重要 方面之一，对高密度信息存储、纳米电子器件、量子阱器件、新型材料的组成和物种 再造等方面将会产生非常重要的影响。利用纳米级的线性三自由度x y z i 作台用于探 测分子和原子的特征。 光纤的对接校准，必须借助一种特殊的精微校准平台( 精度达0 1 m ) ，对接由 左右微操作系统调完成，使光纤和器件之间达到最佳耦合功率位置，并自动补偿这一 过程的任何误差。不仅取代了人工操作而且降低了返修率，缩短生产周期。 光学微操作微加工技术不同于传统的机械加工方法，它对微小“工件”( 生物细 胞、细胞器及其它微小粒子) 的夹持、操作和微加工都是用光来实现的，在传统微机 2 合肥工业大学博士学位论文 械难以胜任的微米量级粒子的处理方面，光学微处理技术恰能运作自如，成为不可或 缺的一项独立的技术。 通过对以上微位移驱动技术的应用，可以看到随着当今科技的发展，对分辨率、 定位精度和重复定位精度在纳米级范围之内，可以是单自由度或多自由度的纳米级定 位驱动控制系统( n a n o p o s i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e m ) 有着迫切的需求。而驱动元件 的选择和使用直接影响着控制系统的最终性能指标。如何实现纳米级定位的驱动控 制方法，成为当前研究的难点和热点。 常用的驱动方式主要分为机械式和机电式。 ( 1 ) 机械式包括：丝杠一螺母机构、杠杆机构、楔块机构、弹性机构等。机械式 驱动的特点是可靠性较高，是最为常用的传统方式。通常采用电机驱动或直接手动调 整，但由于现有加工精度的限制，以及机械零件间的间隙、摩擦力、变形及爬行现象 等因素的影响，定位精度一般只能达到亚微米量级阳刮，难以实现自动控制，频率响应 不够。 妨熊往潆毋槐镳 ( a ) s c m 嗍- m n 穰嘲霸函嘲酝貔 ”牲耪纭瓣 秘l 雠纛礁翻辅蕊函蕊 翻攥获槐籀 她嘲钟| | 嘶鼬 图i - i 机械式微位移机构 ( 2 ) 机电式主要有：电热式、电磁式和压电式等。 电热式微位移是利用物体的热膨胀来实现微位移的。这种机构结构简单，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， 不适于高速的驱动控制。 一，i i _ - = r 1 g ) 毫热伸缩 ( g 目e 伽咿h e 毗e x p a n s i o n ( h ) 电燕伸缩撕； ( h ) e l , c z r o - h e a fe x p a u - 毒i i 嘲t u b e 图1 - 2电热式微位移机构 第一 绪论 3 磁致伸缩微位移机构是利用铁磁材料在磁场的作用下产生微伸长运动米实现微 位移的。但铁磁材料在磁场豹作用下除产生磁致伸缩外还伴随着受热伸长，其应 用受到了限制。 电磁铁驱动的微位移机构利州电磁原理通过控制线圈中的屯流大小来控制电磁 力的太小，使具有弹性支承的工作台产生精密徽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。此外这种机构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。 茅妒蘸 ( f ) 鳃仲袭应 cf m g n d t i ca “，i d f e c t ( b 电磁力 ( k ) m 心n mi b t 雠 圈卜3 碰致伸缩微位移机构图l _ 4 电磁力微位移机构 压电陶瓷徽位移机构在超精密定位和微位移控制中具有其它致动器无法比拟的 优点，如体积小、位移分辨率高、响应速度快、输出力太、换能效率高、不发热、采 用相对简单的电场控制方式、位移重复性好等，成为微机电领域新的热点，尤其是叠 层型压电微位移器，作为驱动元件在精密机械电子领域得到了广泛的应用 i o 1 1 1 o 肛” ( i ) 压电效应ooo ( i ) p i e z o e l e c t r i ce f f e c t l 图卜5压电陶瓷驱动微位移机构 虽然压电陶瓷驱动器具有以上很多优点但其所固有的迟滞、蠕变和位移非线性 三个特性，依然给压电陶瓷驱动器定位控制精度的进一步提高带来困难。对于单个压 电驱动器，非线性误差一般是确定的可以通过实时修正减小其影响。而迟滞和蠕变 特性则随著驱动位置和电压人小等闪索的改变而变化很难宴时修正。近年来人们 对压电陶瓷驱动器的控制方法进行了广泛的研究，取得了一些成果，其多是采用闭环 控制方法实现的。闭环控制法可以说是目前在徽驱动领域中最为有效的高精度控 制方法之一，其要求在微位移驱动系统中集成一个位移检测装置，该装置将检测到的 4 合肥工业大学博士学位论文 位移信号传递到控制端，对控制信号进行修正，从而完成对压电陶瓷驱动器的高精度 位移控制。闭环控制可有效解决压电陶瓷驱动的非线性误差，但增加了系统的成本和 控制的难度。o k a z a k i “钉，g e 们等在闭环控制研究的实验中还发现，如果对控制器的设 计没有全面地考虑迟滞特性的影响，则会因迟滞诱发的相位滞后而导致系统的不稳 定。此外由于闭环控制驱动系统引入了位移检测装置，将增加驱动控制系统的体积， 也不利于整个系统的微型化。特别是在某些微型系统中，很难加入高精度的位移传感 器。 如何在开环控制情况下减小压电陶瓷驱动器所固有的迟滞蠕变特性带来的定位误 差是一个有着重大意义和实用价值的科研课题，已成为微驱动领域内众多科技工作者 所关心的研究热点之一。因此各国科学家也试图通过对控制方法进行改进来获得纳米 级的定位精度。这里包括电荷控制法、基于参考模型的开环控制方法、自适应控制等。 1 电荷控制法 即采用电荷控制方式代替简单的电压驱动方式。n e w c o m b 和f 1 i n n 发现采用电荷 控制方式代替简单的电压驱动方式，可以使压电陶瓷驱动器的线性得到明显的改善。 但是这种方法要求使用特殊设计的电荷放大器，而且会降低压电陶瓷驱动器对位移的 灵敏度，并且由于压电陶瓷驱动器的电荷测量是一个积累的过程，因此响应时间长。 m a i n 等采用电荷控制方法提高位移输出的线性度，采用电流源代替电压源，但由于压 电陶瓷是容性负载，内阻较高，因此充电电流小，响应慢，且需要设计专门的电荷放 大器，使得这种方法只适合于静态场合n 。k a i z u k a 和s u i 简化了这种方法，仍然采 用简单的电压驱动方式，只是将一个补偿电容与压电陶瓷驱动器串联，降低了压电陶 瓷驱动器本身电荷相对于电容变化的灵敏度，这可以使迟滞非线性减少8 0 左右。这 种方法的缺点是不能彻底消除迟滞和蠕变，而且要达到相同的位移，电源驱动电压要 提高若干倍u 引。 2 基于参考模型的开环控制方法。 建立压电陶瓷电压一位移模型，从数学角度逼近压电陶瓷的迟滞特性曲线。这种 方法控制方法复杂，不能从根本上有效的消除压电陶瓷的迟滞和蠕变特性。如m a x w e l l 模型，f l a n n 模型，多项式近似模型，基于p r e i s a c h 模型的建模方法 1 9 - 2 1 虽然能较 好的描述压电陶瓷驱动器的非线性和迟滞特性，但建模过程需要大量特定的试验，并 且模型本身计算复杂。j u n g 和k i m 提出了一种基于参考模型的开环控制方法，用于改 善s t b i 中压电陶瓷驱动器的扫描精度。但是这种参考模型是假使压电陶瓷材料具有局 部记忆型迟滞非线性特性，没有准确的反映压电陶瓷驱动器的迟滞特性；l e i g h 和 z i m m e r m a n 采用隐含的数值算法预测压电陶瓷驱动器的迟滞特性。这种算法在数值处 理过程中引入了输入数据的数值微分，使得输入数据中的噪声信号被放大，可能得出 失真的预测堙2 2 引。目前其精度可达到1 ，在一些对定位精度要求不高的场合可以采 用2 引 第一章绪论 5 掰骱，旧模型卜 压电陶瓷压电陶瓷 输出位移 i 参考模型卜_ 驱动电源驱动器 图1 - 6 基于参考模型的开环控制框图 3 自适应逆控制法 自适应逆控制方法是一种逆前馈控制方法，它是用被控对象的逆作为控制器来对 系统作开环控制。k u h n e n k 和j a n o o c h ah 采用p r a n d t 卜i s h l i n s k i i 算子描述压电 陶瓷驱动器的迟滞特性，并基于此提出一种自适应逆控制方案，应用稳定的归一化修 正梯度算法，进行权值在线更新并收敛为驱动器逆模型实际值，最终可以使迟滞导致 的控制误差降低。哈尔滨工业大学又提出了一种新的自适应逆控制模型，同时可以描 述迟滞和蠕变两种特性，取