柔性铰链微动工作台测量与控制系统设计与实现 毕业设计

1、摘 要柔性铰链以其无摩擦、无间隙、运动灵活、敏度高的优点，在各个领域得到广泛应用，尤其在纳米技术领域中有着广泛的应用前景，柔性铰链是实现纳米级微运动的关键技术，其运动位移的测量与控制是实现纳米运动的核心技术。因而在本次毕业设计中采用柔性铰链机构，电容式传感器以及压电陶瓷驱动相结合，设计了一套微动工作台的测量与控制系统。用我们所学知识，使之成为一套精密测量与控制系统，实现高效率，高精度，高稳定性，低误差的测量与控制系统。在本次毕业设计中通过解析法从理论上分析了柔性铰链微动工作台的工作原理，描述了电容式传感测微原理，并设计了电容信号处理电路、pid运算电路、功率放大电路，以及相应的单片机接口电路与

2、软件。在该测量与控制系统中，由柔性铰链构成的平行四杆机构产生一个微位移量，由于被测位移量为纳米级，从而采用电容式传感器进行测量，再将测量通过电容信号处理电路进行处理。然后以单片机为核心通过软件编程对信号进行采样、分析、运算，并用4位数码显示管对测量值进行显示，再用键盘输入预定值。为了更好地减小误差，提高系统的控制精度，运用pid运算电路结合压电陶瓷驱动来实现对该工作台的纳米级控制。最终使该柔性铰链微动工作台实现运动范围10，分辨率1nm。关键词：柔性铰链；电容式传感器；传感器处理电路；mcs-51单片机;；压电陶瓷abstract flexible hinge with its no fric

3、tion, no clearance, sports flexible, the advantage of high sensitivity, widely used in various fields, especially in the field of nanometer technology has a wide application prospect, flexible hinge nanoscale micro motion is to realize the key technology, their sports displacement measurement and co

4、ntrol is to realize the core technology of the nanometer movement. thus in the graduation design using the flexible hinge institutions, capacitive sensor and piezoelectric driven unifies, designed a set of budge the measurement and control system worktable. with our knowledge learnt, make it become

5、a set of precision measurement and control system, realize high efficiency, high precision, high stability, low error of measurement and control. in the graduation design through analytical method of flexible hinge theoretically analyses the working principle of workbench budge, describes the capaci

6、tive sensing micro-distance measuring principle, and designed a capacitor and corresponding signal processing circuit, the scm processing circuit and software. in the measurement and control system, composed of by flexible hinge parallel four-bar produce a micro displacement of the delta, for being

7、measured displacement, thus using nanoscale capacitive sensor measuring, again will measure through the capacitance signal processing circuit for processing. then based on singlechip through software programming to signal sampling, analysis, operation, and four xianshiguan on measuring data for digi

8、tal display, reoccupy keyboard input predetermined value. in order to reduce errors, and improve the system control precision, using pid operation integrated circuit piezoelectric ceramic drive to achieve the workbench of precise control. eventually make the flexible hinge budge workbench realize 1n

9、m moving range 10, resolution 1nm. keywords: flexible hinge；capacitive sensor；sensor processing circuit；mcs - 51 scm；piezoelectric ceramics 目 录摘 要abstract第1章 绪论11.1 柔性铰链国内外现状和发展趋势11.1.1 柔性铰链的类型11.1.2 柔性铰链国内外现状21.1.3 柔性铰链研究趋势41.2 柔性铰链研究意义41.3 毕业设计任务4第2章 柔性铰链微动工作台测量与控制系统总体设计52.1 总体方案设计52.2 柔性铰链单元工作原理6

10、2.3 平行四杆微动工作台设计7第3章 柔性铰链微动工作台测量系统设计93.1 电容式传感器基本工作原理93.1.1 变面积型93.1.2 变介电常数型103.1.3 变极距型113.2 电容式传感器转换电路133.2.1 转换电桥133.2.2 相敏检波电路143.3 a/d转换电路153.4 mcs-51单片机17第4章 柔性铰链微动工作台控制系统设计204.1 d/a转换器204.3 pid控制器214.3.1 pid运算电路214.3.2 pid控制器参数整定234.4 功率放大器244.5 压电陶瓷驱动器25第5章 总结与展望275.1 总结275.2 展望27参考文献29致谢31附

11、录一 测量与控制总体电路图32附录二 软件设计3943第1章 绪论六十年代前后，由于宇航和航空等技术发展的需要，对实现小范围内偏转的支承，不仅提出了高分辨率的要求，而且还对其尺寸和体积提出了微型化的要求，人们在经过对各种类型的弹性支承的试验探索后，才逐步开发出体积很小，可做到无机械摩擦、无间隙的柔性铰链1,柔性铰链立即被广泛地用于陀螺仪加速度计、精密天平等仪器仪表中。1.1 柔性铰链国内外现状和发展趋势柔性铰链是近年来发展起来的一种新型机械传动和支撑机构，用于绕轴作复杂运动的有限角位移。也可理解为利用其结构薄弱部分的弹性变形可实现类似普通铰链的运动传递。柔性铰链具有无摩擦、无间隙、运动灵活、敏

12、度高的特点，常用来作为位移放大器，可将位移放大到数百微米，极大地拓展了微位移驱动器的应用范围和应用领域。尤其在纳米技术领域中有着更好的应用前景，柔性铰链是实现纳米级微运动的关键技术，其运动位移的测量与控制是实现纳米运动的核心技术。1.1.1 柔性铰链的类型目前柔性铰链的类型主要有单轴柔性铰链，双轴柔性铰链两种单轴柔性铰链截面形状有圆形和矩形的两种，如图1-1所示。图1-1 单轴柔性铰链双轴柔性铰链是由两个互成90的单轴柔性铰链组成的(图1-2(a)，对于大部分应用，这种设计的缺点是图1-2单轴柔性铰链两个轴没有交叉，具有交叉轴的最简单的双轴柔性铰链是把颈部作成圆杆状(图1-2(b)，这种设计简

13、单且加工容易，但它的截面面积比较小，因此纵向强度比图1-2(a)弱得多。需要垂直交叉和沿纵向轴高强度的双轴柔性铰链，可采用图1-2(c)的结构。图 1-2 双轴柔性铰链1.1.2 柔性铰链国内外现状就现阶段的发展趋势，柔性铰链的应用主要是与压电致动相结合，形成微位移机构。最早，美国国家标准局开发了一个微定位工作台并用于光掩模的线宽测量2。为了能在光学和电子显微镜中更好地使用, 要求工作台结构紧凑并能在压电驱动高精度工作台真空中工作。如图1-3所示,工作台采用了压电元件驱动, 柔性铰链机构进行位移放大的方案。压电元件在低频工作时的能量耗散为零,因此工作台没有内部热源。工作台可在50的工作范围内,

14、 以1nm或更高的分辨率对物体定位。图1-3 压电驱动高精密工作台柔性铰链技术在精密联接工艺也有应用3,如激光焊接中,需要较大运动范围、结构紧凑、高刚度、垂直运动的微动台。如图1-4所示运动的微动台, 水平内置式压电块推动杆1和杆2, 通过对称的柔性铰链放大机构将压电块位移转化为台面的垂直运动。该微动台的运动范围为200, 垂直刚度为610 , 频响为364。图1-4 垂直运动的微工作台我国如今柔性铰链代表性产品，如哈尔滨芯明天科技有限公司以柔性铰链原理开发的xm-850六维并联微动台，如图1-5所示，运动方向最大推力为1000n，最大负载为100kg，可内置位移传感器，方便实现闭环控制，闭环

15、重复定位精度为纳米级，控制方式：“压电陶瓷驱动电源”或“xe-50与xe-501模块化压电陶瓷控制系统”。图1-5 xm-850六维并联微动台1.1.3 柔性铰链研究趋势近年来，采用压电元件驱动，柔性铰链机构传动实现精密定位有着众多的应用4，如微动工作台，引激光焊接、光学自动聚焦系统等众多领域。纳米定位技术是实现纳米加工和纳米测量的基础，柔性铰链在该领域也有着极其重要的应用。就目前来看，柔性铰链压电致动微动工作台的研究将占主导地位。随着机器人领域的发展5，其运动精度要求达到亚微米级，显然以前的技术无法很好满足此要求。柔性铰链技术很好地解决了这个问题，大行程柔性铰链并联机器人的研究成为机器人研究

16、的热门课题。1.2 柔性铰链研究意义随着纳米技术的兴起和飞速发展，基于柔性铰链压电陶瓷驱动的纳米级微定位技术已成为能束加工、超精密加工、微操作系统等前沿技术的基础支持技术。利用柔性铰链的众多优点，易实现亚微米甚至纳米级的精度。因此，研究柔性铰链对于纳米技术的进一步发展与广泛应用非常有意义。1.3 毕业设计任务本次毕业设计采用柔性铰链设计一套一维平行四边形结构的微动工作台，利用电容传感测量方法，构成一套完整的微运动测量与控制系统，实现运动范围10、分辨率1nm。主要完成任务有：对一维柔性铰链微动工作台的机构设计与分析，并对该工作台运动位移的测量方法和控制方法进行详细设计，包括相关电子电路、软件程

17、序等部分的详细设计，并绘制出相应的方案图、原理图、电路图、流程图等。第2章 柔性铰链微动工作台测量与控制系统总体设计2.1 总体方案设计本次毕业设计以柔性铰链为基本单元，设计平行四杆机构的微动工作台6-7，以压电陶瓷（pzt）8为驱动，用电容传感器9-12测量该微动工作台的运动位移，柔性铰链微动工作台运动范围达10m、分辨率达1nm。总体方案如图2-1所示。电容式传感器电容式传感器信号处理电路a/d转换器51单片机键盘输入6位数码显示d/a转换器pid控制器功率放大器pzt图2-1柔性铰链微动工作台的测量与控制总体方案框图该柔性铰链微动工作台，由柔性铰链平行四杆机构产生一个微位移量，使用电容式

18、传感器进行测量，产生一个电信号。信号再通过电容式传感器处理电路由a/d转换器把模拟信号转化为数字信号，然后送51单片机进行处理。将处理结果通过d/a转换成模拟信号，进行pid控制运算。由于pid产生的信号十分微弱，无法让压电陶瓷驱动器驱动，因此需通过功率放大器进行微弱电信号的放大。本次毕业设计中的硬件电路图选用pretel2004dxp13进行绘制。2.2 柔性铰链单元工作原理分析目前已有的圆弧型柔性铰链机构原理14，圆弧型柔性铰链的基本图形如图2-2所图 2-2 柔性铰链基本单元组成柔性工作系统主要的基本形变是在作用下绕z轴的转动，其转角及转交刚度的基本公式为： （2-1）式中 ；其中 为柔

19、性铰链的转角，e为材料的弹性模量（），b为铰链高度，r、t分别为铰链切口圆弧半径和细颈处最小厚度。2.3 平行四杆微动工作台设计柔性铰链微动工作台应满足下列技术指标：运动范围10；分辨率1。根据上述圆弧型柔性铰链5-6的特点，以该柔性铰链为基本单元设计的微动工作台，采用压电陶瓷驱动可以满足上述技术指标的要求。微动工作台基本结构如图2-3所示。通过在一块板材上加工孔和开缝，使圆弧切口处形成弹性支点（即柔性铰链）与剩余的部分成为一体，而组成平行四连杆机构，当在ac杆上加一力f时，由于4个柔性铰链的弹性变形，使ab杆在水平方向上产生一位移，而实现无摩擦、无间隙和高分辨率的微动。图2-3柔性铰链微动工

20、作台模型为增加弹性微动工作台的承载能力并提高运动方向上的刚度，确保工作台具有良好的动态特性和抗干扰能力，在不增加工作台尺寸（即厚度b）的前提下，应尽可能增大图2-3柔性铰链微动工作台模型柔性铰链细颈处的厚度，并减小圆弧切口的半径r。在这种情况下，设计柔性铰链时应采用条件下的设计方法。如图2-2所示的微动工作台基本结构设计时进行假设。当工作台运动时，仅在柔性铰链处产生弹性变形，其他部分可认为是刚体。柔性铰链只产生转角变形，无伸缩及其他变形。设四个柔性铰链的转角刚度为，那么当四连杆机构在外力f的作用下产生的平移，每个柔性铰链所储存的弹性能为式中，外力f所做的功为, 由能量守恒定律：，可推导出弹性微

21、动工作台的刚度值基本设计计算公式： （2-2）由此得到微动工作台的固有频率： （2-3）式中：m弹性微动台部分的质量。微动工作台的各结构参数设计应满足下列要求：l 柔性铰链内部应力要小于材料的许用应力。l 微位移器产生的最大位移输出时，微动台的弹性恢复力应小于微位移器的最大驱动力。l 微动台的刚性应尽可能大，使其具有良好的动态特性和抗干扰能力。l 为了便于控制微动系统，刚度、固有频率应尽量接近。本次毕业设计微动工作台采用不锈钢材料，柔性铰链的结构参数为：双铰链的距离；铰链细颈处厚度；柔性铰链圆半径；高度，质量。由公式（2-1）、（2-2）、（2-3）可得工作台的固有频率，刚度。第3章 柔性铰链

22、微动工作台测量系统设计本次毕业设计对柔性铰链微动工作台测量系统设计主要从硬件电路进行解析。该测量系统主要由电容式传感器，电容式传感器信号处理电路，a/d转换器和51单片机组成。本次毕业设计接下来将对该测量系统各个模块进行解析。3.1 电容式传感器基本工作原理电容式传感器是将被测参数变换成电容量的一种传感器，它的转换元件实际上是一个具有可变参数的电容器。用两块金属平板作电极，即可构成最简单的电容器。当忽略边缘效应时，其电容量为 （3-1）式中s两极板间相互覆盖的面积，;d两极板间的距离，;两极板间介质的介电常数，；真空介电常数，；两极板间介质的相对介电常数， 由式可见，电容量c的大小与s、d和有

23、关，若保持着三个参数中的两个不变而改变另外一个，则c就会发生变化。这实际上就是电容式传感器的基本原理。根据发生变化的参数的不同，电容式传感器相应地分为三种类型：变面积型15、变介电常数型、变极距型16。3.1.1 变面积型工作原理如图3-1所示。当被测量的变化引起动极板移动距离x时，则s发生变化，c也就改变了。 （3-2）图3-1 直线位移式变面积型电容传感器由式（3-2）可见，电容量c与直线位移x也呈线性关系，其测量的灵敏度为 （3-3）显然，减小两极板间的距离d，增大极板的宽度b可提高传感器的灵敏度。但d的减小受到电容器击穿电压的限制，而增大b受到传感器体积的限制。3.1.2 变介电常数型

24、如图3-2所示是一种电容式液面计的原理图。在介电常数为的被测液体中，放入两个同心圆筒状电极，液体上的气体介电常数为，液体浸没电极的高度就是被测量x。该电容器的总电容c等于介质为气体部分的电容与介质为液体部分的电容的并联， 图3-2 电容式液面计即因为，式中h电极高度r外电极的内半径r内电极的外半径所以 （3-4）式中，均为常数。式（3-4）表明，液面计的输出电容c与液面高度x成线性关系。3.1.3 变极距型基本的变极距型电容式传感器有一个定极板和一个动极板，如图3-3所示当动极板随被测量变化而移动时，两极板的间距d就发生了变化，从而也就改变了两极板间的电容量c。图3-3基本的变极距型电容传感器

25、设动极板在初始位置时与定极板的距离为，此时的初始电容量为 （3-5）当被测量的变化引起间距减小了时，电容量就变为 （3-6）当时， ，则式（3-6）可以化简为 （3-7）此时电容变化量（3-8）这时与近似呈线性关系，所以改变极板距离的电容式传感器往往是设计成在极小范围内变化的。另外，由图3-4可以看出，当较小时，对于同样的变化引起的电容变化量可以增大，从而使传感器的灵敏度提高，但过小时，容易引起电容器击穿，改善击穿条件的办法是在极板间放置云母片，如图3-5所示，此时电容c变为 (3-9)式中，为云母片的相对介电系数，；为空气的介电常数，；为云母片的厚度；为空气厚度 图3-4电容量与极板距离的关

26、系 图3-5 放置云母片的电容器本次毕业设计测量的是位移的偏移量，因而选用变极距型电容式传感器，为了更好地改善非线性，提高灵敏度，减小外界因素的干扰和寄生电容的影响，本次毕业设计采用差动电容式传感器。如图3-6所示，是差动电容式传感器原理图。当动极板向上移动时，由式（3-7）可得，电容总变化量 (3-10)图3-6 差动式电容传感器比较式（3-8）和（3-10）可见，采用差动结构可使传感器的灵敏度提高一倍。由于差动结构的变极距型电容式传感器既提高了灵敏度，又减小了非线性误差，所以在本次设计中将采用这种结构。3.2 电容式传感器转换电路3.2.1 转换电桥图3-7为差动式变极距型电容式传感器所用

27、的变压器电桥的电路原理17。图3-7 转换电桥电路当电桥输出端开路（负载阻抗为无穷大时），电桥的输出电压为 （3-11） 以,代入上式可得 （3-12） 式中，c1和c2差动电容式传感器的电容。即 则 （3-13）由式（3-13）可见，变压器式电桥在输出阻抗极大的情况下，对于极距变化型电容式传感器，其输出电压也与极板位移呈线性关系。3.2.2 相敏检波电路如图3-8所示是高输入阻抗线性全波检波电路图18-20图3-8 高输入阻抗线性全波检波电路电压从电路图左端口输入，该电路它采用同相端输入。当0时，vd1导通、vd2截至，n2的同相输入端与反相输入端相同信号，得到=。0时，vd1截至，vd2导

28、通，取r1=r2=r3=r4/2= r6/4，这时n1的输出为 （3-14）n2的输出为（3-15）所以 = （3-16）相敏检波后的输出信号为含有直流分量的周期信号，其包含高次谐波，故进行低通滤波。构成一阶低通滤波12，其截至频率应远小于信号的频率。本次毕业设计中微动工作台的运动范围为010，根据公式（3-13）、（3-16）可得电容式传感器转换电路输出范围为01.5v，即微动工作台变动1,电容式传感器转换电路电压变动3.3 a/d转换电路由于本次毕业设计中的柔性铰链微动工作台行程为10分辨率为1,因此需要10000倍细分，而，因而需选择一个16位的a/d转换器。本次毕业设计采用的a/d转换

29、器为ad976a，它是一个+5v单电源供电的高速、低功耗16/位逐次逼近式a/d转换器21-22，转换速度为2000ksps，功耗为100mw。ad976a的集成性好，内部包含2.5v参考电压源/高速并行接口和时钟。出厂前芯片的所有线性误差都得到了补偿，并且，诸如snr（信噪比）和thd（总谐波失真）等的交流参数及失调，增益和线性度都得到全面测试。ad979a满量程输入范围为v，本次毕业设计采用的输入量程为0+10v。ad976a的转换精度为ad976a引脚功能如下所述：1. vin：模拟输入。该引脚和模拟信号源之间连接一个的电阻。2. agnd1：模拟地。作为ref引脚的参考地。3. ref

30、：基准输入/输出。该引脚为内部+2.5v基准的输出或从该引脚输入一个外部基准。两种情况下，均应在该引脚和ref引脚之间接入一个的电容。4. cap：基准缓冲器输出。该引脚和agnd2引脚之间接入一个的电容。5. agnd2：模拟地。6. d15（msb）：数据位15。7. d14d8：数据位1418.8. dgnd：数字地。9. d7d1：数据位71.10. d0（lsb）：数据位0.11. byte：字节选择。byte为低时，脚（d15）为msb，脚（d0）为lsb。byte为高时，高低8位数据交换输出。ad976a与51单片机接口电路如图3-9所示，启动a/d转换的条件是和均为低电平，即要

31、求p2.7和为低电平。因此，对地址7fffh进行写操作即可启动a/d转换。而当byte和为低电平，为高电平时，d0d7输出低8位数据，当byte和为低电平，为高电平时，d8d15输出高8位数据，因此，读低8位端口地址为effeh，放入51单片机31h单元中。读高8位端口地址为dffeh，放入51单片机30h单元中。启动a/d转换后，通过p3.2引脚状态了解a/d转换是否结束。a/d转换子程序见附录二。图3-9 ad976a的接口电路 3.4 mcs-51单片机如图3-10，是89c2051单片机芯片23引线排列图，其功能可分为3部分：（1） i/o口线p0,p1,p2,p3均为8位的并行i/o

32、口，它们的引线为：p0.0-p0.7，p1.0-p1.7，p2.0-p2.7，p3.0-p3.7，共32条引线可以全部用来做i/o线，还可以将其中部分用作单片机的片外总线。在进行外部扩展时，p2口为高8位地址线（a15-a18），p0口得8根引线是低8位地址和8位数据的复用线。（2） 控制线a、 ale地址锁存允许当单片机访问外部存储器时，输出信号ale用 图3-10 89c2051引线排列图于锁存p0口输出的低8位地址a7-a0。ale的输出频率为时钟振荡频率的1/6。 b、程序存储器选择=0，单片机只访问外部程序存储器。=1，单片机先访问内部程序存储器，若地址超过内部程序存储器的范围，单片

33、机将自动转为访问外部程序存储器。c、片外程序存储器允许片外程序存储器的选通信号。在执行内部程序存储器中的程序时，无输出始终为高电平。d、ret复位信号输入 （3）电源及时钟 vss地端接地线vcc电源端接+5vxtal1和xtal2接晶震片或外部振荡信号源在测量系统中主要运用数码显示管对测量数据进行显示，并运用矩阵键盘键入预定值。本次毕业设计中测量值范围为010000，因此需4位数码显示管来显示。51单片机键盘、显示接口电路如图3-11所示图3-11 键盘、显示接口电路图本次毕业设计采用4位共阳极数码管动态扫描显示，并通过软件编程实现从右至左一次亮个数码管。如图3-11所示将所有数码管的8个段

34、选码相应地并接在一起，并接入到单片机的口，由口控制字段输出。而各位数码管的共阳极由单片机的口控制，由于数码显示管的驱动电压为30v，所以口需要接三极管进行放大。数码管显示子程序见附录二。矩阵键盘又称为行列式键盘，它是用4条线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键。这样键盘中按键的个数是16个。这种行列式键盘结构能够有效地提高单片机系统中的利用率。如图3-11，行线接，列线接。键盘输入子程序见附录二。第4章 柔性铰链微动工作台控制系统设计本次毕业设计对柔性铰链微动工作台测量系统设计主要从硬件与软件两部分进行解析。该控制系统主要由d/a转换器，pid运算电路，功率放大器，压

35、电陶瓷（pzt）驱动器。本次毕业设计接下来将对该测量系统各个模块进行解析。4.1 d/a转换器本次毕业设计采用18位dac1280，它是美国国家半导体公司生产的16位双缓冲乘法dac24，可直接与8位及16位微处理器接口。dac1280能提供最大200的分辨率，其线性误差可达0.2fsr，即该芯片的线性误差为满量程的0.2，非线性误差可达0.4fsr。由的单电源供电，其电流建立时间为1。电压输出有单极性输出和双极性输出两种方式，本次毕业设计采用单极性输出，dac1280与51单片机接口电路如图4-1所示，其输出电压表达式为： （4-1）测量值与给定值的差值范围为,根据公式（4-1）可得dac1

36、280接口电路的输出电压范围为。图4-1 dac1280的接口电路单片机对dac1280分两步操作完成一次d/a转换过程。单片机向端口地址7fh写入高8位数据，向7eh写入低8位数据。高8位数据在内部ram的45h单元，低8位数据在内部ram的46h单元。d/a转换子程序见附录二。4.3 pid控制器pid控制器由比例单元p，积分单元i和微分单元d组成。通过三个参数的设定。它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。4.3.1 pid运算电路本次毕业设计采用pid调节电路由比例、微分、积分电路串联构成。如图4-2，是pid串联运算电路25-27原理图，其输入信号是

37、dac1280的输出信号（电压范围为）。图4-2 pid调节器串联电路其比例部分的传递函数为比例微分部分的传递函数为比例积分部分的传递函数pid运算电路总的传递函数为：为实现正常微分运算，要求，它可以忽略不计，因此可得 （4-2）式中比例系数，； 其中为电位器rp的上部电阻值，为电位器rp的下部阻值； 微分增益； 积分增益，； 互调干扰系数，。，称为调节器的调节整定参数，可在一定范围内调整。4.3.2 pid控制器参数整定一般整个机械传动的动力学特性可表示为如下传递函数28-30：（4-3）该柔性铰链微动工作台质量，刚度，可得该系统的传递函数为： （4-4）然后运用matlab31对该系统进行

38、仿真，其示意图如图4-3所示，首先将积分系数和微分系数取零，直至满足要求。然后逐渐增大积分系数，消除静差的速度满意或消除。最后调整微分系数。图4-3 pid控制算法仿真实验的示意图调整比例、积分、微分系数后系统趋于稳定，如图4-4所示，此时的pid控制器参数为：比例系数为2.1，积分系数为4.0，微分系数为1.4。将比例、积分、微分系数代入pid运算电路可得pid运算电路的输出电压范围为。图4-4 系统稳定曲线图4.4 功率放大器由于压电陶瓷驱动器驱的驱动电压较高，pid运算电路的输出电压无法提供足够的功率，因此需通过功率放大器进行功率放大。功率放大器即在给定失真率条件下，能产生最大功率输出以

39、驱动某一负载(例如扬声器)的放大器。本次毕业设计采用lm386型号的集成功率放大电路，其参数如表1所示。表1 lm386主要参数型号电路类型电源电压范围/v静态电源电流/ma输入阻抗/输出功率/w电压增益/db频带宽/khz总谐波失真/（或db）lm386otl5.0-184501(26-463000.2如图4-5，是lm386外围接线电路，该连接方法外接元件较少。c2为输出电容，由于引脚1和8开路，集成功放的电压增益为26db,即电压放大倍数为20。r和c1串联构成校正网络用来进行相位补偿。功率放大器的输入接pid运算电路，其输入电压范围为，因而其输出电压范围为图4-5 lm386外围接线电

40、路图4.5 压电陶瓷驱动器压电器件是今年来发展起来的新型微位移器件。它具有结构紧凑、体积小、分辨率高、控制简单等优点。同时它没有发热问题，故对精密工作台无因热量而引起的误差。用这种器件制成的微动工作台，容易实现超精密定位，是理想的微位移器件。压电晶体常用的材料是锆酸铅和钛酸铅。由锆酸铅和钛酸铅组成的多晶固熔体，全名称为锆钛酸铅压电陶瓷，代号为pzt。本次设计中的压电陶瓷驱动器选用pi子公司pi陶瓷工厂生产的p-855.20型号的压电陶瓷驱动器，如图4-6所示，其特性如下：l 动态性能良好，材料性能稳定，老化性能在 5年内小于0.2。l 最大推力达100n，最大拉力为5n。l 行程为，分辨率。l

41、 驱动电压-20120v，动态电流工作系数。l 它的使用温度范围在。本次毕业设计压电陶瓷驱动器的输入电压为，根据p-855.20压电陶瓷片的特性实现了柔性铰链微动工作台行程，分辨率的要求。图4-6 p-855.20压电陶瓷驱动器第5章 总结与展望5.1 总结2010年11月，12月初，在与导师的交流讨论中我的课题定了下来，是：柔性铰链微运动的测量与控制方法，于是便开始了我的毕业设计工作。经过长时间的设计到现在本次毕业设计基本完成。这是一个长期的过程，需要不断的进行精心修改，认真总结。从上文我们可以发现，现阶段柔性铰链的应用范围十分广泛，不仅仅局限于宇航和航空领域。由于其结构紧凑、运动精度搞的特

42、点，在精密机械、精密测量、尤其是微米、纳米技术等领域得到广泛应用。目前而言，柔性铰链主要应用于微运动工作台。本次毕业设计运用解析法，从理论上分析了柔性铰链微动工作台的工作原理。描述了变面积型、变介电常数型、变极距型电容式传感器的测微原理，并选择了差动式变极距型电容式传感器。设计了电容式传感器转换电桥电路，实现了位移电压的转换，与此同时设计了后续的相敏检波电路。采用了ad976a进行模数转换和dac1280进行数模转换，并设计了它们的接口电路。最后，对pid控制器参数进行整定，对功率放大电路和压电陶瓷驱动器（pzt）进行解析分析。本设计使用80c51单片机作为主控芯片进行控制，单片机具有集成度高

43、，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。本次毕业设计通过软件编程实现数据的采集并用4位led进行显示，通过键盘输入子程序输入预定值并将其与采集数据进行作差运算，最后编写d/a转换子程序进行数模转换。5.2 展望通过本次毕业设计，我感到自己应用基础知识及专业知识解决问题的能力有了很大的提高，尤其是在电路原理图的设计和软件编程方面。在本次毕业设计中存在很多未解决的问题。特别是误差分析方面，由于本次设计市从理论上分析了该柔性铰链微动工作台的测量与控制系统，未涉及整个系统的实践与仿真，因而对于整个系统的误差分析超出本

44、人能力范围。在软件编程方面，可能会出现实际运行中错误的情况。总之，本次毕业设计对对我而言受益匪浅。参考文献1李玉和,郭阳宽.现代精密仪器设计m.北京:清华大学出版社,2009.10:1872302scire f e,teague e c. piezodriven 50 range stage with subnanometer resolution, review of scientific instrumentsj. 1978,49(12):173517403uchino k,electrostrictive actuators.materials and applications cera

45、mic bulletinj.1986,65(4):6476524吴鹰飞,周兆英.超精密定位工作台j.微细加工技术,2002,6(2):41475杜志江,董 为,孙立宁.柔性铰链及其在精密并联机器人中的应用j.哈尔滨工业大学学报,2006.9(9):31396沈剑英,杨世锡,周庆华,等.单平行四杆柔性铰链机构的输出位移和耦合误差分析j. 机床与液压, 2004,7(3):27287于靖军,毕树生,宗光华.柔性平行四杆机构的静刚度分析j.机械科学与技术, 2003,22(2): 2412448许黎明,胡德金,邓琦林,赵晓明.压电陶瓷微位移驱动技术研究j.机械工程学报，2002,38(4):4347

46、9郁有文,常 健,程继红.传感器原理及工程应用(第二版)m.西安:西安电子科技大学出版社,2001:396710黄贤武.传感器原理与应用m. 北京:电子科技大学出版社,2002:688311高晓蓉.传感器技术m. 成都:西南交通大学出版社,1999:10313912贾伯年,俞 朴.传感器技术m. 南京: 东南大学出版社,1992:15719213谷树忠,侯丽华,姜 航.protel2004实用教程m.电子工业出版社，2008.10:346814her i,chang j c. a linear scheme for the displacement analysis of microposit

47、ioning stages with flexure hinges j. journal of mechanical design,1994 , 116(3):77077615李巧鸣.变面积式电容传感器非线性补偿新方法j.传感器世界,2001(9):252816张 东,邓 于.变间隙电容式传感器非线性补偿方法研究j.重庆文理学院报，2006,5（5）:5917王松林,鲁高奇.电容式传感器测量电路设计j.洛阳师范学院报,2011(1):293618张小勇,陈颖鸣,郭禹姬.基于电容检测芯片的电容检测系统设计j.单片机与嵌入式系统应用,2010,12(6):353719chad r snyder,f

48、rederick i mopsik.a precision capacitance cell for measurementof thin film out-of-plane expansionpart iii:conducting and semiconducting materialsj.ieee transactions on instrumentation and measurement,2001：55020王绍纯.自动检测技术.北京:冶金工业出版社，1985:233621吕俊芳传感器接口与检测仪器电路北京：北京航空航天大学出版社，1994:8910122程道喜,张联铎.传感器的信号处

49、理及接口m.北京:科学出版社,1988:768823朱定华,戴汝平.单片机微机原理与应用m，北方交通大学出版社,2003.8:12823124阎 石.数字电子技术基础m.高等教育出版社,2005:50654525张国雄.测控电路m.机械工业出版社,2008.1:556526华成英,童诗白.模拟电子技术基础m，高等教育出版社,2006.1:51352927蒋焕文,孙 续.电子测量m. 北京:计量出版社,1983:18719328丛 爽.神经网络、模糊控制系统及其在运动控制中的应用m安徽：中国科学技术大学出版社,2001:354229刘 豹,唐万生.现代控制理论m,1989:48910730董景新

50、,赵长德,熊沈蜀,郭美凤.控制工程基础m,2003.2:21626631刘卫国.matlab程序设计与应用m,2006.5:251259致 谢非常感谢陈本永老师在我大学的最后学习阶段毕业设计阶段给自己的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，他给了我耐心的指导和无私的帮助。为了指导我们的毕业论文，他放弃了自己的休息时间，他的这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向他表示我诚挚的谢意。同时，感谢所有任课老师和所有同学在这四年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并

51、祝所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下！附录一 测量与控制系统总体电路图测量系统电路图控制系统电路图pcb板封装图附录二 软件设计设定堆栈指针清标志和暂存单元清显示缓冲器区t0初始化开中断显示子程序数据运算子程序a/d转换子程序d/a转换子程序键盘输入子程序主程序流程图org 0100hclr a ；清累加器amov 30h, a ；清暂存单元mov 31h, amov 35h, amov 36h, amov 37h, amov 38h, amov 40h, amov 41h, amov 42h, amov 43h, amov 45h, amov 50h, amov 51h, amov 52h, amov 53h, amov tmod, #56hmov tl0, #06hmov th0, #06hclr pt0setb tr0setb et0setb ealoop ： acall ad976a ；调用a/d转换子程序ac