基于压电陶瓷微位移执行器的精密定位技术研究

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纳米级精密定位工作台研究

LU Min-xun ， U J un-jie LI
(School of Mechanical Engineering, Tongji Unive rsity, Shanghai 200092, China)
Abstract : To guarantee the performance of precision presses , it is of necessity to improve the positioning precision. A working table with six-dimensional degree of freedom is presented via selecting suit able m a terials . M oreover , con st rain t s upon p r ecise p os it ion in g are tackled. In favor of error analysis, relevant structural parameters are consequently obtained to meet technical requirements of the positioning table. Key words : piezoelectric actuator ; flexible hinge ; freedom
第 4 卷第 4 期 2006 年 10 月
中国工程机械学报
CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERY
V ol . 4 No . 4
Oct . 2006
纳米级精密定位工作台研究
陆敏询，刘俊杰
(同济大学机械工程学院，上海 200092)

压电陶瓷叠堆执行器及其系统的迟滞现象模拟、线性化及控制方法的研究

压电陶瓷叠堆执行器及其系统的迟滞现象模拟、线性化及控制方法的研究压电陶瓷执行器（Piezoelectric ceramic actuators, PCAs）是一种利用压电材料的逆压电效应制作而成的微位移执行器，具有体积小、能量密度高、分辨率高、频响快等优点，已经成为精密定位系统中重要定位及驱动元件。

由于基于单片压电陶瓷晶片的压电陶瓷执行器的输出位移比较小，常常采用一定的工艺将多片压电陶瓷晶片和电极叠合而成压电陶瓷叠堆执行器（Piezoelectric ceramic stackactuators, PCSAs）以提高输出位移。

然而这种通过一定的工艺叠合而成的压电陶瓷叠堆执行器存在的一些缺点限制了其在快速、高精密定位系统中的应用：首先压电陶瓷叠堆执行器会进一步加剧压电陶瓷晶片的输出位移与驱动电压之间存在多值对应的迟滞现象，如何实现对压电陶瓷叠堆执行器的有效控制成为精密定位控制研究中的重点和难点之一；其次叠合工艺会影响压电陶瓷叠堆执行器的动态性能，甚至缩短其使用寿命。

因此，压电陶瓷叠堆执行器及其系统的迟滞线性化方法及压电陶瓷叠堆执行器的动态性能设计方法是压电陶瓷叠堆执行器在快速、高精密定位系统中应用时必须解决的问题，开展这方面的研究具有重要学术意义和工程应用前景。

为了解决上述问题，本文建立了能描述压电陶瓷叠堆执行器的迟滞现象的Bouc-Wen数学模型，提出了基于Bouc-Wen数学模型的线性化控制方法用于实现压电陶瓷叠堆执行器的迟滞线性化；建立了能够同时模拟压电陶瓷叠堆执行器的迟滞现象和动态特性的综合模型，提出了能够合理设计压电陶瓷叠堆执行器的动态性能的方法；建立了预压紧压电陶瓷执行器的现象模型；在此基础上，提出并实现了压电致动二维微位移扫描平台的基于现象模型的鲁棒模型参考自适应控制方法。

本文的主要研究工作和创新点可以归纳为以下六个方面：1.提出并研究了能够模拟压电陶瓷叠堆执行器的迟滞现象的Bouc-Wen数学模型。

基于纳米定位的压电陶瓷驱动器二进制控制

维普资讯
第３卷第３０期
２００８年６月
压
电
与
声
光
Ｖｏ．ＯＮｏ３１３．
ＰＩＺＥＯＥＬＥＣＴＥＣＴＲＩ＆ＡＣＣＳＯＵＳＴＯＯＰＣＳＴＩ
Ｊｎ２０ｕ．０８
文章编号：０４２７（０８０ — ２４０１０ — ４４２０）３０９ — ３
关键词：电陶瓷驱动器；进制控制；米定位压二纳
中图分类号：ＴＰ２３７文献标识码：Ａ
ＢｉａｙＣｏｔｏｆＰｉｚｃｒｍｉｔａｏｓｄｏｎｓｔｏｉｇｎｒｎｒｌｏｅｏｅａｃＡｃｕｔｒＢａｅｎＮａｏＰｏｉｉｎｎ
ｅｅｖｒ，ｔｎｒｎｔｄｉａａａｅｆｎｌｎｒｔｄｈｙｓｅｅｉｆＰＺＴＡｔｒｏｒｔｔｃｕｒｃ．Ｔｏｏｖｒｏｅｔｓｈｅｉｈｅｅｓｄｖｎｔｇｓｏｏｎｉｅａｉｙａｎｔｒｓｓｏｄｅｅｉａｅｉｓａｃａｙｅｃｍｈｅｅ
纳米级微位移驱动器已成为微机电系统（ＥＳ、描探测显微镜、精密加工、胞操ＭＭ）扫超细
制提高８，Ｏ比单纯前馈控制或ＰＤ反馈控制提高Ｉ
５。本文采用开环二进制控制原理控制ＰＴＡ，ＯＺ可克服非线性和迟滞缺陷，高ＰＴＡ的位移输出提Ｚ
基于纳米定位的压电陶瓷驱动器二进制控制

基于压电陶瓷驱动器的微纳定位系统建模与控制

基于压电陶瓷驱动器的微纳定位系统建模与控制近年来，微纳定位系统在精密制造、生物医学和纳米科技等领域得到了广泛的应用。

其中，基于压电陶瓷驱动器的微纳定位系统以其高精度、快速响应和稳定性受到了研究者的关注。

本文将介绍基于压电陶瓷驱动器的微纳定位系统的建模与控制方法，并对其在实际应用中的指导意义进行讨论。

首先，我们需要对基于压电陶瓷驱动器的微纳定位系统进行建模。

该系统主要包括压电陶瓷驱动器、传感器和控制器三个部分。

压电陶瓷驱动器是该系统的核心，通过改变电场来驱动压电陶瓷振动并实现定位。

传感器用于检测位置误差，并将其反馈给控制器。

控制器根据传感器反馈的信息，通过闭环控制算法来实现定位精度的提高。

在建模过程中，我们需要考虑压电陶瓷驱动器的机械特性、电学特性和热学特性等因素。

压电陶瓷驱动器的机械特性包括质量、刚度和阻尼等参数，电学特性包括电容和电压等参数，热学特性包括温度和热应力等参数。

通过建立这些参数之间的关系，我们可以得到基于压电陶瓷驱动器的微纳定位系统的数学模型。

在控制方面，我们可以采用经典控制方法和现代控制方法来实现微纳定位系统的闭环控制。

经典控制方法包括PID控制器、模糊控制器和自适应控制器等，可以根据系统的特点选择合适的控制方法。

现代控制方法包括模型预测控制和滑模控制等，可以进一步提高系统的定位精度和鲁棒性。

实际应用中，基于压电陶瓷驱动器的微纳定位系统可以应用于微机械系统、生物医学影像设备和纳米制造等领域。

例如，在微机械系统中，可以利用微纳定位系统来实现微机械臂的精确定位和运动控制。

在生物医学影像设备中，可以利用微纳定位系统来实现图像采集器的精确移动和对焦。

在纳米制造中，可以利用微纳定位系统来实现纳米材料的精确操控和加工。

总之，基于压电陶瓷驱动器的微纳定位系统在精密制造、生物医学和纳米科技等领域有着广泛的应用前景。

通过建模和控制方法的研究，我们可以实现对系统定位精度的提高和稳定性的改善。

这对于推动微纳技术的发展和促进相关领域的创新具有重要的指导意义。

一维压电式微定位机构的设计研究

［< ］响整机的精度。当今社会，效率问题成为衡量设
［ " ? !］理想的微定位器件。本文设计了一种一维压电
式微定位机构，并对其微定位原理及定位特性进行了研究。
"9 定位机构设计
"# ! 9 微定位机构设计为提高精密机床的定位精度，在精密移动工作台（粗工作台）上增加一层微动工作台（精工作台），来对精密工作台的定位精度进行补偿，图 < 为定位精度补偿原理。粗工作台实现高速运动，其定位精度为微米级，精工作台在粗工作台定位的基础上，通过控制系统检测粗定位误差，对粗工作台定位精度进行补偿。微定位机构设计如图 "F 所示，采用柔性铰链与压电陶瓷组合式结构，其间为螺钉联结，二者的装配间隙用垫块来调整。柔性铰链是依靠材料的
9 9 收稿日期： "##:;<#;!#；修订日期： "##$;#<;<# 9 9 基金项目：吉林省科委基金资助项目（ "##:#:!= ） 9 9 作者简介：孙宝玉（<>=< ? ），女，吉林磐石人，副教授，博士后，研究
运动副间隙、无机械摩擦等优点，依据定位方向的需要设计结构，可实现一维、二维微位移运动。柔性铰链的结构等效图如图 "G 所示，此机构属一维 ! 向微位移机构，由于柔性铰链在导向过程中输出的不仅
图 $" 微定位精度补偿原理图 "
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压电式执行器用于超精密进给机构的技术研究

ＬＩＧｕ－ａ，ＬＩＬｉｎｇｙＵｏｈｕａ－ｕ
（ｃｏｌｆｃａｉｌｎｅｔｎｃＥｎｉｅｒｇｉｎｉｏｙＴｅｈｉＵｎｖｒｉ，Ｔａｊ０１０ｈｎ）ＳｈｏｏＭｅｈｎｃｄＥｌｒｉａａｃｏｇｎｅｉ，ＴａｊＰｌｎｎｃｎｃｉｅｓｙｉｎｉ３０６，Ｃｉａｔｎ
ｍｅｈｎｓｉｄｓｎｄｗｈｃｓｃｍｐｓｄｏｒｃｅｄｉｌｉｈｖｌｇｄｕｔｒａｄｐｚｅｃｒｃｕｔｒＴｃａｉｓｅｉｅｉｉｏｏｅｆａｐｅｉｉｔｇ — ｏａｅａｊｓｎｉｏｌｔｉａｔａｏ．ｏｍｇｈｓｇａｈｔｏｅｅｃ
中图分类号：ＴＨ７３８０．文献标识码：Ａ
ＳｕｆＫｅｃｔｄｙｏｙＴｅｈｎｉｅｏｔａｅｉｉｎＦｅｄｎｇＭｅｈａｓｗｉｈｑｕｎＵｌｒｐｒｃｓ０ｅｉｃｎｉｍｔ
ＰｉｚｅｅｔｉｔａｏｅｏｌｃｒｃＡｃｕｔｒ
ＡｂｔａｔＴｈｒｂｅｏｌｗｔｐｒｓｏｓｎｐｅｏｌｃｒｃｕｔｒｉｓｕｉｄａｄａｌｒｐｅｉｉｎｆｅｉｇｓｒｃ：ｅｐｏｌｍｆｓｏｓｅｅｐｎｅｉｉｚｅｅｔｉａｔａｏｓｔｄｅｎｎｕｔａｒｃｓｏｅｄｎｃ
ｇｒｎｒｉｄｅ．
Ｋｅｒｓｐｅｏｌｃｒａｔａｏ；ｍｉｒ—ｅｄｎｃａｉｍ；ｈｇ — ｏｔｇ－ｄｓｏ；ｄｎｍｉｈｒｃｅｉｔｓｙｗｏｄ：ｉｚｅｅｔｉｃｕｔｒｃｃｏｆｅｉｇｍｅｈｎｓｉｈｖｌａｅａｊｔｒｙａｃａａｔｒｓｉ；ｕｃｃ

压电陶瓷执行器的驱动技术研究

压电陶瓷执行器的驱动技术研究一、本文概述Overview of this article随着科技的快速发展，压电陶瓷执行器作为一种重要的驱动元件，在精密控制、振动抑制、传感器等领域的应用日益广泛。

其独特的驱动特性，如快速响应、高精度定位、低能耗等，使得压电陶瓷执行器在现代科技中占据了举足轻重的地位。

然而，如何高效、稳定地驱动压电陶瓷执行器，充分发挥其性能优势，一直是研究人员关注的焦点。

With the rapid development of technology, piezoelectric ceramic actuators, as an important driving component, are increasingly widely used in precision control, vibration suppression, sensors and other fields. Its unique driving characteristics, such as fast response, high-precision positioning, low energy consumption, etc., make piezoelectric ceramic actuators occupy a pivotal position in modern technology. However, how to efficiently and stably drive piezoelectric ceramic actuators and fully leverage their performance advantages has always been a focus of attention forresearchers.本文旨在探讨压电陶瓷执行器的驱动技术，深入分析其驱动原理、驱动电路设计、驱动信号优化以及在实际应用中的性能表现。

压电陶瓷迟滞非线性的成因与校正

压电陶瓷迟滞非线性的成因与校正史丽萍;魏艳波;魏喜雯;张波;徐艳春;瞿晓东【摘要】针对压电陶瓷执行器输出位移的迟滞非线性现象,基于压电陶瓷铁电效应的微观极化机理,应用电畴转向理论,解释了产生迟滞非线性的原因.为了降低迟滞特性对压电陶瓷执行器的影响,研究了MPT-2MRL103A压电陶瓷微位移执行器迟滞特性,并采用广义非线性Preisach模型建立压电陶瓷执行器迟滞模型,利用建立的的模型作为PID反馈控制的前馈环节进行闭环精密定位控制,进一步改善压电陶瓷执行器驱动电压与输出位移间的线性关系,提高定位精度.【期刊名称】《黑龙江大学工程学报》【年(卷),期】2013(004)002【总页数】6页(P103-107,112)【关键词】压电陶瓷执行器;铁电效应;迟滞非线性;广义非线性;Preisach模型【作者】史丽萍;魏艳波;魏喜雯;张波;徐艳春;瞿晓东【作者单位】黑龙江大学机电工程学院,哈尔滨150080;黑龙江大学机电工程学院,哈尔滨150080;黑龙江大学机电工程学院,哈尔滨150080;黑龙江大学机电工程学院,哈尔滨150080;黑龙江大学机电工程学院,哈尔滨150080;黑龙江大学机电工程学院,哈尔滨150080【正文语种】中文【中图分类】TP210 引言目前广泛应用的压电陶瓷有钛酸钡（Ba－TiO3）、钛酸铅（PbTiO3）、锆钛酸铅（PZT）等。

利用其制成的压电陶瓷微位移执行器具有许多其它执行器没有的优点，克服了以往机械式、液压式、气动式、电磁式等驱动器惯性大、响应慢、可靠性差等不足，具有位移分辨率高、机电耦合效率高、响应快、功耗小、无噪声等。

从而被广泛应用于精密定位技术中。

但它同时也存在着明显的不足，在电场的作用下输出的位移会产生迟滞非线性，这样极大地降低了它在微纳米执行技术中的定位精度［1－3］。

压电陶瓷在电场的作用下有铁电效应、电致伸缩效应、逆压电效应。

由于压电陶瓷的电致伸缩效应对位移的影响极其微弱，可以忽略不计［4］，而其逆压电效应又是线性的，所以压电陶瓷执行器的迟滞非线性是由铁电效应产生的。

压电驱动三维超微定位平台的性能研究

ｔ；ｌｘｂｅｈｎｅｙｆｅｉｌｉｇ
随着科学技术的发展，超微定位技术己成为精密工程领域的关键技术之一。微型机电系统的制造与检测、大规模集成电路的生产、超精密机械加工及
其精密测量、微操作机械手等，离不开超微定位技都
压电驱动三维超微定位平台的性能研究
刘国华，亮玉李
（津工业大学机电学院，津３０６）天天０１０
摘要：出一种以柔性铰链结构为导向机构、电陶瓷为驱动器的三维超微定位工作台，三维超微定位工提压对作台的非线性和动态特性的问题进行了研究，出改善方法以提高系统的定位性能。将三维超微定位平台用于微提
操作机械手。
关键词：电陶瓷微位移器；维超微定位；Ｉ法；态特性；线性；性铰链压三ＰＤ算动非柔
中图分类号：ＴＨ７３８Ｏ．文献标识码：Ａ
Ｓｕｙｏｈｒｏｍａｃｆ３Ｄｔａｍｉｒｐ０ｉｉｎｉｙｔｍｔｔｄｎｔｅＰｅｆｒｎｅｏＵｌｒ — ｃ０ｓｔ０ｎｇＳｓｅｗｉｈＰＺＴ
定位工作台的静、特性研究等。为了实现在机械动
１００Ｈ型压电陶对ＤＳ５３１一瓷微位移器组成的柔性定位工作台进行了研究。

压电陶瓷微位移驱动器在IC封装设备中的应用研究

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（自动化技术与应用）０２２０年第２卷第五期１
哈尔滨工业大学机器人研究所
ｆ蹴
孙立宁
杨
永
曲东升
孵
ＹｎｏｇＱ‘ Ｄ
鉴于以上情况，我们对目前的Ｉ装工作台进行了测试，Ｃ封发现工作台的直线导轨偏摆误差是造成工作台末端定位精度降
一
个方向上都安装了两个传感器，由几何关系就可以计算出ｘ、Ｙ
两个垂直方向上的偏摆角度，将测量出的两个方向的偏摆作代数相加，可以得到总的偏摆，而计算出伸出梁末端的偏移误就进差，为陶瓷补偿提供误差数据。
２正警Ｅ
－＿＿
以ｘ轴为例，图１示，义工作台在零位时，个电涡如所定两流传感器检测到的间距值为Ｘ１，。当工作台运动一定距离。Ｘ２。后，个电涡流传感器检测到的距离值为Ｘ１，ｃ两ｃＸ２。从图中可以看出，导轨的扭摆并不在一条直线上，时偏摆１由以下公此
动过程中，电涡流传感器的测头测量到平尺的距离。因为在每
由于导轨是不断运动的，电涡流传感器的测量点也是不断变化的，基准面的变化也会引起测量误差。该误差主要由测
平尺的平面度决定，设平尺的平面度误差为Ｅ，么在最恶假口那劣的情况下，由平面度误差造成的末端测量误差Ｅ为：

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Ｃｒｍｌｓｍｉｒｄｉｐｌｅｅｔｅａｃｃｏ－ｓａｃｍｎｔａｃｕａｔｒ ‘ ｏ
ＨＡＮＴｎ —ｅｇ，Ｌｕ－ｉｇ，ＳｏｇｐｎＩＧｏｐｎＨＥＮＪｅｉ
（ａｕｔｆｎｉｅｒｎ，ｉｇｏＵｉｅｓｙＮｎｂ１２１ＣｉａＦｃｌｏｇｎｅｉｇＮｎｂｎｖｒｉ，ｉｇｏ３５１，ｈｎ）ｙＥｔ
出特性测试系统，ＷＴＤ８８４电陶瓷微位移执行器进行了相关实验研究，对Ｙ０００２压分析了执行器的非线性和迟滞特性；采用Ｄｈｍ算子建立了压电执行器的迟滞模型，ｕｅ利用建立的Ｄｈｍ模型作为ＰＤ反馈控制ｕｅＩ
的前馈环节进行闭环精密定位控制的研究。实验结果表明：该模型能够有效降低非线性和迟滞特性对压电执行器位移输出精度的影响，提高执行器的动态响应特性。关键词：压电陶瓷微位移执行器；输出特性测试；Ｄｈｍ模型；密定位ｕｅ精
Ａｂｔａｔｈｃｕｔｎｐｎｉｌｆｔｅｐｅｏｌｃｒｅａｃｃｏｄｓｌｃｍｅｔｃｕｔｒｉｅａｏａｅａｄｔｅｓｒｃ：Ｔｅａｔａｉｒｃｐｅｏｉｚｅｅｔｃｃｒｍｉｓｍｉｒ－ｉｐａｅｎｔａｏｌｂｒｔｄ，ｎｏｉｈｉａｓｈｃａａｔｒｔｓａｄｈａｐｉａｉｎｆｔｅｃｕｔｒａｅｎｒｄｃｄｈｒｃｅｓｉｎｔｅｐｌｔｓｏｈａｔａｏｒｉｔｏｕｅ．ＲｌｔｅｘｅｍｅｔｌｅｅｒｈｓｎｈｉｃｃｏｅａｉｅｐｒｎａｒｓａｃｅｏｔｅｖｉＷＴＹＤ０００２ｐｅｏｌｃｒｃｒｍｉｓｍｉｒ — ｉｌｃｍｅｔａｔａｏａｅａｒｅｏｔｉｓｌ－ｅｉｎｄｕｐｔ８８４ｉｚｅｅｔｃｅａｃｃｏｄｓａｅｎｃｕｔｒｒｃｒｉｄｕｗｔｅｆｓｇｅｏｔｕｉｐｈｄｃａａｔｒｔｓｔｓｓｓｅ，ｎｈｏ —ｉｅｒａｄｈｓｅｅｉｏｃｕｔｒａｅａａｙｅ．ＤｈｍｄｌｉｓｄｔｈｒｃｅｉｉｅｔｙｔｍａｄｔｅｎｎｌａｎｙｔｒｓｆａｔａｏｒｎｌｚｄＡｕｅｍｏｅｓｕｅｏｓｃｎｓｅｔｂｉｈｔｅｈｓｅｅｉｍｏｅｆａｐｅｏｌｃｒｃｕｔｒｅｅｒｈｏｌｓ — ｏｒｃｓｎｐｓｔｎｎｏｔｌｓｌｈｙｔｒｓｄｌｏｉｚｅｅｔｃａｔａｏ．ＡｒｓａｃｎｃｏｅｌｐｐｅｉｉｏｉｏｉｇｃｎｒａｓｓｉｏｏｉｏｕｉｇｔｅｓａｌｈｄｕｅｓｎｈｅｔｂｉｅＤｈｍｍｏｅｓｅｄｆｒａｄｅｍｅｔｏＰＤｅｄｂｃｃｎｒｌｓｃｎｕｔｄｓｄｌａａｆｅｏｗｓｇｎｆａＩｆｅ — ａｋｏｔｉｏｄｃｅ．ｒｏＥｐｒｍｅｔｌｒｓｌｈｗｔａｈｓｍｏｅａｆｃｉｅｙｅｉｎｔｅｅｆｃｓｏｏｌｅｒｔｎｙｔｒｓｓｗｉｈｘｅｉｎａｅｕｔｓｏｈｔｔｉｓｄｌｃｎｅｆｔｌｌｅｖｍｉａｅｔｆｅｔｆｎｎｉａｙａｄｈｓｅｅｉｈｃｈｎｉａｆｃｈｉｐａｅｎｕｐｔｐｅｉｉｎｏｉｚｅｅｔｃａｔａｏ，ｎｍｐｏｅｔｅｄｎｍｉｅｐｎｅｐｏｅｔ．ｆｔｔｅｄｓｌｃｍｅｔｏｔｕｒｃｓｏｆｐｅｏｌｃｒｃｕｔｒａｄｉｒｖｈｙａｃｒｓｏｓｒｐｒｙｅａｉＫｅｒｓｐｅｏｌｃｒｅａｃｃｏｄｓｌｃｍｅｔａｔａｏ；ｏｔｕｈｒｃｅｓｃｅｔＤｕｅｍｏｅ；ｙｗｏｄ：ｉｚｅｅｔｃｃｒｍｉｓｍｉｒ — ｉｐａｅｎｃｕｔｒｉｕｐｔｃａａｔｒｔｓｔｓ；ｉｉｈｍｄｌ
２１００年第２９卷第２期
传感器与微系统（ｒｎｄｃｒａｄＭｉｏｙｔｍＴｃｎｌｉｓＴａｓｕｅｎｃｓｓｅｈｏｇ）ｒｅｏｅ
５１
基于压电陶瓷微位移执行器的精密定位技术研究
韩同鹏，李国平，沈杰
（宁波大学工学院。浙江宁波３５１）１２１摘要：阐述了压电陶瓷微位移执行器的驱动原理，绍了执行器的性能与应用情况；介利用自行设计的输
中图分类号：Ｔ２２Ｐ４文献０９８（０００－０１０
Ｓｕ￣０ｃｕａｅｐｓｔｏｉｇｔｃｏｏｙｏ３ｅｏｌｃｒｃｔｄｎａｃｒｔｏｉｉｎｎｅｈｎｌｇ１ｚｅｅｔｉｙｎｎｔｉｆｐ