蘇 江，劉 鵬，楊志剛

（1．吉林大學(xué)珠海學(xué)院機(jī)電工程系，廣東 珠海 519041;2．吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130025）

0 引言

近年來(lái)，隨著微/納米技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們紛紛開(kāi)展對(duì)新型驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究，新型驅(qū)動(dòng)技術(shù)大致可分為兩類［1］:一類是利用場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)，如電磁力、靜電力等;另一類是運(yùn)用材料本身的性能變化產(chǎn)生的微小變形來(lái)驅(qū)動(dòng)，尤其以壓電材料、磁滯伸縮材料和形狀記憶合金材料制成的驅(qū)動(dòng)裝置研究最為廣泛。壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，即壓電材料在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生機(jī)械變形的特性實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，具有位移分辨率高、定位精度好、響應(yīng)速度快、易于微型化等優(yōu)點(diǎn)［2，3］。利用壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)開(kāi)發(fā)研究的壓電驅(qū)動(dòng)器采用摩擦力驅(qū)動(dòng)，將阻礙運(yùn)動(dòng)的摩擦力變?yōu)轵?qū)動(dòng)力，有可能成為MEMS最有前途的驅(qū)動(dòng)器。壓電驅(qū)動(dòng)器在超精密加工、生物醫(yī)學(xué)工程、半導(dǎo)體及微電子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、光學(xué)、光纖度量技術(shù)、精密機(jī)械等領(lǐng)域，具有極其廣泛的應(yīng)用前景［4～9］。本文設(shè)計(jì)了以壓電疊堆作為驅(qū)動(dòng)源的直線式精密驅(qū)動(dòng)器，為了改善驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)定性，采用閉環(huán)反饋控制的方法來(lái)補(bǔ)償步距誤差，以此來(lái)提高驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 壓電步進(jìn)式精密驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)與原理

本文采用整體柔性鉸鏈與壓電疊堆相配合的機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新型的直線步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。其組成部分有:箝位機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、調(diào)整機(jī)構(gòu)、動(dòng)子及導(dǎo)軌。圖1為步進(jìn)式驅(qū)動(dòng)器的三維裝配圖。箝位機(jī)構(gòu)是將壓電疊堆伸長(zhǎng)而產(chǎn)生的力傳遞到動(dòng)子的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，箝位力的大小決定了驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力和承載能力的大小。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是利用驅(qū)動(dòng)疊堆的驅(qū)動(dòng)力并通過(guò)箝位機(jī)構(gòu)的配合帶動(dòng)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)疊堆安裝在動(dòng)子結(jié)構(gòu)外部，通過(guò)與箝位機(jī)構(gòu)配合實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)子的驅(qū)動(dòng)。調(diào)整機(jī)構(gòu)是與柔性鉸鏈配合使用的，主要的作用是在壓電疊堆的變形方向上提供可調(diào)的位移量，從而對(duì)壓電疊堆的預(yù)緊力、箝位面與箝位力作用面之間配合間隙等方面實(shí)現(xiàn)最佳的調(diào)整。動(dòng)子是依賴導(dǎo)軌導(dǎo)向和箝位機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位的。動(dòng)子在工作過(guò)程中，要求在水平導(dǎo)軌中平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)軌的加工精度對(duì)動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)方向有很大影響，是保證動(dòng)子運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵因素。

圖1 驅(qū)動(dòng)器的整體結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Overall structure diagram of actuator

驅(qū)動(dòng)器初始工作時(shí)，其左右箝位疊堆處于加壓箝位狀態(tài)以保持動(dòng)子的承載能力。步進(jìn)直線步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器工作原理為:當(dāng)驅(qū)動(dòng)器向左驅(qū)動(dòng)時(shí)，左箝位疊堆保持箝位，右箝位疊堆自由，然后驅(qū)動(dòng)疊堆加壓伸長(zhǎng)，推動(dòng)箝位驅(qū)動(dòng)復(fù)合體的前后活動(dòng)部分向兩側(cè)均勻分開(kāi)，從而左箝位疊堆帶動(dòng)動(dòng)子向前驅(qū)動(dòng)了1/2的驅(qū)動(dòng)疊堆伸長(zhǎng)量;右箝位疊堆箝位，左箝位疊堆自由，驅(qū)動(dòng)疊堆失電縮短，復(fù)合體依靠鉸鏈的回復(fù)力前后活動(dòng)部分向中間收縮，右箝位疊堆通過(guò)柔性鉸鏈箝住動(dòng)子又向左移動(dòng)1/2的驅(qū)動(dòng)疊堆伸長(zhǎng)量;左箝位疊堆箝位，同時(shí)右箝位疊堆保持箝位。這樣，驅(qū)動(dòng)器完成了向前的一步驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)器不斷重復(fù)上述的驅(qū)動(dòng)過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)子向前的連續(xù)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。同理，只要交換左右箝位疊堆箝位的先后順序，驅(qū)動(dòng)器就會(huì)連續(xù)得向右運(yùn)動(dòng)。

2 步距與步距穩(wěn)定性測(cè)試

2．1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

試驗(yàn)測(cè)試的組成如圖2所示，首先在PC機(jī)上，通過(guò)LabVIEW軟件編制驅(qū)動(dòng)器所需的3路控制信號(hào)，通過(guò)NI數(shù)據(jù)采集卡輸出3路模擬信號(hào)，然后這3路控制信號(hào)分別通過(guò)功率放大器和壓電陶瓷電源放大，得到驅(qū)動(dòng)器所需的實(shí)際電壓信號(hào)，按照一定的時(shí)序控制驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)，同時(shí)激光測(cè)微儀適時(shí)讀取驅(qū)動(dòng)器的位移信號(hào)，并把位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，送入傅立葉分析儀進(jìn)行分析和顯示，直觀、方便地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和處理。

2．2 步距與步距穩(wěn)定性與電壓關(guān)系曲線

驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)步距（簡(jiǎn)稱步距）指驅(qū)動(dòng)器在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，動(dòng)子在一個(gè)時(shí)序周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)的距離。在同方向進(jìn)給的前提下，采集一定步數(shù)內(nèi)連續(xù)工作的具體的步距數(shù)值，驅(qū)動(dòng)器步距穩(wěn)定性通過(guò)公式（1）計(jì)算獲得

圖2 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)原理圖Fig 2 Principle diagram of experimental testing system

式中 ηs為驅(qū)動(dòng)器步距穩(wěn)定性;Si為驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際步距為驅(qū)動(dòng)器進(jìn)給n步的步距平均值;n為驅(qū)動(dòng)器的進(jìn)給的步數(shù)。

頻率1 Hz時(shí)步距與驅(qū)動(dòng)電壓關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可以看出:驅(qū)動(dòng)器的步距與電壓間的具有良好的線性關(guān)系。尤其是隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增大，線性關(guān)系越好。

步距穩(wěn)定性與驅(qū)動(dòng)電壓關(guān)系曲線如圖4所示。從圖4可以看出:高驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行的穩(wěn)定性要好于低驅(qū)動(dòng)電壓。步距穩(wěn)定性的變化過(guò)程不是線性的。驅(qū)動(dòng)電壓由90V向50V降低時(shí)，步距穩(wěn)定性的變化比較緩慢，即驅(qū)動(dòng)器保持較好的步距穩(wěn)定性。驅(qū)動(dòng)電壓在50～4 V范圍內(nèi)變化時(shí)，步距穩(wěn)定性的變化明顯加劇，說(shuō)明驅(qū)動(dòng)器受摩擦等外界因素的影響比重明顯加大了。

圖3 步距—驅(qū)動(dòng)電壓特性曲線Fig 3 Step distance vs driving voltage characteristic curve

圖4 步距穩(wěn)定性—驅(qū)動(dòng)電壓特性曲線Fig 4 Stability of step distance vs driving voltage characteristic curve

3 基于LabVIEW的驅(qū)動(dòng)器閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

以上對(duì)驅(qū)動(dòng)器的試驗(yàn)研究都是基于開(kāi)環(huán)控制的，經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雖然驅(qū)動(dòng)器的步距能夠達(dá)到0．05 μm，但是存在步距誤差，尤其是在小驅(qū)動(dòng)電壓下運(yùn)行，誤差明顯增大。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器空載時(shí)，在最小驅(qū)動(dòng)電壓下，步距的穩(wěn)定性為25%。步距的穩(wěn)定性是衡量驅(qū)動(dòng)器性能好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。為了改善驅(qū)動(dòng)器的步距穩(wěn)定性，本文采用閉環(huán)反饋控制的方法，來(lái)補(bǔ)償步距誤差，以此來(lái)提高驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3．1 驅(qū)動(dòng)器閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本思想

閉環(huán)控制主要目的就是要提高驅(qū)動(dòng)器步距穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)精確定位，閉環(huán)控制的基本思想如圖5所示。在驅(qū)動(dòng)器工作前，預(yù)先設(shè)定要達(dá)到的目標(biāo)位移S，在相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)傳感器適時(shí)采集當(dāng)前的實(shí)際輸出位移S1，并送入控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將實(shí)際位移同目標(biāo)位移作比較，判斷ΔS（ΔS=S－S1）是否滿足，相應(yīng)的判斷條件，如果不滿足，則再次給驅(qū)動(dòng)器相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)多次的采集、比較，直到ΔS滿足了相應(yīng)的判斷條件，驅(qū)動(dòng)器最終停止在目標(biāo)位置。

圖5 閉環(huán)控制基本思想Fig 5 Basic idea of closed-loop control

3．2 控制系統(tǒng)的工作原理

控制系統(tǒng)工作原理如圖6所示，包括PC機(jī)、10 MHz帶寬功率放大器、壓電陶瓷專用電源、PCI—6229NI數(shù)據(jù)采集卡、LC—2400激光測(cè)微儀、CB—68LP型號(hào)的端子板以及若干條標(biāo)準(zhǔn)電纜。

圖6 閉環(huán)控制系統(tǒng)原理Fig 6 Principle of closed-loop control system

基于虛擬儀器LabVIEW軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在PC機(jī)上編制驅(qū)動(dòng)器閉環(huán)控制程序，通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)采集卡DAQ驅(qū)動(dòng)程序，使數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生3路模擬電壓信號(hào)。這3路電壓信號(hào)通過(guò)便于信號(hào)輸出和輸入的端子板CB—68LP分別連接到功率放大器和壓電陶瓷專用電源上，電壓信號(hào)得到放大，同時(shí)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)。同時(shí)激光測(cè)微儀對(duì)動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)位移進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量，并將測(cè)得的位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再通過(guò)端子板CB—68LP把位移電壓信號(hào)傳遞給數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡采集到電壓信號(hào)，再將此電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制程序識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。控制系統(tǒng)將對(duì)反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)一定的控制規(guī)則進(jìn)行判斷，然后再次調(diào)用DAQ驅(qū)動(dòng)程序，使數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生所需要的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)（2路箝位電壓信號(hào)始終保持不變）。從而對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。通過(guò)這種方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的閉環(huán)反饋控制。

3．3 定位停止閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)流程如圖7所示?？刂七^(guò)程分為2個(gè)部分:快速運(yùn)動(dòng)和慢速運(yùn)動(dòng)。首先讓驅(qū)動(dòng)器在較大驅(qū)動(dòng)電壓下快速接近快速運(yùn)動(dòng)時(shí)的目標(biāo)位置S0，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定的閾值范圍內(nèi)，改變驅(qū)動(dòng)電壓讓其在小驅(qū)動(dòng)電壓下慢速運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)循環(huán)和反復(fù)比較，直至到達(dá)最終目標(biāo)位置S后停止。例如:要求驅(qū)動(dòng)器在100 μm的位置停止，先讓其快速運(yùn)動(dòng)到95 μm，然后再以小步距移動(dòng)到最終目標(biāo)位置。

圖7 閉環(huán)控制系統(tǒng)流程圖Fig 7 Flow chart of closed-loop control system

3．4 定位停止控制系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試

對(duì)所設(shè)計(jì)的閉環(huán)反饋定位停止控制系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，并且和開(kāi)環(huán)定位停止進(jìn)行了比較。以50V驅(qū)動(dòng)電壓下，運(yùn)動(dòng)20步時(shí)為例，此時(shí)步長(zhǎng)為4．1 μm，如果在理想條件下，20步能夠運(yùn)行82 μm，讓驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)20步后記錄下位移值，再讓其在閉環(huán)控制系統(tǒng)下運(yùn)行。為了對(duì)比，取最終目標(biāo)位置為82μm，快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，目標(biāo)位置為75μm，電壓為40V，頻率為10Hz;慢速運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)定電壓4V，頻率是5Hz?？焖匍撝翟O(shè)為0．5 μm，慢速運(yùn)動(dòng)閾值是 0．1 μm。分別測(cè)試了10組開(kāi)環(huán)和閉環(huán)定位停止試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 開(kāi)環(huán)與閉環(huán)測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)Tab 1 Testing contrast data of open-loop and closed-loop

當(dāng)使用開(kāi)環(huán)定位停止時(shí)，定位停止誤差比較大，甚至達(dá)到了mm級(jí)，這是由于驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行過(guò)程中每步都存在步距誤差，經(jīng)過(guò)累積后，定位誤差就會(huì)很大了。如果使用閉環(huán)定位停止系統(tǒng)，其定位精度可達(dá)到0．06 μm，大大提高了驅(qū)動(dòng)器的定位停止精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

以電壓疊堆為驅(qū)動(dòng)源，設(shè)計(jì)并制作了一種步進(jìn)直線精密驅(qū)動(dòng)器，為了克服開(kāi)環(huán)控制下驅(qū)動(dòng)器存在的步距誤差，使用LabVIEW設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)器閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，試驗(yàn)表明:驅(qū)動(dòng)器步距與電壓具有良好的線性關(guān)系，定位精度高，可達(dá)到0．06 μm，工作穩(wěn)定性好。該驅(qū)動(dòng)器在精密控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

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