壓電陶瓷微位移的光干涉檢測及復(fù)合控制研究.pdf

1、隨著精密測量技術(shù)的發(fā)展，納米級的位移檢測對相關(guān)系統(tǒng)、設(shè)備的定位精度和分辨力提出了更高的要求。因此需要更穩(wěn)定、更高精度的致動器與控制裝置來實(shí)現(xiàn)位移的精準(zhǔn)定位，為工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究提供保障。壓電陶瓷作為一種可快速產(chǎn)生微位移的致動器，具有體積小、靈敏度高、重量輕、功耗低等特點(diǎn)，但由于自身的遲滯、蠕變等非線性特性，壓電陶瓷致動器微位移的納米級定位需要更高精度的檢測手段并結(jié)合相應(yīng)的控制方法來實(shí)現(xiàn)。
　　針對壓電陶瓷致動器的非線性問題，本文通

2、過前饋與反饋結(jié)合的復(fù)合控制器對壓電陶瓷進(jìn)行位移控制，提高了光干涉裝置對壓電陶瓷的實(shí)時位移的檢測精度，具體研究內(nèi)容如下：
　　(1)設(shè)計了壓電陶瓷驅(qū)動的多次反射裝置以提高邁克爾遜干涉儀位移測量的分辨率。對該裝置的數(shù)值計算發(fā)現(xiàn)光入射角β與動定鏡的夾角α在一定條件下可使放大率提高100倍以上，理論上可使邁克爾遜干涉裝置的檢測精度提高到納米量級；并使用光學(xué)仿真軟件對理論計算結(jié)果進(jìn)行驗證。通過分析計算壓電陶瓷和光電探測器的響應(yīng)時間以及位移放

3、大倍數(shù)對位移測量系統(tǒng)分辨率的影響，結(jié)合光電探測器與高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，搭建了基于位移放大的光干涉測量平臺。
　　(2)針對壓電陶瓷致動器的遲滯特性，以橢圓極坐標(biāo)方式進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，設(shè)計了前饋控制器方案。測量了開環(huán)控制方案下以補(bǔ)償電壓驅(qū)動壓電陶瓷的實(shí)時位移，并與電感測微儀測得的更高精度的結(jié)果進(jìn)行對比校正，發(fā)現(xiàn)當(dāng)驅(qū)動電壓在0～10V范圍內(nèi)時，誤差低于22.6nm，可滿足微米級位移調(diào)節(jié)的精度要求；當(dāng)驅(qū)動電壓在10～110V之間誤差較大，控制

4、誤差的均方差為46.6nm。
　　(3)在開環(huán)控制的基礎(chǔ)上結(jié)合反饋以復(fù)合控制的方式提高了壓電陶瓷控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度與穩(wěn)定性。通過遺傳算法對PID控制器的參數(shù)進(jìn)行整定，在Kp=36、Ki=0.14、Kd=0.029時，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間可低至1.8ms，穩(wěn)態(tài)誤差僅為標(biāo)稱位移的0.23％。經(jīng)過復(fù)合控制系統(tǒng)的整定，理論上可實(shí)現(xiàn)誤差為6.2nm的精準(zhǔn)定位。通過進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)采集速率，該系統(tǒng)可以遠(yuǎn)低于電感測微儀的成本實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷納米級的精準(zhǔn)定位。