一种压电定位装置的振动和非线性抑制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种压电定位装置的振动和非线性抑制方法，包括：(1)对输入压电定位装置的压电陶瓷的电压信号进行预处理；(2)对压电定位装置进行动力学建模，得出压电定位装置关键参数以及输入电压与输出位移之间的开环传递函数；(3)采用积分反馈方法对压电定位装置进行闭环控制；(4)用设置于压电陶瓷与柔性铰链之间的力传感器的测量值作为反馈量，对压电定位装置进行反馈控制，通过位移传感器对柔性铰链的输出位移进行测量，实现压电定位装置振动和非线性的抑制。本发明专利技术不依赖于模型的建模精度，可以同时对振动和非线性进行抑制；满足了现代精密制造对压电定位装置高精度、高跟踪性能的要求，提高了工作效率。

Vibration and nonlinear suppression method of piezoelectric positioning device

The invention discloses a positioning device of piezoelectric vibration and nonlinear suppression methods, including: (1) the voltage signal of the piezoelectric ceramic piezoelectric input positioning device for pretreatment; (2) the dynamic modeling of piezoelectric positioning device, the positioning device between the piezoelectric parameters and input voltage and output displacement the open-loop transfer function; (3) using the integral feedback method for piezoelectric positioning device for the closed-loop control; (4) for measuring force sensor is arranged between the piezoelectric ceramic and flexure hinge value as the amount of feedback to the piezoelectric positioning device of feedback control, the displacement sensor output displacement of flexure hinge are measurement, suppression of piezoelectric vibration and nonlinear positioning device. The modeling accuracy of the invention does not depend on the model, the nonlinear vibration and suppression; meet the modern precision manufacturing of piezoelectric positioning device with high precision and high tracking performance requirements, improve work efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种压电定位装置的振动和非线性抑制方法
本专利技术涉及微机电系统领域，特别是涉及一种压电驱动位移平台的振动和非线性抑制方法。
技术介绍
压电定位装置是由压电陶瓷(PZT)驱动的能够提供纳米级分辨率的机械定位装置。压电定位装置具有刚度高，尺寸紧凑，位移分辨率高，快速响应以及低功耗的优点，已被广泛应用于精密定位、纳米制造系统、原子力显微镜扫描和光学测试等领域。然而，压电定位装置的定位精度会受到PZT非线性和机械振动的影响。非线性包括迟滞(发生在大位移情况下)和蠕变作用(发生在低频扫描时)。而机械振动是由于扫描信号高阶分量接近或超过定位装置的一阶固有频率进而引发共振而造成的。目前针对非线性和振动的控制方法，主要有前馈调节或反馈调节。前馈调节方法的准确度严重依赖建模精度，而反馈调节只能提供有限的补偿作用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种压电定位装置的振动和非线性抑制方法，对压电定位装置迟滞、蠕变和机械振动进行有效控制，以解决现有技术存在的问题。本专利技术通过基于最小加速度准则的输入信号轨迹规划和积分力反馈控制方法实现了压电定位装置振动和非线性双重控制。为了解决上述技术问题，本专利技术采用了如下技术方案：一种压电定位装置的振动和非线性抑制方法，包括以下步骤：(1)对输入压电定位装置的压电陶瓷的电压信号进行预处理；(2)对压电定位装置进行动力学建模，得出压电定位刚度、阻尼、固有频率以及输入电压与输出位移之间的开环传递函数；(3)采用积分反馈方法对压电定位装置进行闭环控制；(4)用设置于压电陶瓷与柔性铰链之间的力传感器的测量值作为反馈量，对压电定位装置进行反馈控制，通过位移传感器对柔性铰链的输出位移进行测量，实现压电定位装置振动和非线性的抑制。进一步的，步骤(1)包括对输入压电陶瓷的三角波轨迹进行分段优化：线性区域保持不变，利用最小加速度准则对信号波形尖点区域进行波形平滑处理。进一步的，步骤(1)中对输入压电陶瓷的三角波进行尖点平滑过渡处理：令一个周期内波峰和波谷处平滑过渡曲线的时间周期总共占一个信号周期的P％，则波峰平滑过渡曲线的左右端点A和C的横坐标绝对值表示为：tc＝T·P％/4以五次多项式建立平滑过渡曲线AB，其函数表达式表示为：yAB＝f(t)＝a1t5+a2t4+a3t3+a4t2+a5t+a6,(-tc≤t≤0)式中：a1～a6为多项式系数；利用Matlab软件计算出满足所有约束条件和目标函数的参数；一个完整周期的驱动信号总共分为六段分别为：BC、CG、GH、HJ、JQ和QU，一个周期0～T内驱动信号的最终分段函数表达式表示为：其中，Am为幅值，T为周期。进一步的，步骤(3)中，积分环节的增益值通过得到；其中ωp为极点固有频率，ωz为零点固有频率，ga、gs为系数。进一步的，步骤(2)中，输入电压为Va输出位移为d，得到输入电压与输出位移的开环传递函数为：进一步的，力传感器(3)安装在压电陶瓷(2)与柔性铰链(1)之间，用于测量压电陶瓷与柔性铰链相互作用力Fs；利用Fs进行积分力反馈；步骤(3)中通过引入积分环节进行力反馈控制；α表示增益值，表示积分环节。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：将输入信号预处理方法和积分力反馈方法集成应用在压电定位装置的振动和非线性控制中，该方法具有：结构简单，鲁棒性好，不依赖于建模精度的优点。在满足现代精密制造对压电定位装置高精度、高跟踪性能需求的基础上，实现了对振动和非线性的集成控制。附图说明图1为对称三角波尖点平滑过渡曲线；图2为压电定位装置结构图；图3为积分力反馈框图；图4为系统硬件指示图；图5(a)和图5(b)分别为振动和非线性抑制效果图。具体实施方式下面结合附图说明本专利技术的优选实施例。请参阅图1至图4所示，本专利技术一种压电定位装置的振动和非线性抑制方法，包括以下步骤：(1)对输入压电陶瓷的电压信号进行预处理：对输入三角波轨迹进行分段优化。线性区域保持不变，利用最小加速度准则对信号波形尖点区域进行波形平滑处理。在不改变信号关键特性的基础上，实现对信号频域高阶分量的抑制。(2)对压电定位装置进行动力学建模得出系统刚度、阻尼、固有频率以及输入电压与输出位移之间的开环传递函数。(3)采用积分反馈方法对压电定位装置进行闭环控制，积分环节的增益值通过得到。(4)用设置于压电陶瓷与柔性铰链之间的力传感器的测量值作为反馈量，对压电定位装置进行反馈控制，反馈控制的硬件指示图如图4所示。通过位移传感器对柔性铰链的输出位移进行测量，实现了压电定位装置振动和非线性的抑制。如图1所示，对输入三角波进行尖点平滑过渡处理。图中细虚线表示对称三角波信号尖点波形。粗实线为经过尖点平滑过渡修整后的信号波形，其中波峰和波谷处以平滑曲线代替对称三角波波形尖点，如图中曲线ABC,EF和GHJ。令一个周期内波峰和波谷处平滑过渡曲线的时间周期总共占一个信号周期的P％，则波峰平滑过渡曲线的左右端点A和C的横坐标绝对值可表示为：tc＝T·P％/4以五次多项式建立平滑过渡曲线AB，其函数表达式可表示为：yAB＝f(t)＝a1t5+a2t4+a3t3+a4t2+a5t+a6,(-tc≤t≤0)式中：a1～a6——为多项式系数。而平滑过渡曲线AB有六个位置参数，所以当B点位置a6确定时，就可根据五个等式约束计算出其余的未知参数a1～a5。因此上述问题转化为一个线性规划问题，可利用Matlab软件计算出满足所有约束条件和目标函数的参数。根据图1一个完整周期的驱动信号总共分为六段分别为：BC、CG、GH、HJ、JQ和QU，所以一个周期0～T内驱动信号的最终分段函数表达式可表示为：由柔性铰链1、压电陶瓷(PZT)2以及平面镜组成为压电定位装置如图2所示。输入电压为Va输出位移为d。可以得到输入电压与输出位移的开环传递函数为：力传感器3安装在PZT2与柔性铰链1之间，用于测量PZT与柔性铰链相互作用力Fs。利用Fs进行积分力反馈。反馈控制框图如图4所示。通过引入积分环节进行力反馈控制。反馈控制的硬件系1为柔性铰链结构、2为PZT致动器、3为力传感器、4为位移传感器。主要工作过程：1.在信号预处理环节对输入信号进行预处理，2.利用力传感器测量值作为反馈量进行闭环系统积分力反馈控制，3.在反馈控制同时，通过位移传感器测量柔性铰链末端位移验证复合控制效果。所用仪器设备有：采用泰克的AFG3052C双通道任意函数发生器作为信号发生装置；采用美国Thorlabs公司的PZS001型堆栈式压电陶瓷2，其控制器采用MDT693A单通道开环控制器；采用德国米铱公司的capaNCDT6500非接触位移传感器4测量位移变化，采用德国HBM微型力传感器3进行接触力的动态测量；采用斯坦福公司的SIM960PID控制器以及SIM980加法器来进行反馈控制；数据采集模块有采集卡NI-PXI6133PXI和主机NI-PXI1031组成。实验结果如图5所示：在对压电定位装置进行控制后，在50Hz三角波扫频过程中，由于迟滞和机械振动引起的最大位移误差由控制前的1.47μm(18.47％)减小到控制后的161nm(2.03％)。而振动也减小了48.5dB。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电定位装置的振动和非线性抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对输入压电定位装置的压电陶瓷的电压信号进行预处理；(2)对压电定位装置进行动力学建模，得出压电定位刚度、阻尼、固有频率以及输入电压与输出位移之间的开环传递函数；(3)采用积分反馈方法对压电定位装置进行闭环控制；(4)用设置于压电陶瓷与柔性铰链之间的力传感器的测量值作为反馈量，对压电定位装置进行反馈控制，通过位移传感器对柔性铰链的输出位移进行测量，实现压电定位装置振动和非线性的抑制。

【技术特征摘要】
1.一种压电定位装置的振动和非线性抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对输入压电定位装置的压电陶瓷的电压信号进行预处理；(2)对压电定位装置进行动力学建模，得出压电定位刚度、阻尼、固有频率以及输入电压与输出位移之间的开环传递函数；(3)采用积分反馈方法对压电定位装置进行闭环控制；(4)用设置于压电陶瓷与柔性铰链之间的力传感器的测量值作为反馈量，对压电定位装置进行反馈控制，通过位移传感器对柔性铰链的输出位移进行测量，实现压电定位装置振动和非线性的抑制。2.根据权利要求1所述的一种压电定位装置的振动和非线性抑制方法，其特征在于，步骤(1)包括对输入压电陶瓷的三角波轨迹进行分段优化：线性区域保持不变，利用最小加速度准则对信号波形尖点区域进行波形平滑处理。3.根据权利要求2所述的一种压电定位装置的振动和非线性抑制方法，其特征在于，步骤(1)中对输入压电陶瓷的三角波进行尖点平滑过渡处理：令一个周期内波峰和波谷处平滑过渡曲线的时间周期总共占一个信号周期的P％，则波峰平滑过渡曲线的左右端点A和C的横坐标绝对值表示为：tc＝T·P％/4以五次多项式建立平滑过渡曲线AB，其函数表达式表示为：yAB＝f(t)＝a1t5+a2t4+a3t3+a4t2+a5t+a6,(-tc≤t≤0)式中：a1～a6为多项式系数；利用Matlab软件计算出满足所有约束条件和目标函数的参数；一个完整周期的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志刚，张萌，步明繁，朱裕，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61