【摘 要】
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半导体制造技术、超精密机械加工等先进制造技术、显微镜以及精密仪器仪表等科技领域急需大行程、高速和高分辨率定位系统。目前,常用永磁伺服电机等传统电机实现高速连续宏动粗定位,用压电致动器等新型驱动器实现微运动精密定位,通过二种不同类型驱动器实现宏微动结合来构建大行程、高速、高精度定位系统,该系统存在结构复杂、体积大、易受电磁场影响、驱动控制难度大等问题。本文结合本研究室提出的集宏微运动于一体的压电致动
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半导体制造技术、超精密机械加工等先进制造技术、显微镜以及精密仪器仪表等科技领域急需大行程、高速和高分辨率定位系统。目前,常用永磁伺服电机等传统电机实现高速连续宏动粗定位,用压电致动器等新型驱动器实现微运动精密定位,通过二种不同类型驱动器实现宏微动结合来构建大行程、高速、高精度定位系统,该系统存在结构复杂、体积大、易受电磁场影响、驱动控制难度大等问题。本文结合本研究室提出的集宏微运动于一体的压电致动器,从控制系统的驱动电源设计、控制方法开展压电致动器宏微驱动控制关键技术研究,工作内容和成果如下:1.用有限元分析软件对压电致动器定子进行分析,得出单相激励比双相激励产生的椭圆轨迹位移小近40%;交流方波激励比纯正弦激励产生的椭圆轨迹略大,但不平滑;直流信号激励时,定子驱动足点会伸长和缩短变形,对二相振子施加一定规律的直流激励信号,驱动足点可以在切向方向输出周期性步进微位移。2.用激光测振仪测量样机定子驱动足点的振幅,实测结果表明正弦激励时的振幅按正弦规律变化,交流方波激励时的振幅变化不平滑;在220V正弦交流激励下,振幅峰值达到350μm左右;在幅值340V、频率为20HZ的直流脉冲激励时,驱动足点变形幅度达到200nm左右;当交流幅值小于80V,驱动足点振幅变化不再平滑。相位差、频率、电压调节滑块连续宏动都存在速度死区;脉冲群激励时,步进位移输出存在最小脉冲数要求,在预紧力为50N、空载情况下,最小脉冲数为20个,且激励信号波动使得相同脉冲数输出位移不同。3.分析了直线运动压电致动器定子的动态和静态特性,得到二相驱动信号与定子驱动足点运动轨迹关系。对定子和滑块的接触面进行了分析,建立了滑块接触阶段和脱离阶段的运动方程。对影响压电致动器速度的因素进行了分析,分析表明适当增大预压力对滑块运动有利,但大于一定值后,对滑块运动起阻碍作用。4.设计了正负高压可调直流电源作为供电电源,功率放大电路仅用4个功率管实现2相交流方波或正负直流脉冲输出;研究了基于半桥LLC谐振变换器的多路独立输出稳压直流电源作为系统辅助电源。测试结果验证了宏微驱动系统能输出幅值、相位、频率独立可调的交流方波,正负可调的直流脉冲;辅助电源整机效率为80%,纹波控制在0.5%。设计了变结构LCC谐波抑制网络来改善波形质量,进而改善驱动足点的运动轨迹。四个开关管构建的2相逆变电路输出为2电平,输出谐波含量达到40%,根据多电平技术能降低谐波含量,因此研究了单相仅需要6个管的5电平宏微驱动电路,用matlab建立电路模型,仿真表明消除了3次谐波,谐波失真降低到28%。5.提出了二相不对称电压激励控制方法,用有限元软件验证了不对称激励能改变椭圆轨迹在法向和切向上的位移分配,可以改变压电致动器输出性能;采取了无模型自适应PID控制策略,以解决由于压电致动器非线性和时变性产生的控制难题,测试结果表明模糊自适应PID无超调量,阶跃响应速度比模糊控制要快。6.针对连续宏动存在速度死区和低速不稳定,脉冲群激励存在最小脉冲数,提出了基于速度和步进位移最小值的多模式切换定位控制策略,测试结果证明了能实现宏动和步进运动切换,定位精度达到1μm。
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