压电陶瓷高动态精密定位驱动机理与控制方法研究

针对压电陶瓷在高动态运动精密定位需求，基于PWM电流可控的能量回收式高效驱动和系统逆补偿控制的思想，研究高速振动抑制及减小非线性的控制方法。主要研究内容包括：研究适应于压电陶瓷纳米定位平台高动态运动的PWM能量回收式驱动机理，采用电流和电压双闭环反馈方式，重点解决动态运动状态下压电陶瓷漏电流的影响以及压电陶瓷和功率放大器之间电荷交换；考虑高动态运动条件下温度场的影响，建立压电陶瓷多场耦合非线性本构模型，研究纳米定位平台系统级动力学模型及机电耦合模型等基础理论问题；研究基于PWM电流线性驱动的系统逆前馈补偿技术，重点解决纳米定位平台在高动态运动状态下振动补偿和非线性控制问题。本项目的研究对于实现面向高动态应用的压电陶瓷纳米定位技术具有重要的理论和应用价值。

随着纳米技术和纳米科学在最近20年的迅猛发展，在微电子/光电子制造、微纳制造、生命科学、汽车工业、超精密加工与测量等领域越来越迫切需要高速动态纳米定位系统。针对压电陶瓷在动态高速定位领域应用，对压电陶瓷迟滞和蠕变建模并对其进行逆补偿的控制方法是目前国内外的研究热点，但由于存在迟滞等非线性因素，对系统迟滞建模和求取逆模型的复杂性、模型参数的灵敏性是该类方法所面临的挑战。此外，在压电陶瓷动态应用中，线性驱动电源的效率低，发热量大的问题一直限制着压电陶瓷在高动态领域的应用，需要研究PWM能量回收式高效驱动方式，降低压电陶瓷驱动电源的能耗、提高效率。本项目研究内容包括：.1、研究压电陶瓷纳米定位平台高动态运动的 PWM 能量回收式驱动机理，采用电流和电压双闭环反馈方式，PWM驱动电路模型和系统模型，利用电感电路进行储能，对电场能回收；.2、针对高动态精密定位应用，通过加入平衡补偿电阻，采用电阻匹配补偿及电荷积分反馈的方法，设计出一种新型的面向高动态精密定位的电荷型压电陶瓷驱动电源，解决了动态运动状态下压电陶瓷漏电流的影响以及压电陶瓷和功率放大器之间电荷交换，位移输出线性度较好，迟滞等非线性减少到1%；.3、研究高速运动条件下压电陶瓷机电耦合模型和系统动力学模型；研究基于压电陶瓷非线性本构模型，应用系统逆补偿的原理，提出了对高频振动、非线性等进行补偿的高精度高频响控制方法。.4、研究粘滑驱动纳米精密定位技术，基于粘滑驱动跨尺度运动生成机理，建立粘滑驱动系统的一体化动力学模型；针对变负载情况下摩擦界面正压力变化，提出了一种基于粘滑原理和凸轮传动的压电陶瓷驱动的新型跨尺度精密定位平台等。.在本项目资助下，共计发表论文16篇，其中SCI源国际期刊8篇，EI源期刊3篇，中文核心期刊4篇，国际会议1篇；SCI检索8篇，EI检索10篇；出版英文专著一部，题目为“NanopositioningTechnologies – Fundamentals and Applications”，系统描述了纳米精密定位技术，是本项目重要成果之一；申请发明专利10项，其中授权发明专利7项，授权实用新型4项。.本项目的研究成果将为压电陶瓷在高速动态定位中的实际应用，提供驱动方案、控制方法等方面提供参考。