压电致动器开关电荷泵驱动方式研究

压电陶瓷驱动器具有体积小、位移分辨率高、频响宽、承载力大等特点而被广泛应用于精密定位技术中。然而，一般电压源驱动下的压电陶瓷固有的迟滞，蠕变特性，限制了定位系统动态范围、频宽、精度等性能的进一步的提高。我们提出的开关电容电荷泵压电陶瓷驱动方式，通过量化的电荷包，使致动器以固定的步长伸长或者缩短，实现了在开环控制下压电元件位移的线性输出，以及极低的驱动噪声。这种方式还将具有动态响应特性好、接近直流的低频特性、分辨率极高等优点。本项目研究开关电荷泵驱动方式的若干性能；压电元件在开关电容式电荷泵驱动下的迟滞和蠕变特性，建立合适的数学模型，进一步提高驱动性能；电荷泵控制特性的建模，提高系统整体动态特性的措施；与一般电压源驱动、电荷源驱动方式的比较研究；探讨电荷泵驱动在大动态范围、宽带宽下的若干实际应用等。成果有望用来简化某些精密驱动系统的结构，提高其技术指标，降低成本等。

本课题研究的开关电容电荷泵压电陶瓷驱动方式，可以在开环控制下使得压电元件有很好的线性、很低的迟滞，有利于获得动态响应好、分辨率高、经济性好的位置控制系统。提出并实现了多种高压共地电荷驱动方式，方便了开关电荷驱动在工程实践中的应用；通过与应变片组合，在成本较低的情况下，把电荷泵驱动的频率范围拓展到了直流，同时保留了很好的高频特性，实现了大行程、高带宽下极高分辨率的驱动；研究了压电驱动器的漏电流特性，通过分段补偿的办法，在开环情况下将漏电漂移的影响减小到原来的二十分之一以下，为开关电荷泵直流特性提供了有力保障；使用开关电荷驱动在不使用模数转换器和数模转换器的情况下，实现了探针扫描成像，且具有非线性失真小、扫描速度快的特点；还提出了基于图像相关导引的扫描方式，减小了电荷驱动时漏电流及温度漂移的影响，实现了超长时间探针扫描成像，此技术还可以用在超大幅面成像中；提出了平衡驱动方式，使用二级压电元件既实现了高速大行程致动，又能与固定平台稳定连接。到目前为止，在该基金支持下共发表了14篇SCI论文及申请了一项国际专利，培养了3名博士研究生。