基于纳米定位的压电陶瓷驱动器二进制控制

    纳米级微位移驱动器已成为微机电系统(MEMS)、扫描探测显微镜、超精密加工、细胞操作、光纤对接等诸多领域决定系统精度的关键执行器件。压电陶瓷驱动器(PZTA)具有体积小,位移分辨率高,无机械摩擦,不发热,响应快,无噪声等优点,缺点是在电场作用下将产生非线性、迟滞和蠕变^[1-4],从而降低位移输出精度。Jung Hewon^[5]利用Preisach模型补偿原子力显微镜z轴方向PZTA的非线性和迟滞,改善了扫描图像的质量。Ge Ping等[6]用Preisach模型描述PZTA的非线性和迟滞,在开环控制下,实现了正弦波和三角波3%的跟踪精度。文献[7]采用电荷驱动恒流源,以半导体应变片作为位移检测元件,并运用EMM方法对PZTA的动态特性进行校正,获得了良好的线性度。文献^[8]将单层神经网络同PID控制相结合,构成具有自适应和自学习特点的神经网络控制系统,使PZ-TA取得了很高的定位精度。Ge Ping等[9]将前馈控制同PID反馈控制相结合,使定位精度比开环控制提高80%,比单纯前馈控制或PID反馈控制提高50%。本文采用开环二进制控制原理控制PZTA,可克服非线性和迟滞缺陷,提高PZTA的位移输出精度。

    1　PZTA的二进制控制原理

    PZTA的电压-位移曲线如图1所示。从图中可见存在着明显的非线性和迟滞缺陷。

    为了克服PZTA的非线性和迟滞缺陷,提高其位移输出精度,构建二进制控制原理为由10个PZ-TA串联构成的驱动器组,如图2所示,每一个驱动器两端由电极板构成独立的控制电路,电极板产生的电场使PZTA发生伸缩,电极板之间是绝缘的。每一个PZTA控制电路的控制方式为“开”或“关”,当控制方式为“开”时,在控制电场作用下,经激光干涉仪的测试,驱动器0~3分别输出1 nm、2 nm、4 nm、8 nm的位移,驱动器n输出2ⁿnm的位移,也就是按照二进制原理输出位移。当控制方式为“关”时,相应的驱动器输出位移为0。如当需要驱动器输出20 nm的位移时,只需驱动器2、4的控制方式为“开”,其他驱动器的控制方式为“关”即可。当不同的驱动器组合在一起受到激励时,就能获得很多可重复的输出位移,所得到的输出位移数量与驱动器的数量(N=n+1)成比例,即为2^N。这样,一组N=10的PZTA能输出1 024个离散位移,当N=12时,能够获得4 096个输出位移,如果这些输出位移平均分布在一个或几个微米的位移范围内,只是通过简单的“开”、“关”驱动器而无需反馈控制就可以获得纳米级的重复定位。这种控制方式的优点是只利用了每个PZTA在某一电压作用下的单一输出位移,与其他电压作用下的输出位移无关,这样,就有效地避开了PZTA的非线性和迟滞缺点,从而与每一个PZTA的电压-位移曲线的非线性和迟滞无关,这样就提高了其位移输出精度。另外,这种控制方式简单,便于在无法使用反馈控制的MEMS中集成,而且降低了成本。