CN102324253A

CN102324253A - 一种基于压电陶瓷驱动器驱动的并联微定位平台及微定位平台系统

Info

Publication number: CN102324253A
Application number: CN201110147905A
Authority: CN
Inventors: 舒强; 施宁平; 饶学军; 凡木文
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2011-06-03
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2031-06-03
Also published as: CN102324253B

Abstract

基于压电陶瓷驱动器驱动的并联微定位平台及系统包括：微动台和基板及控制系统，微动台包括动平台及四个柔性铰链，在动平台相邻的两侧分别布置着单个和一对并排的压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器一端与动平台之间通过一个万向铰连接，另一端通过另一万向铰与预紧弹簧连接，预紧弹簧由螺钉预紧；在动平台上表面，沿每个压电驱动器轴线方向分别布置着一个电容传感器；电容传感器的一片位于固定在微动台外侧的一个传感器支架上，另一片位于固定在动平台上表面的另一传感器支架上，采用计算机闭环控制。本发明有效提高位移直线度和定位精度，消除耦合，避免驱动器分离，保护压电驱动器。采用增广噪声模型的LQG算法有效抑制窄带地基扰动，提高定位精度。

Description

一种基于压电陶瓷驱动器驱动的并联微定位平台及微定位平台系统

技术领域

本发明涉及微定位平台技术，特别是一种基于压电陶瓷驱动器驱动的并联微定位平台及微定位平台系统，可用于电镜，光学对准等需要高精度定位场合。

背景技术

微定位平台可用于需要高精度定位场合，如电镜，光学对准等，尤其适用于对输出位移的直线度有很高要求的场合。为了减小位移输出耦合，国内外的定位装置均采用串联的形式，中国专利CN 2621876Y提出了对称式设计的柔性导轨，但由于加工和装配的误差实际上仍然存在结构不对称性，输出位移的直线度仍然不能得到保证。中国专利CN 2706835Y提出了一种平面三自由度定位平台，在安装了两个压电驱动器的自由度上，如果两个压电陶瓷驱动器输出不同的位移，其中的一个压电陶瓷驱动器将有可能与被驱动的动平台分离；压电陶瓷驱动器直接作用在动平台上，当与之正交方向的压电陶瓷驱动器有位移输出时，驱动器受到弯矩和剪力的作用，极易破坏压电陶瓷驱动器。美国专利US20030051331A1提出了一种在单自由度上采用双压电驱动器的柔性定位平台，这种定位平台输出位移具有良好的直线性，但是采用了槽式串联结构，为了使X、Y两个方向位移输出都具有良好的直线性，在两个方向都各需要两个压电陶瓷驱动器，提高了成本；同时，采用串联结构的定位平台各个自由度上定位误差存在累积效应，定位精度受到限制。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有串联结构定位平台的不足，提供一种基于压电陶瓷驱动器驱动的并联微定位平台及微定位平台系统，可以消除累积定位误差；消除加工和装配误差导致的结构不对称性对位移输出直线度的影响；消除压电陶瓷驱动器与动平台分离的现象；保证压电陶瓷驱动器的安全。

本发明的技术解决方案是：一种基于压电陶瓷驱动器驱动的并联微定位平台，包括：微动台和用于固定微动台的基板；所述微动台包括中间的动平台以及位于所述动平台四个角落的四个柔性铰链，动平台及四个角落的四个柔性铰链组成二级杆组；在动平台相互垂直的两侧分别布置着单个和一对压电陶瓷驱动器，其中一对压电陶瓷驱动器与动平台的中轴线对称，单个压电陶瓷驱动器与动平台另一侧的中轴线重合；压电陶瓷驱动器一端与动平台之间通过一个万向铰连接，压电陶瓷驱动器的另一端通过另一万向铰与预紧弹簧连接，预紧弹簧通过螺钉预紧；在动平台上表面，沿着每个压电陶瓷驱动器轴线方向分别布置着一个电容传感器；所述电容传感器的一片位于固定在微动台外侧的一个传感器支架上，另一片位于固定在动平台上表面的另一传感器支架上。

本发明的并联微定位平台的动态工作过程：动平台四角分别有四个柔性铰链形式的二级杆组，动平台发生运动时，所有的变形都集中在柔性铰链处。当动平台的一侧安装的两个压电陶瓷驱动器输出相等的位移时，动平台沿该方向作直线运动；当动平台另一侧驱动器输出位移时，与之垂直一侧的两个压电陶瓷驱动器同时作用在动平台上以校正因结构不对称性导致的偏转，从而使该方向位移输出具有很高的直线度；当动平台一侧的两个压电陶瓷驱动器输出大小相等方向相反的位移时动平台产生纯转动，当输出的位移不同时，动平台除了有平动还有转动产生。总之，在动平台运动的过程中，三个电容传感器实时检测运动的位移，并将位移反馈到控制计算机，计算机计算出动平台与参考位移的偏差，通过控制算法计算出的控制信号经D/A转换器和高压放大器使三个压电陶瓷驱动器产生位移同时作用在动平台上，这样就能够校正动平台运动时产生的偏差。

一种基于压电陶瓷驱动器驱动的并联微定位平台系统，包括：基于压电陶瓷驱动器驱动的并联微定位平台和控制系统，控制系统包括工控机、D/A转换器、A/D转换器、电压放大器；工作时，工控机给出参考位移信号，经D/A转换输入到电压放大器，电压放大器驱动三个压电陶瓷驱动器产生伸缩；电容传感器检测的并联微定位平台位移输出经A/D转换输入到工控机，由工控机完成控制，使微定位台的位移输出能够跟踪参考输入信号。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的并联结构提高了定位精度。

(2)本发明在一个自由度上布置双压电陶瓷驱动器能够校正加工和装配产生的不对称性对平台运动直线度的影响，提高了运动直线度。

(3)本发明所采用的机构解耦方便，易于控制。

(4)本发明中增加的预紧弹簧能够保证动平台与连接部件的可靠接触。

(5)本发明中的万向铰能够保证压电陶瓷驱动器不受剪力和弯矩破坏，提高了可靠性。

(6)本发明的控制系统采用LQG控制算法，定位精度高，超调量小。

总之，本发明可以有效提高位移输出直线度，消除位移耦合，提高定位精度，避免驱动器分离的情况发生，保证压电陶瓷驱动器的安全。同时采用增广噪声模型的LQG算法能够有效抑制窄带地基扰动，进一步提高了定位精度。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明微定位平台的机构简图；

图3为本发明微动台主体结构图；

图4为本发明压电陶瓷驱动器装配体组件；

图5a为本发明万向铰结构主视图，图5b为本发明万向铰结构立体图；

图6a为本发明预紧弹簧结构主视图、图6b为本发明预紧弹簧结构立体图、图6c为本发明预紧弹簧结构俯视图；

图7为本发明计算机控制系统示意图；

图8为本发明控制算法框图；

图9a、图9b分别表示在地基振动的干扰下，采用未增广噪声模型的LQG算法和采用增广噪声模型的LQG算法，微定位平台对圆形参考轨迹的跟踪效果；

图10a、图10b分别表示采用噪声增广模型的LQG算法前后微定位平台X方向对0.1单位阶跃输入的跟踪响应曲线。

具体实施方式

本发明由于采用了并联结构，三个驱动器同时作用于动平台，通过闭环控制能够消除平台因加工和装配误差导致的结构不对称性对位移输出直线度的影响；独特设计的压电陶瓷驱动器预紧弹簧能够使驱动器始终压紧在动平台上；万向铰可以避免压电陶瓷驱动器受弯矩而断裂。

如图1所示，本发明的基于压电陶瓷驱动器驱动的并联微定位平台由微动台2和基板1组成，微动台2通过多个紧定螺钉11固定在基板1上。微动台2包括中间的动平台10以及位于动平台10四个角落的四个柔性铰链7a、7b、7c、7d。在动平台10相互垂直的两侧分别布置着单个压电陶瓷驱动器5c和一对并排的压电陶瓷驱动器5a、5b，驱动器5a、5b与动平台10的中轴线对称，驱动器5c与动平台10另一侧的中轴线重合。三个压电陶瓷驱动器5a、5b、5c一端分别与动平台10之间通过万向铰4b、4d、4f连接，三个压电陶瓷驱动器5a、5b、5c的另一端分别通过万向铰4a、4c、4e与预紧弹簧3a、3b、3c连接，预紧弹簧3a、3b、3c通过螺钉6a、6b、6c预紧。动平台10上表面，沿着三个压电陶瓷驱动器轴线方向分别布置着三个电容传感器，12a、12b、12c、12d、12e、12f。三个电容传感器为分离式电容传感器，每个电容传感器其中的一片12b、12c、12e位于固定在微动台10外侧的传感器支架8a、8b、8c上，另一片12a、12d、12f位于固定在动平台10上表面的另一个传感器支架9a、9b、9c上。

如图1所示，当需要使动平台在沿5c轴线方向输出严格的直线位移时，使压电陶瓷驱动器5c产生伸长量，同时驱动器5a，5b根据传感器12e-f，12c-d的检测信号在线计算出的校正量实时校正动平台可能产生的位移偏差；当需要使动平台在沿5a或5b轴线平行的方向输出严格的直线位移时，使该方向的两个参考位移信号相等，计算机根据采集到的位置信号计算出相应的校正量给3个压电陶瓷驱动器就可保证直线位移输出；当需要保证动平台产生严格的平动时，只需要保证传感器12e-f，12c-d的输出信号相等即可；当需要使动平台产生给定的偏转位移时，只需要使传感器12e-f，12c-d输出位移信号之差与5a、5b轴线间距的比值等于给的偏转角即可。

如图2所示，位于动平台10角落的四个柔性铰链7a、7b、7c、7d组成二级杆组将动平台10和动平台10周边的机架相连。总自由度为三，在三个压电陶瓷驱动器共同作用下能够实现平面三自由度定位。

如图3所示，构成微动台2中间的动平台10以及四个柔性铰链7a、7b、7c、7d采用经固溶强化处理的整块超硬铝(7075T6)利用线切割制成。加工时应采用小电流加工并严格保证柔性铰链与动平台两中心轴线的对称性。柔性铰链采用半圆切口，这中切口具有旋转性好的优点。

如图4所示，压电陶瓷驱动器为堆叠式压电陶瓷驱动器，最大驱动电压可达300V，最大输出位移5微米。压电陶瓷驱驱动器两端分别套在万向铰4a、4b内部，万向铰4a与预紧弹簧3a相连。

如图5a和图5b所示，为了防止压电陶瓷驱动器受到剪力和弯矩在其两端安装万向铰。万向铰能够在铰接处绕相互正交的两轴转动，这样可以减小压电陶瓷驱动器受到的剪力和弯矩。万向铰材料选用淬火加人工时效处理的铍青铜，为了保证加工精度可采用线切割加工，加工时先加工其中的两个切口，并保证二者与万向铰轴线对称，然后使万向铰旋转90度，加工另外两个切口。万向铰的刚度需合理设计，使其既能吸收大部分变形能又不至于过软而发生屈曲。设计可以利用有限元法建立微动台装配体的有限元模型，当压电陶瓷驱动器输出最大位移时，检查压电陶瓷驱动器的最大应力是否超出其许用应力；计算出此时压电陶瓷驱动器的轴向载荷，并施加在万向铰的有限元模型上，对万向铰进行屈曲分析，如果没有发生屈曲则说明万向铰的刚度设计符合要求；否则需要重新改变万向铰的设计，并按照以上方法重新检验，直到符合要求为止。

如图6a-图6c所示，压电陶瓷驱动器与预紧螺钉通过预紧弹簧连接。仅仅通过预紧螺钉对压电陶瓷驱动器预紧是不够的，当并排的两个压电陶瓷驱动器输出位移之差较大时，其中的一个驱动器就会与动平台分离。为了补偿分离，在驱动器与预紧弹簧间安装一个预紧弹簧，其刚度需合理设计使其能够补偿其中一个压电陶瓷驱动器同动平台的分离量。借助有限元方法可以精确的计算预紧弹簧的刚度。预紧螺钉的预紧量需通过添加有限元仿真计算获得。具体过程为：建立预紧弹簧的有限元模型，使其一端固定，在另一端施加载荷，记录多次载荷下变形量数据，并绘制出曲线，曲线的斜率即其刚度。预紧弹簧不宜过软，否则微动台的行程过小；亦不宜过大，否则其预变形过小，不足以补偿分离量。在建立微定位平台的有限元模型之后，给预紧螺钉施加一定的位移量以模拟其预紧量。为了保证能够补偿分离只需检验“最坏“的情况：即其中的一个压电陶瓷驱动器变形量为0，另一个压电陶瓷驱动器产生最大的变形，观查此时有没有分离现象发生，如果没有，则设计满足要求；否则需要重新设计，直到不再发生分离现象为止。

预紧弹簧为整块弹簧钢通过车削和线切割加工而成。分为上下两部分，每部分中间都有6个扇形切口，上下两部分通过中间的轴连接。工作时，上下两部分的扇形切口薄片发生弹性变形用来预紧压电陶瓷驱动器以保证动平台不与万向铰分离。

如图7所示，由微定位平台和控制系统组成，控制系统由工控机、D/A转换器、A/D转换器、电压放大器组成。工作时，工控机给出参考位移信号，经D/A转换输入到电压放大器，电压放大器驱动压电陶瓷驱动器产生伸缩。电容传感器检测平台位移输出经A/D转换输入到工控机，由工控机完成控制算法，从而使微定位台的位移输出能够跟踪参考输入信号，即当Y向的两个压电陶瓷驱动器的参考位移向等时，微定位平台输出为严格的平动；当Y向的两个压电陶瓷驱动器参考位移不同时，微定位平台产生平动和XY面内的转动。

如图8所示，本发明的控制算法采用增广噪声模型的LQG算法。系统为三输入三输出的系统，当需要保证严格的直线位移时，参考输入rθ＝0；当需要实现3自由度的运动时，rθ≠0。为了实现跟踪，在每个输入通添加一个积分器，将参考输入和传感器输出的误差积分作为一个状态，对原控制对象的状态空间方程增广。同时为了抑制窄带随机扰动对定位精度的影响，引入了噪声模型，并将扰动的状态增广到系统状态空间方程，利用卡尔曼滤波获得系统状态的最优估计，控制量为状态与反馈增益之积。

增广噪声模型的LQG算法的特点：

(1)引入位移参考输入和传感器信号输出之差的积分作为一个状态变量；

(2)引入地基扰动的噪声模型，将噪声模型的状态变量增广到原控制对象状态空间方程；

(3)将引入噪声增广模型的卡尔曼滤波器对状态的最优估计与一增益向量相乘的结果作为控制量输入到高压放大器。

本发明采用这种控制算法，系统的阶跃响应超调量小，无稳态误差，响应快；由于采用了内模原理对地基振动具有一定的抑制作用。

原控制对象的状态空间方程为：

X(k+1)＝FX(k)+Gu(k)+Jd(k)

Y(k)＝CX(k) (1)

X(k)为微定位系统的状态向量，选择微定位平台的位移输出和位移输出的导数为状态变量。Y(k)＝[x y θ]为位移输出，其三个分量分别表示微定位平台X向位移输出，Y向位移输出和XY平面内的转动角度。F G C通过系统辨识的方法求出。J为噪声分配矩阵。d(k)为地基扰动，噪声模型的状态空间方程为：

X_n(k+1)＝F_nX_n(k)+G_nw(k)

d(k)＝C_nX_n(k) (2)

X_n为噪声模型的状态，w(k)为零均值高斯白噪声，设增广了噪声模型的状态空间方程为：

X_a(k+1)＝F_aX_a(k)+G_au(k)+E_aw(k)

Y＝C_aX_a(k)+v (3)

其中v为电容传感器噪声，假设为零均值高斯白噪声X_a＝[X X_n]^T

G_a＝[G^T 0_nd×p]^T C_a＝[C 0_q×nd]

p为状态方程(1)的输入维数，q为(1)的输出维数，nd为(2)的状态向量的维数。

采用噪声增广模型的LQG算法具体实现为：

首先离线计算出卡尔曼最优滤波增益矩阵L和最优状态反馈矩阵K。再按照以下步骤完成控制算法。

(1)初始化X_{a_k}＝0，u_k＝0，sum_error_k-1＝0；

(2)采样电容传感器的位移输出Y_k，计算微定位平台的状态估计量

{\hat{X}}_{a_k + 1} = (F_{a} - {LC}_{a}) {\hat{X}}_{a_k} + {LY}_{k} + G_{a} u_{k}, e_{k} = r_{k} - Y_{k}, sum_{error}_{k} = sum_erro r_{k - 1} + e_{k};

(3)工控机计算控制量u_k＝K_xX_{a_k}+K_ei·sum_error_k，并输出到D/A；

(4)X_{a_k}＝X_{a_k+1}；

(5)控制结束否，若结束，退出，否则转(2)；

(6)退出控制。

其中K＝[K_x K_ei]，K_x对应当前时刻微动台状态估计值

的状态反馈增益，K_ei对应sum_error_k的反馈增益，sum_error_k为当前时刻给定参考位置与传感器输出信号之差的累计量，r_k为当前时刻给定参考位置，e_k为当前时刻定位误差。

通过仿真发现，当本发明的微定位平台受到来自地基的载带扰动时，分别采用未增广噪声模型的LQG算法和采用增广噪声模型的LQG算法，后者明显的定位精度比前者明显提高，外界振动得到有效抑制。图9a，图9b分别表示在地基振动的干扰下，采用未增广噪声模型的LQG算法和采用增广噪声模型的LQG算法，微定位平台对圆形参考轨迹的跟踪效果，可见后者的跟踪精度显著高于前者。图10a和图10b分别表示采用噪声增广模型的LQG算法前后微定位平台X方向对0.1单位阶跃输入的跟踪效果，可见噪声增广模型的LQG算法能够有效抑制来自于地基的振动。

Claims

1.一种基于压电陶瓷驱动器驱动的并联微定位平台，其特征在于包括：微动台和用于固定微动台的基板；所述微动台包括中间的动平台以及位于所述动平台四个角落的四个柔性铰链，动平台及四个角落的四个柔性铰链组成二级杆组；在动平台相互垂直的两侧分别布置着单个和一对并排的压电陶瓷驱动器，其中一对并排的压电陶瓷驱动器与动平台的中轴线对称，单个压电陶瓷驱动器与动平台另一侧的中轴线重合；压电陶瓷驱动器一端与动平台之间通过一个万向铰连接，压电陶瓷驱动器的另一端通过另一万向铰与预紧弹簧连接，预紧弹簧通过螺钉预紧；在动平台上表面，沿着每个压电驱动器轴线方向分别布置着一个电容传感器；所述电容传感器的一片位于固定在微动台外侧的一个传感器支架上，另一片位于固定在动平台上表面的另一传感器支架上。

2.一种基于压电陶瓷驱动器驱动的并联微定位平台系统，其特征在于包括：基于压电陶瓷驱动器驱动的并联微定位平台和控制系统，控制系统包括工控机、D/A转换器、A/D转换器、电压放大器；工作时，工控机给出参考位移信号，经D/A转换输入到电压放大器，电压放大器驱动三个压电陶瓷驱动器产生伸缩；电容传感器检测的并联微定位平台位移输出经A/D转换输入到工控机，由工控机完成控制使微定位台的位移输出能够跟踪参考输入信号。

3.根据权利要求2所述的基于压电陶瓷驱动器驱动的并联微定位平台系统，其特征在于：所述工控机完成控制使微定位台的位移输出能够跟踪参考输入信号的控制方式采用采用增广噪声模型的LQG算法。