1 河南科技大学 机电工程学院, 河南 洛阳 471003
2 河南科技大学 机械装备先进制造河南省协同创新中心, 河南 洛阳 471003
基于阿基米德螺线方程提出一种等间距螺旋电极压电驱动器, 该文分析了其电极结构与驱动原理, 采用丝网印刷法对该驱动器螺旋电极进行了印制, 并完成待测元件的制备。搭建了位移测试平台测试元件的静态性能, 并对其静态的径向位移及平面扭转角进行了研究。试验结果表明, 直径25 mm、厚2 mm、电极宽0.6 mm、电极中心距1.2 mm的等间距螺旋电极压电驱动器在频率0.5 Hz、电压200 V的正弦激励信号作用下, 径向峰值位移可达1.02 μm, 为传统电极压电元件的1.57倍, 扭转角度可达0.12 mrad, 与传统型压电驱动器相比, 该元件具有较大的径向位移输出,且产生的扭转角度明显。
等间距 螺旋电极 压电驱动器 制备 扭转角 equally spaced spiral electrode piezoelectric actuator preparation torsion angle
1 哈尔滨工业大学(深圳)机电工程与自动化学院, 广东 深圳 518000
2 深圳市西渥智控科技有限公司, 广东 深圳 518000
该文搭建迟滞测量实验平台, 测量一种用于LED晶圆检测压电执行器的迟滞效应, 设计了一种基于长短期记忆(LSTM)神经网络的压电迟滞模型, 使用时间序列预测法对压电执行器位移迟滞效应建模。将该模型与传统的Prandtl-Ishlinskii(PI)模型进行对比。实验结果表明, 神经网络模型具有较好、较广泛的迟滞建模效果, 对于正弦波, 位移预测精度保证小于2%; 对于衰减正弦波, 位移预测精度可保证小于3%。较高的模型预测精度为使用压电执行器进行LED晶圆检测提供了依据。
压电执行器 迟滞非线性 长短期记忆(LSTM)神经网络 piezoelectric actuator hysteresis nonlinearity long short-term memory(LSTM) neural network
1 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院，上海20620
2 格鲁斯特大学 计算与工程学院，英国 切尔滕纳姆GL50 RH
3 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春100
4 上海交通大学 机械与动力工程学院 机械系统与振动国家重点实验室，上海20020
为了解决三自由度压电驱动纳米偏摆台中的多轴耦合与迟滞问题，设计了一种可以同时表征多个压电驱动器间耦合效应及其自身迟滞效应的耦合迟滞模型，并利用其逆模型进行前馈补偿以提升平台的定位和轨迹跟踪精度。首先，搭建了三自由度压电驱动偏摆台的控制系统并建立其运动学模型，将末端平台三自由度运动转化为三个压电驱动器的输出。然后，建立基于Prandtl-Ishlinskii模型的耦合迟滞模型，并对该模型及其逆模型的参数进行辨识。最后，通过开环逆模型前馈补偿来验证模型的有效性，并利用结合逆模型前馈和反馈的复合控制方法进行轨迹跟踪控制。实验结果表明：逆模型开环前馈补偿使三个压电驱动器间最大耦合位移均降低了70%以上，证明了所建立耦合迟滞模型的有效性，结合闭环反馈的复合控制方法对空间轨迹进行跟踪的最大均方根误差仅为0.06 mrad和0.42 μm，相比单纯闭环反馈分别减少了72%和87.5%，最大误差也减少了76%以上，有效消除了平台中耦合迟滞的影响，提高了平台的定位精度。
压电偏摆台 压电驱动器 耦合迟滞模型 逆补偿 跟踪控制 tip-tilt-piston piezoelectric stage piezoelectric actuator coupled hysteresis model inverse compensation tracking control 光学 精密工程
2023, 31(20): 2964
1 哈尔滨理工大学 自动化学院，黑龙江哈尔滨50080
2 哈尔滨理工大学 黑龙江省复杂智能系统与集成重点实验室，黑龙江哈尔滨150040
压电陶瓷驱动器（PEAs）是一种多用于在精密仪器仪表中实现高速、高精度定位的智能驱动器。然而，其自身存在迟滞、蠕变等非线性，尤其是迟滞特性严重影响了压电驱动器的的控制精度。针对迟滞建模中的不对称和速率相关问题，提出一种多延时输入Prandtl-Ishlinskii（MDPI）模型，基于传统PI模型引入了一组延时输入来描述迟滞的率相关特性，随后加入了偏移系数用于改善模型的非对称性。最后，在压电微运动平台上采集了1~100 Hz的1 V正弦信号实验数据，并与率相关PI模型和动态延迟PI模型进行了模型精度对比。实验结果表明，相比另外两个动态PI模型，该模型能够更准确地描述PEAs的动态特性和迟滞特性。在50 Hz和100 Hz下，MDPI模型最大绝对误差（MAE）分别为0.081 5 μm和0.142 9 μm，均方根误差（RMSE）分别为0.009 5 μm，0.011 9 μm。相较二者该模型均方根误差精度分别平均提高了72.46%和64.21%。
压电驱动器 多延时输入 Prandtl-Ishlinskii 动态迟滞 piezoelectric actuator multiple delay-input Prandtl-Ishlinskii dynamic hysteresis 光学 精密工程
2023, 31(10): 1501
1 河南科技大学 机电工程学院, 河南 洛阳 471003
2 河南科技大学 机械装备先进制造河南省协同创新中心, 河南 洛阳 471003
采用丝网电极印刷法制备了局部环状电极压电驱动器, 并对其动力进行了测试研究。搭建了夹持力测试平台, 对局部环状电极压电驱动器和传统压电驱动器的径向夹持力进行测试和分析。实验结果表明, 分别在频率为0.2 Hz和峰值200 V的方波和正弦波激励下, 局部环状电极压电驱动器带电极区的径向夹持力峰值分别为0.60 N和0.58 N, 两种夹持力峰值响应分别是传统元件的2.72倍和2.76倍。无电极区的反向夹持力峰值为0.29 N和0.28 N, 其略大于传统元件的夹持力峰值, 实验结果同时验证了局部环状电极压电驱动器的正交异性。
环形电极 压电驱动器 径向夹持力 制备 正交异性 ring electrode piezoelectric actuator radial clamping force preparation orthogonality
1 盐城工学院 材料科学与工程学院, 江苏 盐城 224051
2 南京理工大学 能源与动力工程学院, 江苏 南京 210094
为了减少压电驱动器迟滞非线性, 提高微系统的定位精度, 该文设计了基于自适应逆控制的压电驱动电源。选用型号TMSF320F28335的数字信号处理(DSP)芯片, 对信号调节器、前级DC-DC的Boost升压电路和后级DC-AC的单相全桥逆变电路进行设计分析。在CCS6.0软件开发环境下进行编程, 实现了SPWM驱动信号的生成、对位移信号进行AD采样和Prandtl-Ishlinskii自适应逆模型的功能。为了验证所设计的压电驱动电源的自适应控制性能, 采用压电陶瓷驱动器开展了基于自适应逆的驱动控制实验。结果表明, 在不采用控制的条件下, 1 Hz时压电陶瓷驱动器的输出位移均方根误差(RMSE）为3.239 5 μm, 绝对值平均误差(MAE）为2.985 1 μm; 随着频率的增加, 20 Hz时RMSE、MAE的最大值分别为21.402 9 μm、19.306 2 μm。使用基于自适应逆控制的压电驱动电源, 1 Hz时RMSE为0.324 9 μm, MAE为0.265 6 μm; 20 Hz时压电陶瓷驱动器的输出位移RMSE为12.639 μm, MAE为11.956 1 μm。
压电驱动器 压电驱动电源 迟滞补偿 Prandtl-Ishlinskii模型 自适应逆 piezoelectric actuator piezoelectric drive power hysteresis compensation Prandtl-Ishlinskii model adaptive inverse
河南科技大学 机电工程学院, 河南 洛阳 471003
该文制备了PZT-52压电陶瓷柱, 采用丝网印刷法在压电陶瓷基体表面附着电极, 研究了管状陶瓷表面电极的印刷工艺流程。利用油浴热极化法对元件进行极化实验, 通过对元件自由位移的检测, 研究了极化时间对压电驱动器位移的影响, 分析了极化时间对电畴转向和银电极成型质量的影响原理。结果表明, 随着极化时间的增加轴向驱动位移逐渐增强, 在极化电压为500 V, 极化温度为110 ℃, 极化时间为60 min时, 叉指形电极管状压电元件最大轴向位移为0.30 μm。
叉指形电极 管状压电驱动器 电极制备 极化时间 轴向位移 interdigitated electrode tubular piezoelectric actuator electrode fabrication polarization time axial displacement
1 郑州轻工业大学 机电工程学院, 河南 郑州 450002
2 郑州轻工业大学 计算机与通信工程学院, 河南 郑州 450002
3 北京航空航天大学 前沿科学技术创新研究院, 北京 100191
该文提出了一种与速率相关的Prandtl-Ishlinskii(P-I)模型来表征压电驱动器的速率相关迟滞非线性。该模型基于双边Play算子的经典P-I模型, 引入多项式修正其中心对称性。在此基础上将驱动电压升降速率引入模型参数中, 用以描述其率相关性。测试压电驱动器的率相关迟滞特性, 采用最小二乘算法对模型参数进行辨识。结果表明, 在速率为0.12~6 V/ms内最大误差为0.076~0.190 μm, 均方根误差为0.044~0.077 μm, 相对误差为1.2%~3.2%, 验证了所建模型的准确性。
压电陶瓷 压电驱动器 迟滞模型 Prandtl-Ishlinskii(P-I)模型 率相关迟滞 piezoelectric ceramics piezoelectric actuator hysteresis model Prandtl-Ishlinskii(P-I) model rate dependent hysteresis
1 上海材料研究所压电材料及器件研究中心，上海 200437
2 上海电子线路智能保护工程技术研究中心，上海 201202
3 上海材料研究所上海市工程材料应用与评价重点实验室，上海 200437
4 上海集成电路研发中心有限公司，上海 201210
多层压电驱动器具有体积小、响应快、刚度大、位移精度高、驱动力大等优点，在光刻机的开发中有广泛的应用。简要介绍了多层压电驱动器的基本结构与特征，列举了多层压电驱动器在光刻机投影物镜的高精度微调、掩模台的定位及光刻机的主动减振等方面的典型应用。最后，对多层压电驱动器的发展方向进行了展望。
激光与光电子学进展
2022, 59(9): 0922024
哈尔滨工业大学(深圳) 机电工程与自动化学院,广东 深圳 518000
压电驱动器位移输出的非线性特性，如迟滞的记忆特性及速率相关性，使压电驱动器的建模与控制较难。该文提出了一种基于门控循环单元(GRU)的新型位移输出控制方法。建立相应的位移输出实验平台来验证和分析压电驱动器的滞后现象。使用 GRU 模拟滞后的内存特性及采用两个全连接层来模拟速率依赖性。该模型是一个端到端系统，其中压电陶瓷和位移放大机构被视为一个整体。针对不同电压输入预测的输出位移量表明,该模型对速率相关的滞后具有很强的泛化能力。使用相同的循环神经网络结构构建逆模型，并进行实验测试。实验结果表明，所提出的位移输出控制法有效地削弱了压电驱动器的非线性特性，有利于将线性系统控制法与前馈补偿法相结合。
压电驱动器 迟滞非线性 位移输出控制 门控循环单元 晶圆测试 piezoelectric actuator hysteresis nonlinearity displacement output control gated recurrent unit wafer test
