压电式微位移定位机构控制系统研究
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摘 要
精密定位技术是精密制造、精密测量和精密驱动中的关键技术之一。压电陶
瓷驱动的微位移器是近年来发展起来的新型微位移器，具有体积小，承载力大，
精度高，分辨率高、效率高、刚度好、易于控制及伸长时无能量消耗等特点，在
广泛的领域中得到应用。
本文在了解国内外微位移定位技术的基础上，对柔性铰链为位移放大机构的
微位移定位系统进行了深入分析研究，并以压电陶瓷驱动电源和微位移定位机构
的控制系统为重点开展了理论分析和实验研究。
首先，本文在分析压电陶瓷的工作机理及特性的基础上，针对其特性设计出
一款压电陶瓷驱动电源。该电源以直流稳压电源作为直流放大电路的高压电源，
具有线性度好、纹波小、带负载能力强、频率响应高等特点，克服了传统驱动电
源频率响应低、输出低电压时出现饱和失真等缺陷。其次，本文自主开发了一套
基于单片机的微位移闭环反馈控制系统，该控制系统采用神经网络间接模型参考
自适应控制算法进行控制，并利用该控制系统进行了微位移精密定位实验和仿真
分析。实验结果表明，本文所设计的单片机控制系统具有低成本，精度较高，容
易扩展等特点，可实现工作平台的快速精密定位。
精密加工技术是国家重点资助的研究领域，而高质量的微位移定位系统是实
现精密加工的关键。本文紧密结合工程实际应用，以机床微位移进给与精密定位
为对象，拟在进一步提高机床加工精度，其研究具有重要的理论价值和实用意义。
关键词：微位移 压电陶瓷 驱动电源 单片机 神经网络模型参考控制
ABSTRACT
Precision positioning technology is one of the key technologies on precision
manufacturing，precision measuring and precision actuating. The piezo-ceramic actuator
is a new micro-displacement device developed in resent years which has been widely
used in many fields because of its good performance. In this dissertation, a new
designed actuator as well as its controller was presented and applied in optical
measurement as phase shifter.
This project, a research about the micro-placement system which is drived by the
piezoelectric ceramics is made on the base of the study of the present situation on
micro-placement system at home and abroad.
In the first place, the paper analyses the working mechanism and characters of the
piezoelectric ceramics, and the power supply of piezoelectric ceramics driver was
designed in allusion to its characters. The power using direct current amplifying
principle is based on DC stabilized power supply.The power possesses some advantages
of good linearity, low ripple noise, powerful payload capability, high frequency
responsibility and handiness. The shortage of the traditional PZT(piezoelectric ceramics)
driver is overcomed.In the second place, a piezoelectric micro-displacement closed-loop
control system based on singlechip microcomputer was designed which adopted the
adaptive neural network model reference control.Furthermore,a lot of experiments have
been done ．And results prove that the designed singlechip control system has the
advantages of lower cost and higher precision。and is able to realize quick-and-precise
positioning．
Precision machining technology is a research field mainly sponsored by the
country, and micro-positioning system with high performance is the key to realize
precision machining. Closely related with the practical problems in engineering, this
dissertation deals with positioning worktable for precision machine tool in order to
improve machining accuracy. It is highly worth of researching and has real engineering
value.
Key words: micro-displacement，piezoelectric ceramics, power supply,
singlechip microcomputer, Neural Network Model Reference Control
目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 课题研究的背景与意义 ...................................................................................1
§1.2 微位移技术的研究现状 ...................................................................................2
§1.3 压电式微位移技术的研究现状 .......................................................................3
§1.4 本文主要研究内容 ...........................................................................................5
第二章 压电式微位移精密定位系统 ............................................................................ 6
§2.1 概述 ...................................................................................................................6
§2.2 压电式微位移精密定位系统 ...........................................................................6
§2.3 压电陶瓷驱动器特性 ........................................................................................8
§2.3.1 压电陶瓷的基本理论 .............................................................................8
§2.3.2 压电陶瓷的特性分析 .............................................................................9
§2.3.3 压电陶瓷驱动器设计 ...........................................................................10
§2.3.4 压电陶瓷驱动器试验性能分析 ...........................................................12
§2.4 微位移精密定位机构 .....................................................................................14
§2.4.1 微位移机构性能分析 ...........................................................................14
§2.4.2 微位移定位机构 ...................................................................................15
§2.5 压电陶瓷驱动电源 .........................................................................................16
§2.6 微位移检测系统 .............................................................................................16
§2.6.1 微位移检测技术概述 ...........................................................................16
§2.6.2 微位移传感器的选择 ...........................................................................17
§2.7 控制系统方案 .................................................................................................18
§2.7.1 压电陶瓷控制类型概述 .......................................................................18
§2.7.2 闭环反馈控制系统 ...............................................................................19
§2.7.3 定位精度的误差分析 ............................................................................20
§2.8 本章小结 ..........................................................................................................20
第三章 驱动电源设计 .................................................................................................. 21
§3.1 驱动电源的国内外研制现状 .........................................................................21
§3.2 驱动电源的特点 .............................................................................................22
§3.3 驱动电源的工作原理 .....................................................................................22
§3.4 驱动电源的设计原则 .....................................................................................24
§3.4.1 电源的可靠性设计原则 ........................................................................24
§3.4.2 电源设计的经济性原则 ........................................................................24
§3.5 驱动电源的设计 .............................................................................................24
§3.5.1 电源设计框图 .......................................................................................24
§3.5.2 直流高压稳压电源设计 .......................................................................25
§3.5.3 直流放大电路设计 ...............................................................................29
§3.5.4 放电回路及短路保护电路设计 ...........................................................31
§3.6 驱动电源性能测试 .........................................................................................33
§3.6.1 放大倍数 ................................................................................................33
§3.6.2 线性度 ....................................................................................................34
§3.6.3 分辨率 ....................................................................................................34
§3.6.4 输出纹波 ................................................................................................35
§3.6.5 频率响应特性 ........................................................................................35
§3.7 本章小结 .........................................................................................................36
第四章 微位移闭环实验系统设计 .............................................................................. 38
§4.1 控制方式的确定 ..............................................................................................38
§4.2 控制系统结构框图 ..........................................................................................38
§4.3 单片机控制系统设计 ......................................................................................39
§4.3.1 单片机基本工作配置电路 ...................................................................39
§4.3.2 控制信号输出电路设计 ........................................................................40
§4.3.3 反馈信号采集电路设计 ........................................................................42
§4.3.4 LED 显示及按键控制电路设计 ...........................................................44
§4.3.5 通信电路设计 ........................................................................................45
§4.4 控制方法分析 ..................................................................................................46
§4.4.1 PID 控制 ................................................................................................ 46
§4.4.2 自适应控制 ............................................................................................46
§4.4.3 神经网络控制 ........................................................................................47
§4.5 试验系统软件设计 .........................................................................................47
§4.5.1 径向基函数(RBF)神经网络 ................................................................ 47
§4.5.2 微位移定位系统的 RBF 神经网络模型参考控制 ............................. 49
§4.6 本章小结 .........................................................................................................50
第五章 微位移定位机构控制系统实验与仿真分析 .................................................. 51
§5.1 单片机基准电压标定试验 .............................................................................51
§5.2 单片机控制系统驱动特性 .............................................................................51
§5.3 微位移定位控制系统仿真分析 .....................................................................52
§5.3.1 闭环静态特性仿真分析 ........................................................................52
§5.3.2 闭环动态特性仿真分析 ........................................................................53
§5.4 本章小结 .........................................................................................................54
第六章 结论与展望 ...................................................................................................... 55
§6.1 全文总结 ..........................................................................................................55
§6.2 工作展望 .........................................................................................................55
附录 .................................................................................................................................57
参考文献 .........................................................................................................................61
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 63
致谢 .................................................................................................................................65
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题研究的背景与意义
精密定位技术是精密制造、精密测量和精密驱动中的关键技术之一，是国家
制造技术水平的重要标志，是先进制造技术的重要支柱。精密定位技术在近代尖
端工业生产和科学研究领域内占有极其重要的地位，左右着各领域精密技术的发
展。欧美等先进国家在军工武器和高科技等方面的领先地位得益于其在精密定位
和测试技术方面的发展水平。同样，他们在微电子技术、通信领域、计算机、光
学，IT和办公自动化等民用高技术方面的领先也是与其在精密测试与制造技术方
面的领先地位分不开的[1]。
微位移工作台作为精密定位技术研究中的一个不可缺少的组成部分，能够为
精密定位系统提供具有纳米级分辨率的微米级位移[2]。微位移工作台的这一特点，
使其成为精密定位技术研究中的重要要素和重要成果之一，有力地促进了二十一
世纪精密定位技术的发展。
压电陶瓷驱动器[3]在微位移器中的应用是随着精密机械及精密光学测试技术
的发展而蓬勃发展起来的。它具有体积小，承载力大，精度高，分辨率高、响应
速度快、能耗低、抗电磁干扰、无磨损以及无需润滑等优点。其工作机理主要是
根据压电材料的逆压电效应，在陶瓷的两个电极上施加一定的电压，压电材料产
生微小位移量，通过控制所施加的电压的大小来控制位移量的输出。而柔性铰链
具有无滑动摩擦，无迟滞，运动平滑及分辨率高等优点[4]。由于，压电陶瓷驱动器
和柔性铰链具有以上这些优点，因而以压电陶瓷驱动器作驱动元件，柔性铰链机
构作柔性导轨的微位移工作台能够获得较高的定位精度，所以研究基于压电陶瓷
驱动的微位移工作台得到了学术界和产业界的广泛重视。
但是，压电陶瓷驱动器固有的位移伸长量小、蠕变、迟滞以及不能承受拉力
和扭力等缺点影响了其精密定位精度的提高，被认为是关系到影响压电陶瓷驱动
微位移工作台定位精度的关键因素。为提高压电陶瓷驱动微位移工作台的定位精
度，压电陶瓷驱动器迟滞非线性的消除、高精度定位误差的控制以及与其相关的
各种关键技术的研究也就变得十分重要。
因此，开展压电式精密微位移系统的研究是十分必要的。它将有利于缩小我
国与先进国家同行业的差距，有利于推动我国大规模集成电路制造技术的发展，
促进我国纳米技术方面的研究[3]。
压电式微位移定位机构控制系统研究
2
§1.2 微位移技术的研究现状
微位移机构是指小行程(一般小于毫米级)、高精度(亚微米、纳米级)和高灵敏
度的机构，它是精密机械和精密仪器的关键部件之一。近年来随着电子技术、宇
航、生物工程等学科的发展而得到迅速发展和广泛应用[4]。
目前，压电、电致、磁致及静电等微动执行元件的出现和发展[5]，极大地推动
了微位移定位技术的发展。按照工作原理不同，目前常见的微位移定位机构一般
可分为：机械式驱动器、电热式驱动器、电磁式驱动器、形状记忆合金、超磁致
伸缩驱动器和压电驱动器等[6,7,8]。
1. 机械式微位移机构
机械式微位移机构是一种传统的位移机构，它采用机械式的微位移机构来实
现微位移定位。其结构形式较多，主要有弹性机构、杠杆机构、楔块凸轮机构、
螺旋机构以及它们的组合。但是，由于机械式微位移机构中存在机械间隙、摩擦
磨损以及爬行等固有缺陷，因此机械式微位移机构很难达到较高的定位精度。该
类型定位机构，比较适于要求中等精度的定位系统。
2. 热变形式微位移机构
电热式微位移机构是利用热膨胀来实现微位移，其突出特点在于：结构简单、
操作控制方便，刚度较高且无间隙。但是，由于热惯性的存在，电热式驱动器不
适于作高速运动控制。特别是，当隔热不合理时，相邻零部件由于受热而引起变
形，以致影响整机的精度，故限制了它的应用范围。
3. 磁致伸缩式微位移机构
磁致伸缩式微位移机构通过改变电流来改变磁场强度，从而使磁致伸缩元件
产生微量位移，其精度可达亚微米。该机构具有结构简单紧凑、重复精度高、无
间隙、刚性好、传动惯量小、工作稳定性好等优点。但其磁场强度与磁致伸缩量
之间不严格成线性关系，磁场作用下还伴有发热，故微动精度不高。
4.电致伸缩式微位移机构
电致伸缩式微位移机构是利用电致伸缩材料在电场作用下发生变形以实现微
位移。该机构具有施加电压低、滞后小、位移量度大、重复性好以及无老化等优
点，它已广泛应用于计量设备、微机械手、超精密加工中的误差测量和补偿。滚
珠导轨式微位移机构的结构简单、运动灵活、工艺性好、行程大、易实现较高定
位精度，可用于微动台和定位装置等。
5.形状记忆合金(SMA)微位移机构
形状记忆合金(SMA)是一种集传感、驱动于一体的新型功能材料[11]，通过电流
控制SMA的温度即可实现微位移。形状记忆合金(SMA)通常只有一两个易于控制
的位移输出状态。其易控输出状态的中间过程目前还不易通过变温加以控制，因
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摘要精密定位技术是精密制造、精密测量和精密驱动中的关键技术之一。压电陶瓷驱动的微位移器是近年来发展起来的新型微位移器，具有体积小，承载力大，精度高，分辨率高、效率高、刚度好、易于控制及伸长时无能量消耗等特点，在广泛的领域中得到应用。本文在了解国内外微位移定位技术的基础上，对柔性铰链为位移放大机构的微位移定位系统进行了深入分析研究，并以压电陶瓷驱动电源和微位移定位机构的控制系统为重点开展了理论分析和实验研究。首先，本文在分析压电陶瓷的工作机理及特性的基础上，针对其特性设计出一款压电陶瓷驱动电源。该电源以直流稳压电源作为直流放大电路的高压电源，具有线性度好、纹波小、带负载能力强、频率响应高等特点，...
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