專利名稱：一種基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)微定位平臺(tái)及微定位平臺(tái)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微定位平臺(tái)技術(shù)，特別是一種基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)微定位平臺(tái)及微定位平臺(tái)系統(tǒng)，可用于電鏡，光學(xué)對(duì)準(zhǔn)等需要高精度定位場(chǎng)合。
背景技術(shù)：
微定位平臺(tái)可用于需要高精度定位場(chǎng)合，如電鏡，光學(xué)對(duì)準(zhǔn)等，尤其適用于對(duì)輸出位移的直線度有很高要求的場(chǎng)合。為了減小位移輸出耦合，國(guó)內(nèi)外的定位裝置均采用串聯(lián)的形式，中國(guó)專利CN ^521876Y提出了對(duì)稱式設(shè)計(jì)的柔性導(dǎo)軌，但由于加工和裝配的誤差實(shí)際上仍然存在結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性，輸出位移的直線度仍然不能得到保證。中國(guó)專利 CN 2706835Υ提出了一種平面三自由度定位平臺(tái)，在安裝了兩個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器的自由度上， 如果兩個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器輸出不同的位移，其中的一個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器將有可能與被驅(qū)動(dòng)的動(dòng)平臺(tái)分離；壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器直接作用在動(dòng)平臺(tái)上，當(dāng)與之正交方向的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器有位移輸出時(shí)，驅(qū)動(dòng)器受到彎矩和剪力的作用，極易破壞壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器。美國(guó)專利 US20030051331A1提出了一種在單自由度上采用雙壓電驅(qū)動(dòng)器的柔性定位平臺(tái)，這種定位平臺(tái)輸出位移具有良好的直線性，但是采用了槽式串聯(lián)結(jié)構(gòu)，為了使X、Y兩個(gè)方向位移輸出都具有良好的直線性，在兩個(gè)方向都各需要兩個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，提高了成本；同時(shí)，采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)的定位平臺(tái)各個(gè)自由度上定位誤差存在累積效應(yīng)，定位精度受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題克服現(xiàn)有串聯(lián)結(jié)構(gòu)定位平臺(tái)的不足，提供一種基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)微定位平臺(tái)及微定位平臺(tái)系統(tǒng)，可以消除累積定位誤差；消除加工和裝配誤差導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性對(duì)位移輸出直線度的影響；消除壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器與動(dòng)平臺(tái)分離的現(xiàn)象；保證壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的安全。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)微定位平臺(tái)，包括微動(dòng)臺(tái)和用于固定微動(dòng)臺(tái)的基板；所述微動(dòng)臺(tái)包括中間的動(dòng)平臺(tái)以及位于所述動(dòng)平臺(tái)四個(gè)角落的四個(gè)柔性鉸鏈，動(dòng)平臺(tái)及四個(gè)角落的四個(gè)柔性鉸鏈組成二級(jí)桿組；在動(dòng)平臺(tái)相互垂直的兩側(cè)分別布置著單個(gè)和一對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，其中一對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器與動(dòng)平臺(tái)的中軸線對(duì)稱，單個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器與動(dòng)平臺(tái)另一側(cè)的中軸線重合；壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器一端與動(dòng)平臺(tái)之間通過(guò)一個(gè)萬(wàn)向鉸連接，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的另一端通過(guò)另一萬(wàn)向鉸與預(yù)緊彈簧連接，預(yù)緊彈簧通過(guò)螺釘預(yù)緊；在動(dòng)平臺(tái)上表面，沿著每個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器軸線方向分別布置著一個(gè)電容傳感器；所述電容傳感器的一片位于固定在微動(dòng)臺(tái)外側(cè)的一個(gè)傳感器支架上，另一片位于固定在動(dòng)平臺(tái)上表面的另一傳感器支架上。本發(fā)明的并聯(lián)微定位平臺(tái)的動(dòng)態(tài)工作過(guò)程動(dòng)平臺(tái)四角分別有四個(gè)柔性鉸鏈形式的二級(jí)桿組，動(dòng)平臺(tái)發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，所有的變形都集中在柔性鉸鏈處。當(dāng)動(dòng)平臺(tái)的一側(cè)安裝的兩個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器輸出相等的位移時(shí)，動(dòng)平臺(tái)沿該方向作直線運(yùn)動(dòng)；當(dāng)動(dòng)平臺(tái)另一側(cè)驅(qū)動(dòng)器輸出位移時(shí)，與之垂直一側(cè)的兩個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器同時(shí)作用在動(dòng)平臺(tái)上以校正因結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性導(dǎo)致的偏轉(zhuǎn)，從而使該方向位移輸出具有很高的直線度；當(dāng)動(dòng)平臺(tái)一側(cè)的兩個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器輸出大小相等方向相反的位移時(shí)動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生純轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)輸出的位移不同時(shí)， 動(dòng)平臺(tái)除了有平動(dòng)還有轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生?？傊?，在動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，三個(gè)電容傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的位移，并將位移反饋到控制計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)計(jì)算出動(dòng)平臺(tái)與參考位移的偏差，通過(guò)控制算法計(jì)算出的控制信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器和高壓放大器使三個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生位移同時(shí)作用在動(dòng)平臺(tái)上，這樣就能夠校正動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的偏差。一種基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)微定位平臺(tái)系統(tǒng)，包括基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)微定位平臺(tái)和控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包括工控機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、電壓放大器；工作時(shí)，工控機(jī)給出參考位移信號(hào)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸入到電壓放大器，電壓放大器驅(qū)動(dòng)三個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生伸縮；電容傳感器檢測(cè)的并聯(lián)微定位平臺(tái)位移輸出經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入到工控機(jī)，由工控機(jī)完成控制，使微定位臺(tái)的位移輸出能夠跟蹤參考輸入信號(hào)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明的并聯(lián)結(jié)構(gòu)提高了定位精度。(2)本發(fā)明在一個(gè)自由度上布置雙壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器能夠校正加工和裝配產(chǎn)生的不對(duì)稱性對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)直線度的影響，提高了運(yùn)動(dòng)直線度。(3)本發(fā)明所采用的機(jī)構(gòu)解耦方便，易于控制。(4)本發(fā)明中增加的預(yù)緊彈簧能夠保證動(dòng)平臺(tái)與連接部件的可靠接觸。(5)本發(fā)明中的萬(wàn)向鉸能夠保證壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器不受剪力和彎矩破壞，提高了可靠性。(6)本發(fā)明的控制系統(tǒng)采用LQG控制算法，定位精度高，超調(diào)量小。總之，本發(fā)明可以有效提高位移輸出直線度，消除位移耦合，提高定位精度，避免驅(qū)動(dòng)器分離的情況發(fā)生，保證壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的安全。同時(shí)采用增廣噪聲模型的LQG算法能夠有效抑制窄帶地基擾動(dòng)，進(jìn)一步提高了定位精度。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明微定位平臺(tái)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖；圖3為本發(fā)明微動(dòng)臺(tái)主體結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器裝配體組件；圖fe為本發(fā)明萬(wàn)向鉸結(jié)構(gòu)主視圖，圖恥為本發(fā)明萬(wàn)向鉸結(jié)構(gòu)立體圖；圖6a為本發(fā)明預(yù)緊彈簧結(jié)構(gòu)主視圖、圖6b為本發(fā)明預(yù)緊彈簧結(jié)構(gòu)立體圖、圖6c 為本發(fā)明預(yù)緊彈簧結(jié)構(gòu)俯視圖；圖7為本發(fā)明計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)示意圖；圖8為本發(fā)明控制算法框圖；圖9a、圖9b分別表示在地基振動(dòng)的干擾下，采用未增廣噪聲模型的LQG算法和采用增廣噪聲模型的LQG算法，微定位平臺(tái)對(duì)圓形參考軌跡的跟蹤效果；圖10a、圖IOb分別表示采用噪聲增廣模型的LQG算法前后微定位平臺(tái)X方向?qū)?0. 1單位階躍輸入的跟蹤響應(yīng)曲線。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明由于采用了并聯(lián)結(jié)構(gòu)，三個(gè)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)作用于動(dòng)平臺(tái)，通過(guò)閉環(huán)控制能夠消除平臺(tái)因加工和裝配誤差導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性對(duì)位移輸出直線度的影響；獨(dú)特設(shè)計(jì)的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器預(yù)緊彈簧能夠使驅(qū)動(dòng)器始終壓緊在動(dòng)平臺(tái)上；萬(wàn)向鉸可以避免壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器受彎矩而斷裂。如圖1所示，本發(fā)明的基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)微定位平臺(tái)由微動(dòng)臺(tái)2和基板1組成，微動(dòng)臺(tái)2通過(guò)多個(gè)緊定螺釘11固定在基板1上。微動(dòng)臺(tái)2包括中間的動(dòng)平臺(tái) 10以及位于動(dòng)平臺(tái)10四個(gè)角落的四個(gè)柔性鉸鏈7a、7b、7c、7d。在動(dòng)平臺(tái)10相互垂直的兩側(cè)分別布置著單個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器5c和一對(duì)并排的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器fe、5b，驅(qū)動(dòng)器5ajb 與動(dòng)平臺(tái)10的中軸線對(duì)稱，驅(qū)動(dòng)器5c與動(dòng)平臺(tái)10另一側(cè)的中軸線重合。三個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器fe、5b、5c —端分別與動(dòng)平臺(tái)10之間通過(guò)萬(wàn)向鉸4b、4d、4f連接，三個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器 5a.5b.5c的另一端分別通過(guò)萬(wàn)向鉸^、4c3e與預(yù)緊彈簧3a、3b、3c連接，預(yù)緊彈簧3a、3b、 3c通過(guò)螺釘6a、6b、6c預(yù)緊。動(dòng)平臺(tái)10上表面，沿著三個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器軸線方向分別布置著三個(gè)電容傳感器，12a、12b、12c、12d、12e、12f。三個(gè)電容傳感器為分離式電容傳感器， 每個(gè)電容傳感器其中的一片12b、12c、l&位于固定在微動(dòng)臺(tái)10外側(cè)的傳感器支架8a、8b、 8c上，另一片12a、12d、12f位于固定在動(dòng)平臺(tái)10上表面的另一個(gè)傳感器支架9a、9b、9c上。如圖1所示，當(dāng)需要使動(dòng)平臺(tái)在沿5c軸線方向輸出嚴(yán)格的直線位移時(shí)，使壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器5c產(chǎn)生伸長(zhǎng)量，同時(shí)驅(qū)動(dòng)器5a，5b根據(jù)傳感器12e-f，12c_d的檢測(cè)信號(hào)在線計(jì)算出的校正量實(shí)時(shí)校正動(dòng)平臺(tái)可能產(chǎn)生的位移偏差；當(dāng)需要使動(dòng)平臺(tái)在沿fe或恥軸線平行的方向輸出嚴(yán)格的直線位移時(shí)，使該方向的兩個(gè)參考位移信號(hào)相等，計(jì)算機(jī)根據(jù)采集到的位置信號(hào)計(jì)算出相應(yīng)的校正量給3個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器就可保證直線位移輸出；當(dāng)需要保證動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生嚴(yán)格的平動(dòng)時(shí)，只需要保證傳感器12e-f，12c-d的輸出信號(hào)相等即可；當(dāng)需要使動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生給定的偏轉(zhuǎn)位移時(shí)，只需要使傳感器12e_f，12c-d輸出位移信號(hào)之差與5a、 5b軸線間距的比值等于給的偏轉(zhuǎn)角即可。如圖2所示，位于動(dòng)平臺(tái)10角落的四個(gè)柔性鉸鏈7a、7b、7c、7d組成二級(jí)桿組將動(dòng)平臺(tái)10和動(dòng)平臺(tái)10周邊的機(jī)架相連?？傋杂啥葹槿?，在三個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器共同作用下能夠?qū)崿F(xiàn)平面三自由度定位。如圖3所示，構(gòu)成微動(dòng)臺(tái)2中間的動(dòng)平臺(tái)10以及四個(gè)柔性鉸鏈7a、7b、7c、7d采用經(jīng)固溶強(qiáng)化處理的整塊超硬鋁(7075T6)利用線切割制成。加工時(shí)應(yīng)采用小電流加工并嚴(yán)格保證柔性鉸鏈與動(dòng)平臺(tái)兩中心軸線的對(duì)稱性。柔性鉸鏈采用半圓切口，這中切口具有旋轉(zhuǎn)性好的優(yōu)點(diǎn)。如圖4所示，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器為堆疊式壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，最大驅(qū)動(dòng)電壓可達(dá)300V， 最大輸出位移5微米。壓電陶瓷驅(qū)驅(qū)動(dòng)器兩端分別套在萬(wàn)向鉸^、4b內(nèi)部，萬(wàn)向鉸如與預(yù)緊彈簧3a相連。如圖fe和圖恥所示，為了防止壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器受到剪力和彎矩在其兩端安裝萬(wàn)向鉸。萬(wàn)向鉸能夠在鉸接處繞相互正交的兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣可以減小壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器受到的剪力和彎矩。萬(wàn)向鉸材料選用淬火加人工時(shí)效處理的鈹青銅，為了保證加工精度可采用線切割加工，加工時(shí)先加工其中的兩個(gè)切口，并保證二者與萬(wàn)向鉸軸線對(duì)稱，然后使萬(wàn)向鉸旋轉(zhuǎn)90度，加工另外兩個(gè)切口。萬(wàn)向鉸的剛度需合理設(shè)計(jì)，使其既能吸收大部分變形能又不至于過(guò)軟而發(fā)生屈曲。設(shè)計(jì)可以利用有限元法建立微動(dòng)臺(tái)裝配體的有限元模型，當(dāng)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器輸出最大位移時(shí)，檢查壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的最大應(yīng)力是否超出其許用應(yīng)力；計(jì)算出此時(shí)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的軸向載荷，并施加在萬(wàn)向鉸的有限元模型上，對(duì)萬(wàn)向鉸進(jìn)行屈曲分析，如果沒(méi)有發(fā)生屈曲則說(shuō)明萬(wàn)向鉸的剛度設(shè)計(jì)符合要求；否則需要重新改變?nèi)f向鉸的設(shè)計(jì)，并按照以上方法重新檢驗(yàn)，直到符合要求為止。如圖6a_圖6c所示，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器與預(yù)緊螺釘通過(guò)預(yù)緊彈簧連接。僅僅通過(guò)預(yù)緊螺釘對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器預(yù)緊是不夠的，當(dāng)并排的兩個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器輸出位移之差較大時(shí)，其中的一個(gè)驅(qū)動(dòng)器就會(huì)與動(dòng)平臺(tái)分離。為了補(bǔ)償分離，在驅(qū)動(dòng)器與預(yù)緊彈簧間安裝一個(gè)預(yù)緊彈簧，其剛度需合理設(shè)計(jì)使其能夠補(bǔ)償其中一個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器同動(dòng)平臺(tái)的分離量。 借助有限元方法可以精確的計(jì)算預(yù)緊彈簧的剛度。預(yù)緊螺釘?shù)念A(yù)緊量需通過(guò)添加有限元仿真計(jì)算獲得。具體過(guò)程為建立預(yù)緊彈簧的有限元模型，使其一端固定，在另一端施加載荷， 記錄多次載荷下變形量數(shù)據(jù)，并繪制出曲線，曲線的斜率即其剛度。預(yù)緊彈簧不宜過(guò)軟，否則微動(dòng)臺(tái)的行程過(guò)?。灰嗖灰诉^(guò)大，否則其預(yù)變形過(guò)小，不足以補(bǔ)償分離量。在建立微定位平臺(tái)的有限元模型之后，給預(yù)緊螺釘施加一定的位移量以模擬其預(yù)緊量。為了保證能夠補(bǔ)償分離只需檢驗(yàn)“最壞“的情況即其中的一個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器變形量為0，另一個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生最大的變形，觀查此時(shí)有沒(méi)有分離現(xiàn)象發(fā)生，如果沒(méi)有，則設(shè)計(jì)滿足要求；否則需要重新設(shè)計(jì)，直到不再發(fā)生分離現(xiàn)象為止。預(yù)緊彈簧為整塊彈簧鋼通過(guò)車削和線切割加工而成。分為上下兩部分，每部分中間都有6個(gè)扇形切口，上下兩部分通過(guò)中間的軸連接。工作時(shí)，上下兩部分的扇形切口薄片發(fā)生彈性變形用來(lái)預(yù)緊壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器以保證動(dòng)平臺(tái)不與萬(wàn)向鉸分離。如圖7所示，由微定位平臺(tái)和控制系統(tǒng)組成，控制系統(tǒng)由工控機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換器、A/D 轉(zhuǎn)換器、電壓放大器組成。工作時(shí)，工控機(jī)給出參考位移信號(hào)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸入到電壓放大器，電壓放大器驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生伸縮。電容傳感器檢測(cè)平臺(tái)位移輸出經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入到工控機(jī)，由工控機(jī)完成控制算法，從而使微定位臺(tái)的位移輸出能夠跟蹤參考輸入信號(hào)，即當(dāng)Y向的兩個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的參考位移向等時(shí)，微定位平臺(tái)輸出為嚴(yán)格的平動(dòng)；當(dāng) Y向的兩個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器參考位移不同時(shí)，微定位平臺(tái)產(chǎn)生平動(dòng)和XY面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖8所示，本發(fā)明的控制算法采用增廣噪聲模型的LQG算法。系統(tǒng)為三輸入三輸出的系統(tǒng)，當(dāng)需要保證嚴(yán)格的直線位移時(shí)，參考輸入re =0;當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)3自由度的運(yùn)動(dòng)時(shí)，興0。為了實(shí)現(xiàn)跟蹤，在每個(gè)輸入通添加一個(gè)積分器，將參考輸入和傳感器輸出的誤差積分作為一個(gè)狀態(tài)，對(duì)原控制對(duì)象的狀態(tài)空間方程增廣。同時(shí)為了抑制窄帶隨機(jī)擾動(dòng)對(duì)定位精度的影響，引入了噪聲模型，并將擾動(dòng)的狀態(tài)增廣到系統(tǒng)狀態(tài)空間方程，利用卡爾曼濾波獲得系統(tǒng)狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)，控制量為狀態(tài)與反饋增益之積。增廣噪聲模型的LQG算法的特點(diǎn)(1)引入位移參考輸入和傳感器信號(hào)輸出之差的積分作為一個(gè)狀態(tài)變量；(2)引入地基擾動(dòng)的噪聲模型，將噪聲模型的狀態(tài)變量增廣到原控制對(duì)象狀態(tài)空間方程；(3)將引入噪聲增廣模型的卡爾曼濾波器對(duì)狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)與一增益向量相乘的結(jié)果作為控制量輸入到高壓放大器。
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本發(fā)明采用這種控制算法，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)超調(diào)量小，無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差，響應(yīng)快；由于采用了內(nèi)模原理對(duì)地基振動(dòng)具有一定的抑制作用。原控制對(duì)象的狀態(tài)空間方程為X(k+1) = FX (k) +Gu (k) +Jd (k)Y (k) = CX (k) (1)X(k)為微定位系統(tǒng)的狀態(tài)向量，選擇微定位平臺(tái)的位移輸出和位移輸出的導(dǎo)數(shù)為狀態(tài)變量。Y(k) = [χ y θ]為位移輸出，其三個(gè)分量分別表示微定位平臺(tái)X向位移輸出， Y向位移輸出和XY平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。F G C通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)的方法求出。J為噪聲分配矩陣。d(k)為地基擾動(dòng)，噪聲模型的狀態(tài)空間方程為Xn (k+1) = FnXn (k) +Gnw (k)d(k) = CnXn (k) (2)Xn為噪聲模型的狀態(tài)，w(k)為零均值高斯白噪聲，設(shè)增廣了噪聲模型的狀態(tài)空間方程為Xa (k+1) = FaXa (k) +GaU (k) +Eaw (k)Y = CaXa (k) +ν (3)
ρ JC ~其中ν為電容傳感器噪聲，假設(shè)為零均值高斯白噪聲Xa= [X Xn]TF =n
O^ F
_ ndxnη _
Ga = [GT Ondxp]t Ca = [C Oqxnd] ￡ =[01XB ，p為狀態(tài)方程⑴的輸入維數(shù)，q為⑴的
輸出維數(shù)，nd為⑵的狀態(tài)向量的維數(shù)。采用噪聲增廣模型的LQG算法具體實(shí)現(xiàn)為首先離線計(jì)算出卡爾曼最優(yōu)濾波增益矩陣L和最優(yōu)狀態(tài)反饋矩陣K。再按照以下步驟完成控制算法。(1)初始化 Xa k = 0，Uk = 0，Sunuerroiv1 = 0 ；(2)采樣電容傳感器的位移輸出Yk，計(jì)算微定位平臺(tái)的狀態(tài)估計(jì)量
ΛΛ
W = (Fa - LCa) Χα—k +LYk +GaUlc ,ek=rk-Yk, sum err ork = sum _errork_x +ek ；(3)工控機(jī)計(jì)算控制量 uk = KxXa k+Kei · sum_errork,并輸出到 D/A ；(4)Xak = Xak+1;(5)控制結(jié)束否，若結(jié)束，退出，否則轉(zhuǎn)(2)；(6)退出控制。其中K= [Kx KJ，KX對(duì)應(yīng)當(dāng)前時(shí)刻微動(dòng)臺(tái)狀態(tài)估計(jì)值ι—t的狀態(tài)反饋增益，、對(duì)應(yīng)sum_errOTk的反饋增益，sum_errOTk為當(dāng)前時(shí)刻給定參考位置與傳感器輸出信號(hào)之差的累計(jì)量，rk為當(dāng)前時(shí)刻給定參考位置，ek為當(dāng)前時(shí)刻定位誤差。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)本發(fā)明的微定位平臺(tái)受到來(lái)自地基的載帶擾動(dòng)時(shí)，分別采用未增廣噪聲模型的LQG算法和采用增廣噪聲模型的LQG算法，后者明顯的定位精度比前者明顯提高，外界振動(dòng)得到有效抑制。圖9a，圖9b分別表示在地基振動(dòng)的干擾下，采用未增廣噪聲模型的LQG算法和采用增廣噪聲模型的LQG算法，微定位平臺(tái)對(duì)圓形參考軌跡的跟蹤效果，可見(jiàn)后者的跟蹤精度顯著高于前者。圖IOa和圖IOb分別表示采用噪聲增廣模型的 LQG算法前后微定位平臺(tái)X方向?qū)?. 1單位階躍輸入的跟蹤效果，可見(jiàn)噪聲增廣模型的LQG算法能夠有效抑制來(lái)自于地基的振動(dòng)。
權(quán)利要求
1 一種基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)微定位平臺(tái)，其特征在于包括微動(dòng)臺(tái)和用于固定微動(dòng)臺(tái)的基板；所述微動(dòng)臺(tái)包括中間的動(dòng)平臺(tái)以及位于所述動(dòng)平臺(tái)四個(gè)角落的四個(gè)柔性鉸鏈，動(dòng)平臺(tái)及四個(gè)角落的四個(gè)柔性鉸鏈組成二級(jí)桿組；在動(dòng)平臺(tái)相互垂直的兩側(cè)分別布置著單個(gè)和一對(duì)并排的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，其中一對(duì)并排的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器與動(dòng)平臺(tái)的中軸線對(duì)稱，單個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器與動(dòng)平臺(tái)另一側(cè)的中軸線重合；壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器一端與動(dòng)平臺(tái)之間通過(guò)一個(gè)萬(wàn)向鉸連接，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的另一端通過(guò)另一萬(wàn)向鉸與預(yù)緊彈簧連接，預(yù)緊彈簧通過(guò)螺釘預(yù)緊；在動(dòng)平臺(tái)上表面，沿著每個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器軸線方向分別布置著一個(gè)電容傳感器；所述電容傳感器的一片位于固定在微動(dòng)臺(tái)外側(cè)的一個(gè)傳感器支架上，另一片位于固定在動(dòng)平臺(tái)上表面的另一傳感器支架上。
2.一種基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)微定位平臺(tái)系統(tǒng)，其特征在于包括基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)微定位平臺(tái)和控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包括工控機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、電壓放大器；工作時(shí)，工控機(jī)給出參考位移信號(hào)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸入到電壓放大器，電壓放大器驅(qū)動(dòng)三個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生伸縮；電容傳感器檢測(cè)的并聯(lián)微定位平臺(tái)位移輸出經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換輸入到工控機(jī)，由工控機(jī)完成控制使微定位臺(tái)的位移輸出能夠跟蹤參考輸入信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)微定位平臺(tái)系統(tǒng)，其特征在于所述工控機(jī)完成控制使微定位臺(tái)的位移輸出能夠跟蹤參考輸入信號(hào)的控制方式采用采用增廣噪聲模型的LQG算法。
全文摘要
基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)微定位平臺(tái)及系統(tǒng)包括微動(dòng)臺(tái)和基板及控制系統(tǒng)，微動(dòng)臺(tái)包括動(dòng)平臺(tái)及四個(gè)柔性鉸鏈，在動(dòng)平臺(tái)相鄰的兩側(cè)分別布置著單個(gè)和一對(duì)并排的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器一端與動(dòng)平臺(tái)之間通過(guò)一個(gè)萬(wàn)向鉸連接，另一端通過(guò)另一萬(wàn)向鉸與預(yù)緊彈簧連接，預(yù)緊彈簧由螺釘預(yù)緊；在動(dòng)平臺(tái)上表面，沿每個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器軸線方向分別布置著一個(gè)電容傳感器；電容傳感器的一片位于固定在微動(dòng)臺(tái)外側(cè)的一個(gè)傳感器支架上，另一片位于固定在動(dòng)平臺(tái)上表面的另一傳感器支架上，采用計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制。本發(fā)明有效提高位移直線度和定位精度，消除耦合，避免驅(qū)動(dòng)器分離，保護(hù)壓電驅(qū)動(dòng)器。采用增廣噪聲模型的LQG算法有效抑制窄帶地基擾動(dòng)，提高定位精度。
文檔編號(hào)G12B5/00GK102324253SQ20111014790
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
發(fā)明者凡木文, 施寧平, 舒強(qiáng), 饒學(xué)軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所