压电驱动器系统的控制设计

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• 134•压电陶瓷(PZT)作为原子力显微镜(AFM)控制结构中微驱动定位的关键器件，能够用于快速跟踪测量样品表面的形貌变化，而其驱动电源是决定压电陶瓷微驱动性能的核心部分。

本文采用线性放大式驱动电源原理，设计了一种以AD8572+PA85A为核心的高精度压电陶瓷驱动电源。

主要介绍了驱动电源的工作原理、两级运放的特点和影响运放稳定性的关键因素。

实验结果表明设计的驱动电源线性度高、响应速度快、性能稳定，能有效应用于AFM的微驱动定位系统中。

引言：随着生物医学、微细加工和精密制造工艺等领域的不断发展，纳米级定位技术得到广泛关注，压电陶瓷微位移驱动平台作为理想的定位系统，它在体积、响应速度、分辨率等方面优点突出（李龙江，压电陶瓷驱动电源及其控制系统的研究：哈尔滨工业大学，2012；徐辽，基于PA85A的高精度动态压电陶瓷驱动电源设计：压电与声光，2018）。

而压电陶瓷驱动电源作为微位移驱动平台的核心部分，其线性度、电压分辨率、响应速度和稳定性都决定着AFM的扫描成像能力，所以对驱动电源输出电压的稳定性、分辨率和响应速度等性能提出了更高的要求（刘振明，压电陶瓷驱动器动态驱动电源设计：电源技术，2011）。

目前，国内外的专家学者对压电陶瓷驱动电源的研究多集中在电源的谐波失真、频响范围、输出的功率等方面（王彭，宋克非，高带宽压电陶瓷驱动电源：仪表技术与传感器，2016；钟文斌，一种误差放大式压电陶瓷驱动电源的研制：压电与声光，2014；滕旭东，高精度数字跟踪式压电陶瓷驱动电源设计：电源技术与应用，2013）。

然而面对目前仍存在的驱动电源输入失调电压高、精度不够、非线性失真大、稳定性差等影响压电陶瓷驱动电源性能的关键因素，提出行之有效的解决方案仍然是其在AFM应用中至关重要的技术之一。

1 驱动电源工作原理和技术指标压电陶瓷驱动电源分为电荷控制型和电压控制型两种（赵雅彬，一种压电陶瓷致动器直流可调稳压驱动电源设计：北方工业大学学报，2015；金学健，曹龙轩，冯志华，基于恒流源的改进型压电陶瓷高压驱动电源：压电与声光，2017）。

压电驱动器内部结构压电驱动器是一种利用压电效应来产生机械运动的驱动器。

它由多个部分组成，每个部分都扮演着不同的角色。

本文将介绍压电驱动器的内部结构及其各个部分的作用。

1. 压电晶体片压电晶体片是压电驱动器的核心部件。

它是一个压电材料制成的薄片，在电场的激励下会产生机械运动。

其中比较常用的压电材料有铅锆钛酸钛（PZT）、铅镁铌酸钛（PMN）等。

压电晶体片的厚度通常只有几百微米，但长宽比可以非常大。

在许多应用中，压电晶体片需要尽可能地薄，以便在不影响整个系统的灵敏度的同时，能够尽可能地减小其质量。

2. 弹性杆弹性杆是与压电晶体片直接相连的一个棒状物体。

当压电晶体片在电场的激励下产生收缩或伸长时，弹性杆会沿着同一方向发生形变。

这使得机械运动可以被转换为物理运动，例如在液体中形成的压电声波。

弹性杆需要尽量的细长，以便将尽可能多的机械运动通过压电晶体片传递到外部。

此外，弹性杆也需要具有较高的弹性系数，以便在压电晶体片运动时，能够快速响应。

3. 机械负载机械负载指通过弹性杆产生的物理运动。

它可以是一个质量（例如液体），也可以是一个机械装置（如机械臂）。

在许多情况下，机械负载不仅需要能承受压电驱动器产生的力，还需要能够快速响应并进行精确定位。

4. 电子控制器电子控制器是用于控制压电驱动器的电子设备。

它的作用是控制电压和电流，以便对压电晶体片进行精确的驱动。

电子控制器通常会采用负反馈控制技术，以保持压电驱动器的输出运动的稳定性和准确性。

在某些情况下，电子控制器还可以使用高精度的时钟和传感器，以便对压电驱动器的输出行为进行更精细的控制。

该技术特别适用于需要高精度控制的应用，如精确定位或高精度测量。

总之，压电驱动器由多个部分组成，每个部分都至关重要。

通过设计合理的压电驱动器内部结构，可以有效地将压电效应的机械运动转化为物理运动，提高产品的运动灵敏度和精度。

电机驱动部分设计方案电机驱动部分设计方案电机驱动部分是指对电机进行控制和驱动的系统，通常包括电机驱动器和电机控制器两个部分。

本文将详细介绍电机驱动部分的设计方案。

电机驱动器是用来将电源的交流电转换为直流电，并调整其频率和电压，以满足电动机的控制要求。

常见的电机驱动器有变频器和直流调速器两种。

变频器是常用的电机驱动器，它可以将电源的交流电转换为直流电，并通过调整转换的频率和电压来控制电机的转速和扭矩。

变频器具有转速范围广、响应速度快、效率高、稳定性好等优点，适用于各种类型的电机驱动。

在设计选择变频器时，需要考虑电机的额定功率、转速、工作环境等因素。

直流调速器是另一种常见的电机驱动器，它主要用于控制直流电机的转速和扭矩。

直流调速器通过改变电源直流电的电压和电流来控制电机的转速，常用的控制方式有电压调速和电流调速。

直流调速器具有调速范围广、控制精度高、响应速度快等优点，适用于对控制要求较高的场合。

电机控制器是用来对电机的工作状态进行控制的设备，主要包括控制电机的启停、正反转、调速、保护等功能。

电机控制器通常由微控制器、驱动电路、传感器等组成，通过对这些元件的合理配置和调试，可以实现对电机的精确控制。

在设计电机控制器时，需要考虑以下几个方面：1. 系统的稳定性和可靠性：电机控制器需要能够保证良好的系统稳定性，避免出现不稳定的振荡和严重的失控现象；同时，还需要具备较高的可靠性，能够在长时间运行和恶劣环境条件下工作。

2. 控制精度和响应速度：电机控制器需要能够实现对电机的精确控制，包括转速、扭矩等参数的精确调节；同时，还需要具备较快的响应速度，能够在很短的时间内适应控制要求的变化。

3. 功率因数和能效：电机控制器需要能够实现较高的功率因数，以减少电网的无功负荷；同时，还需要具备较高的能效，以达到节能减排的目的。

4. 保护功能：电机控制器需要具备完备的保护功能，能够对电机进行过流、过载、过热等故障的检测和保护，保证电机的安全运行。

第1章绪论1.1 概述近年来，随着纳米技术的迅猛发展，在光学工程、微电子制造、航空航天技术、超精密机械制造、微机器人操作、地震测量、生物、医学及遗传工程等技术领域的研究都迫切需要亚微米级、微／纳米级的超精密驱动。

传统的驱动器技术功率\质量比低，必须远离驱动点安装，而且驱动器高速运转后需要减速装置变速，致使传动系统复杂、结构累赘。

显然，传统技术已不能满足工业领域发展的需求。

近年来国际上开始了压电精密驱动技术的研究。

压电材料在驱动时具有纳米级的稳定输出位移精度。

并且压电驱动线性好、控制方便、分辨率高、频率响应好、不发热、无磁干扰、无噪声等[1]。

同时，压电驱动器能实现体积小、质量轻、大功率密度的特点。

因此压电型精密微驱动技术已成为国内外的重点研究方向。

因此采用全新的驱动器——超声波电机来驱动位移机构。

超声波电机原理和结构完全不同于传统电磁式电机，没有绕阻和磁场部件，不是通过电磁相互作用来传递能量，而是直接由压电陶瓷材料实现机电能量转换的新型电机，其结构简单，具有单位体积出力大、响应性能优良等特点。

磁式电机已经存在100多年了。

在这种电机在工业上占据支配地位的同时，它的改革需要新的材料和设计的出现。

一个毫米级转子的电磁电动机用在手表上，可能需要一个直经为1cm的永磁铁。

这种压电超声电动机尺寸独立，因此在微小电动机的应用上得到了更多关注[2]。

1.2 超声波电机20世纪40年代，人们就知道了超声波电机的工作原理，但直到80年代，随着具有高转换效率的压电陶瓷材料的出现，以及电力电子技术的发展，才逐步研制出各种类型的超声波电机。

1961年，Bulova钟表公司首次尝试利用弹性振动获得动力，利用电磁力激振音叉，利用其往复运动拨动钟表齿轮。

这种钟表走时准确，每月只有一分钟的误差，打破了当时的纪录，引起了轰动。

1964年，苏联基辅理工学院(Kiev Politechnical Institute)的vrinenko设计了第一个压电旋转电机。