基于电荷驱动的多通道压电变形镜电源设计

压电变形镜具有频率响应高,变形量大,稳定性好等优点,已广泛应用于自适应光学领域,但因在电压驱动方式下压电材料迟滞特性较大,使压电变形镜的精确控制难。为降低压电变形镜的迟滞影响,设计了一种基于电荷驱动的多通道压电变形镜驱动电源,介绍了驱动电源的构成及原理,并搭建了一套基于夏克哈特曼波前传感器的自适应光学测试平台来验证驱动电源的性能。实验结果表明,该驱动电源可有效降低压电变形镜的迟滞效应,整体迟滞约1%,镜面变形的分辨率均方根误差(RMS)值约1.1 nm,能够满足在自适应光学领域对多通道压电变形镜精确控制的要求。     

8×8阵列压电厚膜驱动变形镜的制备及性能研究

利用流延工艺制备大尺寸高性能压电陶瓷片(100 mm×100 mm×0.50 mm),在此基础上研究8×8阵列排布的厚膜压电陶瓷驱动连续变形镜的制备工艺技术,并对变形镜的理论拟合面形和实际闭环控制校正面形进行研究分析.结果表明,变形镜的初始面形的像差振幅为2.664λ,像差均方根振幅为0.557λ,而经闭环控制校正+手动微校正后后,获得较佳的镜面效果像差振幅为0.36λ,像差均方根振幅为0.095λ;闭环控制校正面形与理论拟合的面形(像差振幅为0.005λ,像差均方根振幅为0)存在一定差距,主要原因是变形镜制备工艺过程或驱动闭环控制系统存在一定的滞后性或试验误差造成的.     

直流驱动电压下的压电陶瓷特性研究

采用了基于迈克尔逊干涉仪平台的光干涉法,测量了压电陶瓷在直流驱动电压下的非线性迟滞特性曲线,提出了描述非线性迟滞程度的两种形式,进而分析非线性迟滞程度在不同起点电压、伸长位移量下的变化趋势。通过加循环电压测量了压电陶瓷的滞回曲线,分析了影响压电陶瓷线性和非线性因素的变化,且给出了压电陶瓷灵敏度的变化曲线。     

压电陶瓷驱动器疲劳特性对变形镜校正能力的影响

基于变形镜(DM)的影响函数,采用有限元方法对波前校正过程进行了数值模拟,分析了压电陶瓷(PZT)驱动器的疲劳特性对变形镜校正能力的影响。研究结果表明,在压电陶瓷驱动器产生疲劳后,变形镜校正能力下降。待校正畸变波前的峰谷值越大或空间高频成分比例越高,变形镜在驱动器疲劳后的校正能力下降得越明显,且受前者影响更大。     

压电陶瓷驱动FSM三自由度柔性支撑设计

为了有效吸收反射镜偏转造成驱动点的横向位置偏差,保护压电陶瓷驱动器,抑制反射镜在非工作方向上的自由度,提高系统谐振频率,设计了基于压电陶瓷驱动的快速反射镜三自由度柔性支撑。首先根据压电陶瓷驱动的快速反射镜对柔性支撑的设计要求确定了由支撑杆与支撑片组成的三自由度四周式柔性支撑方案,再利用压杆稳定性理论与变形能法对支撑杆与支撑片进行参数设计,最后利用workbench对设计结果进行分析。有限元分析结果表明,直径1 mm、长度8 mm的柔性支撑杆的应用可以使压电陶瓷的剪切位移减少86.7%,柔性支撑片的应用使反射镜一阶模态为轴向平移振动,谐振频率为360 Hz,二三阶模态为反射镜两轴偏摆振动,谐振频率为420 Hz,而高阶模态在1 000 Hz以上。三自由度柔性支撑可以有效防止压电陶瓷受到剪切破坏,提高快速反射镜结构谐振频率,有利于提高系统闭环带宽。     

压电陶瓷迟滞建模及控制仿真

为了提高压电陶瓷驱动器在调节光学谐振腔长度时的精度,设计了一种压电陶瓷驱动系统。同时,为了改善压电陶瓷的迟滞特性,利用Duhem迟滞模型对其进行建模,利用梯度下降法对模型参数进行辨识,得到迟滞模型;并利用逆模型补偿及比例、积分、微分(PID)复合控制方法进行控制。实验结果表明,Duhem模型可以有效地拟合压电陶瓷驱动器的迟滞,在15μm的范围内,最大拟合误差小于0.2μm;同时,在复合控制下,驱动器的最大控制误差为12nm,表明该复合控制方法的有效性。     

压电陶瓷迟滞建模及控制仿真

为了提高压电陶瓷驱动器在调节光学谐振腔长度时的精度,设计了一种压电陶瓷驱动系统。同时,为了改善压电陶瓷的迟滞特性,利用Duhem迟滞模型对其进行建模,利用梯度下降法对模型参数进行辨识,得到迟滞模型;并利用逆模型补偿及比例、积分、微分(PID)复合控制方法进行控制。实验结果表明,Duhem模型可以有效地拟合压电陶瓷驱动器的迟滞,在15 μm的范围内,最大拟合误差小于0.2 μm ;同时,在复合控制下,驱动器的最大控制误差为12 nm,表明该复合控制方法的有效性。     

压电扫描器系统中迟滞补偿器的设计

在自适应光学、空间光通信、激光加工等领域,激光扫描器是其中的一项关键器件.基于压电陶瓷叠堆的传统激光扫描器很难实现较好的线性扫描,为此设计了一种基于迟滞补偿器的压电扫描器.介绍了基于迟滞补偿器的压电扫描器系统组成,分析了压电扫描器中迟滞回线的修正原理及方法.利用经过迟滞补偿后的驱动信号驱动激光扫描器进行扫描,实验结果表...     

压电陶瓷驱动微进给刀架的迟滞建模

以对称式微位移缩小机构和柔性铰链相结合,压电陶瓷驱动的微进给刀架可实现精密加工,但刀架的迟滞特性影响其定位精度。该文根据非线性Preisach模型的理论知识及压电陶瓷驱动微进给刀架的电压位移特性,将模型进行修改后得到刀架迟滞特性的数学模型,并对数学模型式进行离散化处理。实验结果表明,改进后的迟滞模型形式简单,数据采集简便,模型描述精确,能较好地实现压电驱动微进给刀架的迟滞建模,提高了迟滞模型的实用性。为提高压电陶瓷驱动微进给刀架的定位精度,实现精密控制打下基础。     

双变形镜对Yb:YAG板条激光器光束质量校正技术

分析了Yb:YAG板条激光器波前畸变的基本特征,结合光斑形态和功率密度,提出了采用水冷式13单元一维变形镜和95单元二维变形镜相结合的双变形镜组合模式对Yb:YAG板条激光器的波前畸变进行闭环校正。针对输出激光的特征进行了校正需求分析和校正能力分析,以此为基础开展了一维变形镜和二维变形镜的仿真及优化设计,同步开展了哈特曼和高压驱动系统等硬件的研制。研制出的变形镜经受了满功率出光考核,验证了内循环冷却装置对水冷式变形镜的冷却效果,随后在闭环校正实验中,将激光器的开环光束质量β=9.03提升至闭环的1.98,验证了双变形镜组合模式的自适应光学系统对Yb:YAG板条激光器光束质量校正的能力。     

用FPGA实现二维压电扫描镜的磁滞补偿

针对二维压电扫描镜中压电陶瓷的磁滞效应,根据Madelung规则和汝长海等的理论建立模型,采用精确计算目标偏转后位置对应的输出电压方法,补偿磁滞带来的扫描角度非线性问题。首先测得主磁滞环的电压-位移曲线,存入FLASH中构造磁滞对应表;然后,利用现场可编程门阵列(FPGA)具有的强大时序处理能力和高速运算能力精确地进行算法处理,补偿压电陶瓷的磁滞效应;最后,通过D/A模块输出结果,配合外围电压放大电路控制扫描镜的精确偏转。测试平台主要由He-Ne激光器、扫描镜、位置敏感探测器(PSD)和NI数据采集卡等搭建而成,用LabVIEW编写测试程序,可以直接测量扫描镜的偏转角度信息。校正前压电扫描镜偏转角度的最大误差为2.5mrad,开环补偿算法校正后成功地将偏转误差控制在0.3mrad内,磁滞效应的校正取得了理想的效果。     

大口径压电快摆镜机构迟滞非线性补偿与控制

为了提高空间天文望远镜精密稳像系统中大口径压电快摆镜机构（Fast Steering Mirror,FSM）的控制精度,采用迟滞前馈补偿和最优PID控制算法相结合的复合控制策略。针对基于广义Play算子的Prandtl-Ishlinskii（PI）模型可逆性受约束条件限制以及求逆过程中模型参数估计误差累加的问题,提出了一种基于广义Stop算子的PI逆模型进行压电执行器（Piezoelectric Actuator,PZT）迟滞补偿。针对逆迟滞模型的不确定性和直接前馈控制抗干扰能力差的问题,在控制系统中加入最优PID闭环控制器。采用自适应差分进化算法（Adaptive Differential Evolution,ADE）对迟滞逆模型参数和PID控制器参数进行寻优并引入混沌搜索机制来提高ADE算法的性能。实验结果表明:与传统PI模型解析求逆方法相比,基于广义Stop算子的PI逆模型能够更好描述逆迟滞曲线,拟合频率为1 Hz的迟滞曲线,拟合精度提高78.04%;实时跟踪频率分别为1、10、20 Hz的大口径快摆机构目标摆动位移,复合控制策略的跟踪精度相比于直接前馈控制分别提高了38.56%,22.92%和13.5%。     

基于电容传感器的精密压电微位移系统研究

利用高精度的电容传感器设计了一种带有位移反馈的压电陶瓷精密微位移系统,极大地矫正了压电陶瓷的非线性。设计了高精度的位移检测电路,实时采集电容传感器的电容量并转换成数字信号反馈给DSP,形成位移信息的闭环。结合带有前馈补偿的PID闭环控制策略,矫正压电陶瓷的非线性特性,进而实现微位移系统精密定位。对设计研制的微位移系统进行试验测试,结果表明:位移检测电路的电容分辨率可达0.000 1pF,微位移系统定位精度优于5nm,校正后迟滞误差低于1.0%。     

913单元变形镜性能测试与分析

为了满足自适应光学系统校正高阶像差和在低温环境下正常使用的要求,研制了一块913单元的分立式连续表面变形镜。利用?300mm口径Veeco干涉仪对变形镜的部分静态性能进行了面形影响函数测量、面形展平测试和Zernike像差拟合测试,并利用4-D动态干涉仪测量了变形镜从20℃~-10℃的面形。结果表明,913单元分立式连续表面变形镜各驱动点的最大变形量为±3.5μm,相邻驱动器之间的交连值为9.3%;展平后的镜面面形波峰波谷值为66.0nm,均方根值为5.0nm;913单元变形镜对Zernike多项式的拟合能力达到了设计要求;变形镜的低温镜面变形不影响系统的正常使用。该913单元变形镜能够满足自适应光学系统的实际使用要求。     

老年人健康信息管理系统的开发与应用

从电路模型上分析多路复用技术在压电微变形镜控制中的驱动特性,设计了基于双MOSFET开关的驱动电路,并对致动器的电压保持能力和抗干扰能力做了测试.实验和分析表明,一个高压运放驱动25个压电陶瓷(PZT)致动器时,工作频率可达400 Hz,致动器的变形控制精度在2%左右.与传统控制方法相比,该方法具有低功耗、低成本的优点,适用于自适应光学系统中多通道压电微变形镜的控制.     

基于MEMS技术的分立式微变形镜校正能力研究

针对基于微型机电系统技术的分立式微变形镜,从镜面面形特点出发分析了方形和蜂窝形阵列变形镜适配能力,并利用ZEMAX软件建立畸变波前和变形镜模型,仿真分析两种分立式微变形镜的校正能力.研究表明在近似子单元数情况下,蜂窝形阵列微变形镜对畸变波前的校正能力更好.     

压电陶瓷驱动器在机器人柔性臂应用中的研究

研究了片状压电陶瓷驱动器在柔性手臂中的应用,推导了基本压电陶瓷驱动器的柔性臂静力学方程,建立了描述驱动器迟滞特性的Ｐｒｅｉｓａｃｈ模型,提出了一种基于Ｐｒｅｉｓａｃｈ前钏环的ＰＩＤ掏方法对柔性夺动主动控制和轨迹控制俞中以有效地克服片状压电陶瓷驱动器的迟滞特性,消除柔性臂运动产生的振动,实现柔性臂的精度轨迹控制。     

Tracking position control of piezoelectric actuators for periodic reference inputs

The hysteresis characteristic is one of the major setbacks in precise tracking position control of piezoelectric actuators. In this paper, a position control method for a piezoelectric actuator is presented. The controller is based on PID control method augmented with feedback linearization loop. The feedback linearization loop uses a plant model drawn from the Maxwell slip model. The control strategy is then further extended to include a repetitive control algorithm for tracking periodic inputs. Experiments were performed on a 2-axis linear positioner driven by piezoelectric actuators. The experimental results show that the tracking performance is noticeably improved by augmenting a PID controller with both feedback linearization loop and a repetitive controller.     

自适应光学中变形镜的研究

大气对激光束的湍流效应是制约激光通信技术发展的一个主要因素,研究发现自适应光学技术可以有效的缓解激光束在大气中传输受到的影响。自适应光学系统由探测器、控制器和校正器3部分组成。首先由探测单元和控制单元确定控制信号,然后通过控制器改变变形镜的镜面,以达到校正波前的目的。变形镜是自适应光学系统中实现波前校正的关键器件．其特性将直接影响系统对波前光束的改善结果。通过对变形镜的工作原理、分类、技术要求和性能指标的研究．该系统补偿效果达到90％。