壓電微夾鉗的自感知控制方法研究.pdf

1、為省掉外部傳感器，本文在對(duì)已研制壓電微夾鉗進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)和靜動(dòng)態(tài)特性有限元分析的基礎(chǔ)上，探索了鉗指位移的自感知方法及控制方法，具體工作如下：
　　1)基于壓電雙晶片執(zhí)行器，考慮到鉗體整體安裝定位、指尖便于夾持及電極線易于引出，改進(jìn)了已研制壓電微夾鉗的結(jié)構(gòu)；采用ANSYS對(duì)改進(jìn)后的微夾鉗進(jìn)行了靜動(dòng)態(tài)特性分析，結(jié)果表明：在90 V的最大驅(qū)動(dòng)電壓作用下，鉗指的最大位移為98.4μm；鉗指的一階固有頻率為661Hz；在20 V的階躍電壓作用

2、下，鉗指末端達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的位移約為21.5μm，響應(yīng)時(shí)間約為0.08 s；在仿真分析的基礎(chǔ)上，制作出了微夾鉗實(shí)物。
　　2)根據(jù)壓電陶瓷晶體的變形與表面電荷的關(guān)系，提出了基于積分電荷的鉗指位移與夾持力的自感知方法；基于Smits壓電懸臂梁理論，推導(dǎo)出自感知鉗指位移與加持力的數(shù)學(xué)模型；設(shè)計(jì)了自感知電路，給出了自感知電路必須滿足的平衡條件，即壓電晶片的等效電容與漏電阻之積必須等于積分電容與平衡電阻之積；通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了自感知方法的有效性，

3、結(jié)果表明：通過(guò)自感知方法所獲得的鉗指位移與外部傳感器所獲得的結(jié)果具有較好的一致性。
　　3)基于改進(jìn)Prandtl-Ishilinskii模型建立了壓電微夾鉗的遲滯模型，設(shè)計(jì)了其前饋控制器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了前饋控制的有效性，結(jié)果表明：前饋控制系統(tǒng)能顯著降低微夾鉗的遲滯誤差，提高其響應(yīng)速度，鉗指達(dá)到5μm參考位移的響應(yīng)時(shí)間約為0.12 s；在0~15.2μm的參考位移范圍內(nèi)，鉗指的遲滯誤差由無(wú)前饋控制時(shí)的3.2μm左右減小到了1.1μ

4、m左右；在前饋控制下，通過(guò)自感知方法所獲得的電荷曲線同獨(dú)立傳感器所獲得的位移曲線具有較好的一致性。
　　4)通過(guò)改進(jìn)常規(guī)PID控制，設(shè)計(jì)出拋物線積分與微分先行的微夾鉗PID反饋控制器，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了PID反饋控制的有效性，結(jié)果表明：在獨(dú)立傳感器反饋下，PID控制能夠完全消除微夾鉗的遲滯誤差，但響應(yīng)時(shí)間變慢，鉗指達(dá)到5μm參考位移的響應(yīng)時(shí)間約為0.18 s；在自感知反饋下，經(jīng)PID控制后鉗指位移的穩(wěn)態(tài)誤差小于前饋控制，但響應(yīng)時(shí)間變慢，鉗