基于非线性逆模型补偿的压电陶瓷驱动电源研究文献综述

 2022-11-12 06:11

文献综述:

1、研究背景

压电陶瓷微位移器具有体积小,位移分辨率高,频响高,无噪声,不发热等特点,是一种理想的位移元件[1]。随着纳米技术的兴起和发展,微观世界受到人们的关注越来越多,微/纳米定位系统成为研究热点。微/纳米定位系统中微驱动器件关系到定位精度和性能,是系统很重要的组成部分。压电陶瓷微位移器凭借其优异的性能在微/纳米系统中起着重要的作用。

由于压电陶瓷具有优异的力电耦合特性,其应用越来越广泛。压电式显微镜切割是目前世界上最新型的显微切割工具,通过压电陶瓷驱动金属针,在高频低幅下超声振动,完成各种生物组织的切割,最大切割频率达到 50KHz;压电式高速开关阀具有超快响应速度、很高位移控制精度以及输出较大力等特点而被广泛应用于汽车柴油机燃油喷射系统以及各种液压系统中,德国博世公司和西门子公司开发出了压电陶瓷控制式喷油器,能精确控制喷油量,这是柴油共轨喷射技术领域内的一次技术飞跃,与迄今为止最好的电磁阀控制的喷油系统相比,具有快速响应能力(亚微秒级)、很高的定位精确性、可重复性和可靠性[2];压电陶瓷驱动的微驱动机器人具有高定位精度和精细操作的优势,用这种压电驱动微机器人来完成微外科手术,可以缩短手术时间并且提高成功率,从而大大减轻医生负担[3]

虽然压电陶瓷微位移器因性能优异而应用十分广泛,但是它的迟滞非线性的特性给压电陶瓷的应用带来了困难。压电陶瓷的迟滞非线性是指压电陶瓷的驱动电压与输出位移之间不是线性关系,上升迟滞曲线与下降迟滞曲线不重合的特性。压电陶瓷的迟滞非线性会显著降低微/纳米定位系统的定位精度,在开环控制条件下,由于迟滞非线性而引起的跟踪误差可以达到15%,这给微/纳米定位系统的控制带来了很大的困难[4,5]

2、研究现状

近十几年,国内外科研工作者已经从其内部机理、迟滞建模、控制方法以及驱动方式等方面对压电陶瓷进行了广泛的研究。改善或消除迟滞非线性的方法很多,在控制方式上可分为基于迟滞模型开环控制和闭环控制;在反馈方式上可分为电荷反馈和电压反馈;而在控制算法方面,除传统 PID 控制外,还有自适应逆控制、基于模型的逆控制、神经网络控制以及模糊控制等[4]

2007年美国Saeid Bashash针对压电陶瓷的迟滞非线性提出了一种含有指数形式的迟滞数学模型,并采用前馈逆模型控制把迟滞非线性从15%降低到1.6%[13,14]

2005年哈尔滨工业大学孙立宁教授的研究小组提出多项式近似模型,采用多项式拟合结合压电陶瓷极化特性对压电陶瓷迟滞非线性进行建模,该方法建模精度高,但是求解其逆模型的过程比较复杂[14]

3、迟滞建模:

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