传感器和执行器的集成是微机电系统、智能材料与智能结构的基本要求,可分为结构集成和功能集成两种方式。功能集成的传感器和执行器被称为自感知执行器,其换能元件既作执行器又作传感器。自感知执行器使系统体积减小和重量减轻,并可以实现同位控制、提高控制的稳定性。 压电陶瓷执行器具有位移分辨率高、响应快、刚度大、可微小化等优点,从而获得了广泛的应用。本文所做工作包括基于压电陶瓷执行器驱动的微动工作台的理论研究和应用研究两个方面。 首先,在系统分析电致伸缩效应、逆压电效应和铁电效应位移机理及对位移贡献的基础上,基于“电畴转向与转向不完全立即可逆”的观点,深入分析了压电陶瓷执行器迟滞非线性的成因。通过实验研究了压电陶瓷执行器在不同驱动电压作用下的迟滞非线性,为压电陶瓷执行器迟滞非线性建模打下基础。 其次,本文通过有限元分析软件Pro/Mechanic对微动工作台进行静力学分析,并对工作台柔性铰链进行参数优化设计,分析结果表明,该工作台结构强度以及固有频率达到了设计要求,满足微动工作台控制的需要。 最后,利用压电陶瓷执行器机械位移和电极上的自由电荷成正比的原理,采用电荷积分器将电极上的自由电荷保存下来,通过自制非接触式电容位移传感器进行实验验证:基于压电陶瓷执行器位移-电压曲线各升程之间、各回程之间的相似性,通过对第一升回程曲线进行坐标平移和比例缩放,建立迟滞非线性模型,作为微动工作台的参考输入,采用基于电荷控制的前馈与模糊控制相结合的控制方法,对工作台实行双向驱动,画出一条封闭的二维曲线,分辨率达到0.01μm,达到了较高的控制精度和较好的控制稳定性。