压电陶瓷执行器半实物仿真系统研究

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1、压电陶瓷执行器半实物仿真系统研究　　摘要：为了在压电陶瓷执行器微动控制中获得高精度的同时，实现高响应速度，采用三阶轨迹规划方法设计控制算法。为了对控制算法的性能做出准确评价，采用xPCTarget实时内核技术，以高速模拟信号采集卡作为控制/反馈信号的I/O通道，搭建了半实物仿真平台，获得了毫秒量级的伺服周期。实验表明，当伺服周期为1ms、定位行程为200μm时，三阶轨迹规划算法使压电陶瓷执行器可以在0.5s内完成精度为±1μm的定位，实现了兼顾高精度与高速度的微动控制。该半实物仿真系统可以有效验证控制算法的性能，

2、为算法的后续移植提供了有益参考。关键词：实时仿真；xPCTarget；S?FunctionBuilder；压电陶瓷：TN820.3?34；TP273+.5：A：1004?373X（2013）13?0138?04Designofsemi?physicalsimulationsystemofpiezoceramicactuatorGUOJia?liang，XULi?song，YANFeng（StateKeyLaboratoryofAppliedOptics，ChangchunInstituteofOptics，FineMechanicsand

3、Physics，CAS，Changchun130033，China）Abstract：Inordertoobtainafastresponseandhigh?precisioninthejoggingcontrolofpiezoceramicactuator，thecontrolalgorithmisdesignedonthirdordertrajectoryplanning.Forpurposeofevaluatingtheperformanceofcontrolalgorithmaccurately，thexPCTargetreal?

4、timekerneltechnologyisused，i?physicalsimulationplatform，andachievesaservoperiodofmilliseconds.Experimentsshoakepiezoelectricactuatorlocaten;1μmin0.5s，thejoggingcontrolsandthepositionstrokeis200μm.Thesemi?physicalsimulationsystemcouldeffectivelyverifythepropertyofthe

5、controlalgorithm，andprovideausefulreferenceforthefurtherapplicationofthealgorithm.Keyesimulation；xPCTarget；S?FunctionBuilder；piezoceramic0引言由于压电陶瓷执行器（PiezoelectricActuator，PZT）具有定位精度高、带宽大、响应时间快等优点，所以被广泛地应用于如超精密加工、半导体光刻等领域的精密定位系统中。但是随着工业化生产对产率要求的不断提高，在满足定位精度要求的同时，对定位速度提出了越

6、来越严格的要求[1]。如何实现快速而精确的定位控制，如何准确评价控制算法的性能显得尤为重要。对于PZT定位精度控制的研究主要集中于逆模型的建立，无论是基于现象的Preisach模型[2]，还是具有明确函数表达式的Duhem模型[3]，都可以有效补偿迟滞与蠕变效应带来影响，获得高精度的定位控制。对于定位速度控制的研究，无论是动态性能更好的压电器件的使用[4]，还是点到点运动控制算法的优化与应用[5]，都取得了高速度的定位控制。基于现有的PZT，三阶轨迹规划方法可以获得高精度、高速度的控制效果[6]。由于三阶轨迹规划算法离散化迭代计算的时间因

7、子为控制系统的单位伺服周期，而以往的非实时计算平台，无法提供分辨率足够小的伺服周期，也就无法保证在算法开发验证阶段对其性能进行评价的准确性[7]。xPCTarget采用主机与目标机结合的方式，目标机运行的实时内核可以在足够短的时间内计算控制算法的仿真模型[8?9]，为三阶轨迹规划算法的实时执行及性能评价提供了有效的途径。本文建立基于xPCTarget的PZT微动控制半实物仿真平台，对PZT的微动控制算法进行研究与验证，以获得高精度、高速度的PZT微动控制。1系统硬件设计PZT微动控制半实物仿真系统硬件结构如图1所示，整个系统硬件结构由以下

8、几个部分组成：处于用户层的宿主机、处于中间层的xPCTarget目标机和处于执行器层的PZT驱动/控制系统。其中，宿主机采用PC机，运行Matlab/Simulink/RTatlab/Simu