压电精密驱动控制系统

负责人：徐明龙 宋思扬

所在学院：航天航空学院

一、项目简介

团队依托西安交通大学航空航天航空学院机械结构强度与震动国家重点实 验室组建，以学院副院长、实验室主任徐明龙为带头人，经过十余年的积累， 在压电驱动原理、驱动方案、驱动结构、驱动控制等方向取得了丰硕的研究成 果与深厚的应用经验。形成了多自由度精密作动平台，大行程高精度作动器 件、驱动控制算法与硬件三个方面系列化成果，在压电驱动的精密作动领域能 够提供国际领先的压电精密驱动解决方案。

二、多自由度精密驱动平台

1.二自由度精密组东平台

在卫星光通信中，两自由度精确指向调节结构用于快速调整角度的精密偏 转定位机构，它是用于精密瞄准，相对于传统光学伺服系统，其精度和带宽都 有大幅度提高，弥补了传统光学系统惯量大、带宽窄的缺陷，因此这种机构在 军事、航空航天、光学工程以及精密检测等领域都有广泛应用。本团队采用压 电陶瓷作为驱动系统，设计了小体积直驱型高带宽压电直驱的精指向执行机构 两自由度精确指向调节结构。

该机构利用单个压电堆直接驱动，不引入放大机构，通过单轴下一对压电 堆“推-拉”工作模式实现镜面偏转。该机构采用直驱作动方式，与位移放大式执 行机构相比，该设计很大程度上减小了偏转机构径向尺寸，结构更紧凑，体积 更小，同时具有更大的工作带宽和更高可靠性。此外该机构内部集成应变式偏 转角传感单元（SGS）和信号处理电路用于闭环偏转角位移反馈，与国外产品 相比具有更高的集成度。

表 1 小体积直驱型高带宽压电直驱的精指向执行机构性能指标

2.三自由度精密作动平台

在光学遥感领域，空间相机等有效载荷需要相机调节机构来承载并实现辅助运动。通过对调节机构的调整可以增大相机视野，实现成像并获取各种信息和图像。而卫星平台由于空间环境和星体活动部件等因素的影响，会产生微振西安交通大学国家技术转移中心动。随着空间相机分辨率水平的提高，这种微振动对成像品质的影响也显著增加。平台振动耦合到相机的光轴上，便会引起被摄景物与相机焦面发生相对运动，从而产生像移。当相机的空间分辨率很高时，这种像移会导致严重的像质退化，影响图像品质。因此，实现空间相机稳像的关键技术便是要减小甚至抵消振动干扰对成像品质的影响。运用光学稳像控制系统，设计伺服机构可以在光路中实时校正相机光轴偏移。从而实现景物在主成像相机焦面上的相对稳定，减小像移，提高成像分辨率。针对于这种需求，团队开发了一种三自由度（XYθz）压电稳像作动平台，

其结构如下图所示：

该三自由度稳像结构由完全对称设计的 XY 平动并联机构和反对称设计的绕 Z 轴偏转机构经由一个底部设置凹槽的十字型连接结构用螺钉上下连接而成。当安装在菱形压电作动器中的压电堆在一对差分电压信号下，基于压电材料的逆压电效应，压电堆产生大小相等方向相反的一对位移。经由两级放大机构可实现动平台的 XY 平动；当安装在绕 Z 轴偏转机构中的压电堆在一对相同电压信号下，可实现动平台的绕 Z 轴偏转。该三自由度 XYθz 压电稳像作动结构具有结构紧凑、响应快、无机械摩擦以及 X 和 Y 方向可实现双向作动等优点；并且 XY 平动并联机构采用了两级放大结构，用于实现压电堆形变的位移放大输出，使得机构在整体结构尺寸较小的情况下能产生较大的微位移。此外，平动机构采用了对称设计的导向结构，实现了机构的解耦，提高了压电稳像作动结构的调节精度。

表 2 三自由度压电精指向执行机构性能指标

三、大型程压电作动器

1.大推重比直线驱动器

针对于形状控制、加工进给等系统提出的高精度、大负载驱动需求，团队开发了具有很高推重比的直线驱动装置，该作动器能够在 600g 的质量内，实现600N 以上的推拉力。

该大行程作动器的设计技术指标如下表所示。

表 1 大推重比压电驱动器性能指标

2.小型直线驱动器

为适应在小的空间尺寸下实现高精度的位移输出，团队还设计了一款具有位移反馈功能的小型直线压电作动器，该作动器利用非对称的锯齿波驱动压电堆，通过惯性冲击原理作动，采用比例式线性霍尔传感器实时感知位移；并且结构紧凑，易于安装，具有作动快速精准，断电锁止，钳位力可调节的特点，能够在足够小的结构下实现大的推重比与高精度的位移输出性能。作动器行程可以依据客户需求定制，最高可达 6 毫米，其位移精度可达 0.5 微米，能够实 现总行程千分之一的定位精度。

该小型压电直线驱动器的性能指标如下表所示。

表 2 小型直线驱动器性能指标

针对科学研究，光学研究当中对旋转运动的精密控制需求，团队研发了压电材料驱动的精密旋转作动器，该作动器能够在惯性式驱动原理的控制下完成顺时针逆时针两个方向的 360°大范围圆周运动，且能够实现千分之一度的角位移分辨率。作动器内部集成有光栅式角位移传感器。

作动器技术指标见下表：

表 3 大行程旋转驱动器性能指标

四、控制驱动设备

团队可以依据不同需求的压电执行机构实现多种方式的驱动控制，以基于 FPGA 的压电作动器驱动控制系统为例： 

该 FPGA 控制系统能够实现多协议数字通信、三通道独立驱动、支持双通道 16 位高速数据采集、闭环控制等多个功能。可以应用于大行程的尺蠖式压电作动器、惯性式压电作动器、压电式多自由度调节平台等多种压电驱动结构。该驱动设备已经为科研院所提供了航天级的定制产品。

五、市场前景及应用

主要应用于航空航天领域，同西安、北京等航天所均有合作。