本课题结合国家科学自然基金项目“提高微操作机器人性能的若干关键基础问题研究”(项目号:61573093)。近年来,微纳定位技术高速发展,无论是航空航天、医疗、通信、精密制造还是国防工业、仪器仪表等行业都在应用微纳定位技术。压电陶瓷是高精度微纳定位平台主要采用的执行器,压电陶瓷的性能直接决定着微纳定位技术的好坏,压电陶瓷的性能由压电陶瓷驱动电源直接控制。所以压电陶瓷驱动电源是微纳定位技术的关键部件。本文针对具有大空间密度的二自由度微纳定位平台展开研究。针对市面上的压电陶瓷驱动电源通道数少、人机交互单一以及集成度低等问题,本文设计了一套触摸屏和上位机控制具有四路输出的压电陶瓷驱动电源,并把其应用到该微纳定位平台的测控系统中。主要研究内容和成果如下:(1)首先分析了两种压电陶瓷驱动电源的驱动方式,电荷驱动型和电压驱动型。总结了国内外文献对压电陶瓷驱动电源的研究,分析了各自的原理以及优缺点。紧接着又重点分析了国内外市场上销售的压电陶瓷驱动电源产品,对他们各自的参数进行列表和分析,最后得出电压驱动型方案更优越,实施性更强,所以采用电压驱动型。(2)对微纳定位平台及其测控系统进行分析,确定了压电陶瓷驱动电源的整体方案。主要由机箱、上位机、触摸屏、DSP、四路十六位高精度DAC,电压跟随器、高阶低通滤波器、线性放大电路以及供电电源组成。供电电源提供200V的直流电压、正负15V电压以及精密5V电压。本文为压电陶瓷驱动电源设计了机箱,并对其电磁兼容进行分析和计算,最终确定机箱尺寸为高140mm宽200mm长270mm。外壳材料为纯铁,壁厚为1mm,经过计算,该机箱达到民用机箱的电磁屏蔽要求。(3)针对压电陶瓷驱动电源的硬件电路,首先采用OP07和PA85串联的方式组成了二级放大电路,并完成了电路稳定性分析和参数的分配。在Multisim12软件中进行了仿真,最后用Altium Designer软件设计PCB,并加工出实物。用AD823AR芯片设计了电压跟随器,并完成了实验测试。采用NE5532芯片设计了四阶低通滤波器,并做出了实物。采用LM7815和LM7915设计了线性稳压电源,采用REF02芯片设计了精密基准+5V的电压源,并完成了相应的电路仿真以及实物加工。最终采用LT3758设计输出200V的反激式升压开关电源。(4)针对压电陶瓷驱动电源的控制系统及其软件设计问题,本文基于SPI协议完成了 DSP和DAC8534的连接,并完成了信号发生器的设计。基于DSP自带的16路12位A/D采集,完成了 A/D采集系统,并把D/A转换和A/D采集进行联合实验,实验结果满足要求。采用C#语言开发了便于用户操作的压电陶瓷驱动电源上位机界面,并实现了和DSP的通信。同时又设计了触摸屏,通过串口通信的方式完成了触摸屏和DSP的通信。采用硬件滤波电路、硬件放大电路和LMS自适应滤波算法完成了微弱信号的提取以及处理,并完成了和小波滤波以及小波熵滤波算法的比较。分别仿真了信噪比为-10dB、-2dB以及9dB的信号,发现LMS自适应滤波算法都明显优于这两种滤波算法。针对微纳定位平台的闭环控制问题,本文采用了位置式PID控制,并在DSP中进行编程实现。针对压电陶瓷自身的迟滞非线性问题,本文基于PI模型建立了改进的PI正模型和逆模型,并在MATLAB软件做仿真,仿真结果表明该方法用在开环控制压电陶瓷系统中可以消除压电陶瓷的迟滞非线性问题。(5)针对所设计的压电陶瓷驱动电源做了实验测试,首先测试多个通道的性能参数,得出结论是几个通道性能基本一致。然后任选一个通道测试了该压电陶瓷驱动电源空载时候的静态性能参数,计算出最大非线性度为0.105%,最大纹波小于15mV。可以看出,该通道静态性能良好。又测试了动态性能,以输出正弦波为例,输入输出跟随效果很好,波形稳定,几乎没有杂波。接下来又测试了压电陶瓷驱动电源带压电陶瓷的实验,并且和汇博公司的HPV系列同类产品进行比较,结果表面本文所设计的压电陶瓷驱动电源的驱动能力超过汇博公司的该类产品,并且人机交互更多样、通道数更多、集成度更高。针对压电陶瓷的迟滞非线性问题,本文在已设计的压电陶瓷驱动电源基础上采用开环逆补偿的方法做了实验测试,结果表明,本文所设计的压电陶瓷驱动电源消除了压电陶瓷的迟滞非线性问题。最后把该压电陶瓷驱动电源应用在微纳定位平台的测控系统中,采用了闭环控制,得出的结论是,该微纳定位平台的测控系统定位能达到的最大误差率小于0.4%,系统可以跟踪正弦信号,满足该微动平台的要求。说明所设计压电陶瓷驱动电源满足微动平台的要求,达到了期望设计要求。(6)总结论文研究工作,提出后续需要进一步研究的问题,并对压电陶瓷驱动电源的后续工作进行了展望,最后总结本文的创新点。