一种压电陶瓷执行器控制台的制作方法
一种压电陶瓷执行器控制台的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型是一种实验用控制台，特别是设及一种采用了压电陶瓷执行器的实验 用控制台。
【背景技术】
[0002] 国外在超精密平台的设计研究起步的比较早。该促进了国外发达国家对精密平 台及其相关科学的研究美国国家关键技术委员会将纳米技术列为政府重点支持的22项关 键技术之一，美国国家基金会亦将纳米技术列为优先支持的关键技术之一，美国许多著名 大学都设有纳米技术研究机构，如北卡罗莱纳大学的精密工程中屯、，康乃尔大学的国家纳 米加工实验室，路易斯安那大学的微米制造中屯、等等。日本把纳米技术作为ERATO计划中 6项优先高技术探索项目之一，投资2亿美元发展纳米技术；筑波科学城的交叉学科研究中 屯、把纳米技术列入2个主要发展方向之一。英国国家纳米技术（NI0N)计划已开始实行，在 英国的化anfield大学成立了W纳米技术为研究目标的精密工程中屯、。欧洲的其它国家也 不示弱，把纳米技术列入了 "尤里卡计划"。
[0003] 在上世纪80年代中后期，国内学者相继提出了宏微双重驱动技术，纷纷发表学术 论文展开研究讨论，目前它是实现大行程、高精度定位的一种有效手段。例如清华大学教授 吴鹰飞、周兆英（清华大学精密仪器与机械学系）的《压电驱动柔性较链机构传动实现超精 密定位》一文中就详细介绍了压电元件和柔性较链的概念与特点，列举压电元件与柔性较 链机构结合实现超精密定位的典型例子，包括超精密测量、超精密加工、光学自动聚焦和大 行程超精密定位。为使超精密定位工作台的结构紧凑，还提出了单驱动多自由度运动机构， 应用蠕动式的运动原理可合成机构上的多自由度运动，并实现大行程运动。设计了对称结 构的柔性较链机构实现导向功能。
[0004] 哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所的叶树亮，谭久彬博±的《具有纳米 分辨力二维超精密定位系统的研制》一文针对传统超精密定位系统存在位移灵敏度、系统 频响及重复定位精度难W兼顾的问题，设计并研制了一种具有纳米分辨力的二维超精密定 位系统。系统集成平行四连杆结构双柔性二维工作台无间隙传动、双极性可伸缩压电陶瓷 微位移驱动和纳米精度电容位移监测等先进技术，在微处理器控制下可实现纳米量级的定 位。为改善传统PID控制方法存在的精度低、实时性差等缺陷，提出了一种结合定位过程中 各阶段系统不同响应特性的比例、积分和微分（PID)参数自适应控制算法。
[0005] 哈尔滨理工大学机械动力工程学院的孟兆新，胡乃文两位在《=维精密定位工作 台的控制系统的研究》一文中对S维精密工作台快速定位系统的控制原理及结构组成进行 了研究，并对系统进行理论和实验分析。为了实现高精度的快速定位，系统采用了独立伺 服控制技术W及变结构的PID自适应控制算法，达到了满意的定位精度。
[0006] 综上所述，从国内外的研究现状来看使用宏微结合的模式再配合陶瓷压电执行 器。采用两级传动机构的超精密平台是比较容易实现和切合实际的一种超精密平台设计方 法。该种方案在学校中为学生精密试验、实验都能提供足够的帮助。 【实用新型内容】
[0007] 本实用新型的目的是为解决目前的技术方案供学生使用的精密实验平台不足，精 密实验台价格太高的问题，提供一种简单方便，成本低廉的压电陶瓷执行器控制台。
[000引本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种压电陶瓷执行器控制台， 由电源供电，包括平台、平台传动器、平台电机、平台电机驱动器、平台位移检测装置、平台 控制器、通讯电路、控制电脑、D/A转换器、驱动电路、压电陶瓷执行器、执行器位移检测装置 和A/D转换器，所述平台控制器通过通讯电路与控制电脑电连接，所述平台控制器通过平 台电机驱动器与平台电机连接，所述平台电机的输出轴通过平台传动器与平台机械连接， 所述平台位移检测装置配设在所述平台电机的输出轴上，平台位移检测装置的输出端与平 台控制器电连接，所述控制电脑通过D/A转换器与驱动电路的输入端连接，驱动电路的输 出端与压电陶瓷执行器连接，对应压电陶瓷执行器配设有执行器位移检测装置，执行器位 移检测装置通过A/D转换器与控制电脑电连接。上位机采用PC机，下位机采用AT89巧1单 片机为核屯、设计，测量系统采用的是光栅尺电路，宏平台采用直流电机驱动滚珠丝杠带动 原理设计。
[0009] 硬件系统是实现精密定位的基础。本精密定位系统采用宏-微相结合的两级模式 来实现大行程、高精度、高速的定位，其硬件系统由宏平台进给系统、位移测量系统、微位移 定位系统W及控制系统组成。首先介绍了精密定位系统硬件的总体构成，然后分别对宏平 台伺服进给系统、光栅位移测量计数系统、微位移精密定位系统W及控制系统的硬件构成 进行了详细的分析。精密定位系统硬件总体结构X-Y精密定位平台采用了宏平台和微平台 相结合的模式，微位移平台固定安装在宏平台的上底板上，两平台的运动中屯、重合。宏平台 完成高速、大行程、微米级定位，微位移定位平台用W完成对宏平台定位误差的补偿。通过 两级机构的组合，共同实现了大行程高精度的定位动作。
[0010] 作为优选，所述控制电脑为配设有误差变换模块、自适应控制模块和迟滞控制模 块的控制电脑，所述误差变换模块的输入量为给定量和执行器位移检测装置的反馈值，所 述误差变换模块的输出至与自适应控制模块的输入值连接，所述自适应控制模块的输出至 迟滞控制模块，迟滞控制模块的输出值输出对压电陶瓷执行器进行控制。
[0011] 作为优选，所述迟滞控制模块包括迟滞模块、迟滞算子模块和神经网络模块，迟 滞模块、迟滞算子模块的输入端均与自适应控制模块的输出端连接，神经网络模块的输入 端与迟滞算子模块的输出端连接，神经网络模块的输入端还与自适应控制模块的输出端连 接，迟滞模块输出正反馈值与神经网络模块输出的负反馈值共同输入神经网络模块的反馈 玉山 乂而。
[0012] 作为优选，所述神经网络为包含若干个神经元模块的两层结构，所述两层结构为 一个隐层和一个输出层，所述每个神经元模块均包括激励函数模块和权值模块；误差变换 模块是将系统误差通过变换处于预先设定在期望的误差范围内；自适应控制模块输入信号 为误差变换后的误差，对转换的误差进行实时控制和调整，神经网络输出端输出控制信号 对压电陶瓷执行器进行控制。
[0013] 作为优选，所述平台控制器为51单片机，所述通讯电路包括MX232巧片和九针接 口，所述51单片机的通讯串口依次通过MX232巧片和九针接口与控制电脑电连接。
[0014] 作为优选，所述平台电机驱动器包括PWM波形产生电路和信号处理电路构成，所 述PWM波形产生电路由74LS373巧片和8253巧片组成的，所述平台控制器通过74LS373巧 片与8253巧片的输入端连接，8253巧片的输出端通过信号处理电路与所述平台电机电连 接。8253内部具有=个功能完全相同相互独立的计数器（0, 1，2)，每一个计数器都可工作 于6种方式中的任一种，整个8253只有一个控制寄存器，它的内容决定了计数器的操作 方式，8253内部具有=个功能完全相同相互独立的计数器（0, 1，2)，每一个计数器都可工 作于6种方式中的任一种，整个8253只有一个控制寄存器，它的内容决定了计数器的操 作方式。
[0015] 作为优选，所述信号处理电路包括L298N巧片、74ALS04巧片、电阻R1、光禪U2、电 阻R2、电阻R3、电阻R8、S极管Q1、与口U3和与口U4, 74ALS04巧片的输入端与平台控制器 连接，74ALS04巧片的输出端通过电阻R1与光禪U2的输入端连接，光禪U2的输出端通过 电阻R2接地，光禪U2的输出端通过电阻R3与=极管Q1的基极连接，=极管Q1的集电极 通过电阻R8与电源连接，=极管Q1的发射极接地，=极管Q1的集电极还与与口U3的第二 输入端连接，S极管Q1的集电极还与与口U4的第一输入端连接，与口U3的第一输入端和 与口U4的第二输入端分别与平台控制器的输出端连接，与口U3的输出端和与口U4的输出 端分别与L298N巧片连接，L298N巧片的输出端与平台电机连接。显然我们可W知道L298N 是一个内部有2个全桥转换电路的PWM驱动电路。脉宽调制（PWM)是利用微处理器的数字 输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制 与变换的许多领域中。
[0016] 所述平台位移检测装置包括配设在平台上的光栅尺和光栅尺电路，所述光栅尺电 路包括发光二极管D2、光敏二极管D1、电阻R10、电阻R11、电阻R4、电阻R5、电阻R3、电阻 R6、电阻R14、电阻R17、运放TAA861、电容C1、电容C2、电容C3和电容C4,电源通过电容C4 接地，发光二极管D2的阳极通过电阻R10与电源连接，发光二极管D2的阴极接地，光敏二 极管D1的阴极与电源连接，光敏二极管D1的阳极通过电阻R11接地，光敏二极管D1的阳极 通过电容C3与运放TAA861的正输入端连接，运放TAA861的正输入端还依次通过电阻R13 和电阻R4与电源连接，运放TAA861的正输入端还依次通过电阻R13和电阻 贴与接地，运 放TAA861的负输入端依次通过电阻R6和电容C2接地，运放TAA861的负输入端依次通过 电阻R14和电阻R17与电源连接，运放TAA861的输出端通过电容C1与运放TAA861的反馈 端连接，运放TAA861的输出端输出用于与平台控制器连接的反馈信号。计数电路原理，首 先记数电路的核屯、问题是确定一个计数器件，在该里有光栅尺、增量式光电编码器和绝对 式光电编码器几种元件可W选择，该些期间各自都有优劣点；1.绝对式光电编码器，使用 方便，没有累计误差，不需要每次都执行复位操作，是最为理想的选择，但是它的成本实过 于昂贵。2.增量式光电编码器，它可W实现正反转电路的测量，并且可W通过计算单圈的转 速来测量电机的速度，但是它也有自己的缺点，就是它实现的电路相对较为复杂，测量精度 容易受到累计误差的干扰。3.光栅尺它的电路原理相对简单，能实现正反转的测试，需要通 过软件计算电机速度，比较简单的电路实现和精确的数据反馈。综合W上总总，我选择了使 用光栅尺作为我的记数器件。
[0017] 光栅尺主要应用于直线移动导轨机构，可实现移动量的精确显示化0002mm)和 自动控制，广泛应用于金属切削机床加工量的数字显示和CNC加工中屯、位置环的控制。
[001引光栅尺通过摩尔条纹原理，通过光电转换，W数字方式表示线性位移量的高精度 位移传感器。
[0019] 线位移光栅传感器的数显系统主要应用于直线移动导轨机构，可实现移动量的精 确显示和自动控制，已广泛应用于机床加工和仪器的精密测量。
[0020] 光栅传感器分为敞开式和封闭式两类。其中敞开式为高精度型。输出波形为正弦 波，主要用于精密仪器的数字化改造。最高分辨率可达0. 1ym。封闭式传感器由光栅尺、光 栅读数头及壳体=部分整装部件。最先进可靠的光学测量系统，采用可靠耐用的高精度五 轴承系统设计，保证光学机械系统的稳定性，优异的重复定位性和高等级测量精度。传感器 采用密封式结构，性能可靠，安装方便。采用特殊的耐油、耐蚀、高弹性及抗老化塑胶防水， 防尘优异，使用寿命长。具体高水平的抗干扰能力，稳定可靠。光源采用红外发光二极管， 体积小寿命长。采用先进的光栅制作技术，能制作各规格的高精度光栅玻璃尺（最长可做 到 3000mm)。
[0021] 作为优选，所述平台位移检测装置还包括前级采样电路，所述前级采样电路的输 入端与所述运放TAA861的输出端连接，所述前级采样电路的输出端与平台控制器电连接。
[0022] 作为优选，所述前级采样电路包括与口U6、与口呪、第一D触发器、第二D触发器 和74LS161巧片，所述第一D触发器的D端连接电源，所述第一D触发器的CLK端与与口呪 的输出端连接，所述第一D触发器的Q端与与口U6的第一输入端连接，与口U6的第一输入 端还与平台控制巧片的INTO端连接，与口U6的第二输入端与运放TAA861的输出端连接， 与口U6的输出端与74LS161的CLK端连接，与口呪的第二输入端也与运放TAA861的输出 端连接，与口U5的第一输入端与第二D触发器的Q端连接，第二D触发器的D端与电源连 接，第二D触发器的CLK端与平台控制巧片的一个标准输入输出端连接，第二D触发器的R 端和第一D触发器的R端均与74LS161巧片的MR端连接，7化S161巧片的CET端和CEP端 均与所述运放TAA861的输出端连接。虽然输出的光栅信号属于是数字信号但是要被单片 机采集的话还是需要其他了解单片机对信号采集的方法然后再制作合适的分频电路来进 行高频率的数据采集。单片机工片内定时/计数器在计数方式工作时，采用外输入脉冲作 为计数脉冲，当输入脉冲从高到低跳变时，计数器加1。最高计数频率为晶振的1/24。故当 时钟为12MHZ时，最高计数频率为500KHZ。该样的计数频率并不能让我们满意，因为在高速 的情况下，过低的计数频率会引起误差。该个就是计数电路中的一个比较棘手的问题。解 决的办法是通过扩展集成计数器，作为前级计数器，而把片内的计数器作为后续计数器。如 果把集成计数器仅仅作为分频器来使用的话虽然测量范围扩大了，但是相应的测量的精度 会降低。为了不降低测量精度，要把扩展的集成计数器作为低位计数器通过并行接口相连 读入，参加数据运算处理。扩展的位数可W根据需要确定。如果扩展一片74LS161四位计 数器巧片，就可把原来的测量上限扩展16倍。如果需要把频率上限进一步提高，就要扩展 高位计数器，并且要选用工作速度更高的集成计数器如；74LS161、74F161等。
[0023] 本实用新型的实质性效果是：本实用新型提供了一种简单方便，成本低廉的压电 陶瓷执行器控制台，实现简单，控制精准，适合大学生各种实验。
【附图说明】
[0024] 图1为本实用新型中的整体架构图；
[0025] 图2为本实用新型中宏平台的一部分电路图；
[0026] 图3为本实用新型中宏平台的一部分电路图；
[0027] 图4为本实用新型中宏平台的一部分电路图；
[002引图5为本实用新型中宏平台的一部分电路图；
[0029] 图6为本实用新型中宏平台的一部分电路图。
[0030] 1、控制电脑，2、通讯电路，3、平台控制器，4、平台电机驱动器，5、平台电机，6、平 台，7、平台传动器，8、平台位移检测装置，9、D/A转换器，10、驱动电路，11、压电陶瓷执行器， 12、执行器位移检测装置，13、A/D转换器。
【具体实施方式】
[0031] 下面通过具体实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的具体说 明。
[00对实施例：
[0033]一种压电陶瓷执行器控制台（参见附图1、附图2、附图3、附图4、附图5和附图6)， 由电源供电，包括平台、平台传动器、平台电机、平台电机驱动器、平台位移检测装置、平台 控制器、通讯电路、控制电脑、D/A转换器、驱动电路、压电陶瓷执行器、执行器位移检测装置 和A/D转换器，所述平台控制器通过通讯电路与控制电脑电连接，所述平台控制器通过平 台电机驱动器与平台电机连接，所述平台电机的输出轴通过平台传动器与平台机械连接， 所述平台位移检测装置配设在所述平台电机的输出轴上，平台位移检测装置的输出端与平 台控制器电连接，所述控制电脑通过D/A转换器与驱动电路的输入端连接，驱动电路的输 出端与压电陶瓷执行器连接，对应压电陶瓷执行器配设有执行器位移检测装置，执行器位 移检测装置通过A/D转换器与控制电脑电连接。所述控制电脑为配设有误差变换模块、自 适应控制模块和迟滞控制模块的控制电脑，所述误差变换模块的输入量为给定量和执行器 位移检测装置的反馈值，所述误差变换模块的输出至与自适应控制模块的输入值连接，所 述自适应控制模块的输出至迟滞控制模块，迟滞控制模块的输出值输出对压电陶瓷执行器 进行控制。所述迟滞控制模块包括迟滞模块、迟滞算子模块和神经网络模块，迟滞模块、迟 滞算子模块的输入端均与自适应控制模块的输出端连接，神经网络模块的输入端与迟滞算 子模块的输出端连接，神经网络模块的输入端还与自适应控制模块的输出端连接，迟滞模 块输出正反馈值与神经网络模块输出的负反馈值共同输入神经网络模块的反馈端。所述 神经网络为包含若干个神经元模块的两层结构，所述两层结构为一个隐层和一个输出层， 所述每个神经元模块均包括激励函数模块和权值模块；误差变换模块是将系统误差通过变 换处于预先设定在期望的误差范围内；自适应控制模块输入信号为误差变换后的误差，对 转换的误差进行实时控制和调整，神经网络输出端输出控制信号对压电陶瓷执行器进行控 审IJ。所述平台控制器为51单片机，所述通讯电路包括MX232巧片和九针接口，所述51单 片机的通讯串口依次通过MX232巧片和九针接口与控制电脑电连接。所述平台电机驱动 器包括PWM波形产生电路和信号处理电路构成，所述PWM波形产生电路由7化S373巧片和 8253巧片组成的，所述平台控制器通过7化S373巧片与8253巧片的输入端连接，8253巧片 的输出端通过信号处理电路与所述平台电机电连接。所述信号处理电路包括L298N巧片、 74ALS04巧片、电阻R1、光禪U2、电阻R2、电阻R3、电阻R8、S极管Q1、与口U3和与口U4， 74ALS04巧片的输入端与平台控制器连接，74ALS04巧片的输出端通过电阻R1与光禪U2的 输入端连接，光禪U2的输出端通过电阻R2接地，光禪U2的输出端通过电阻R3与S极管Q1 的基极连接，=极管Q1的集电极通过电阻R8与电源连接，=极管Q1的发射极接地，=极管 Q1的集电极还与与口U3的第二输入端连接，S极管Q1的集电极还与与口U4的第一输入端 连接，与口U3的第一输入端和与口U4的第二输入端分别与平台控制器的输出端连接，与口 U3的输出端和与口U4的输出端分别与L298N巧片连接，L298N巧片的输出端与平台电机连 接。所述平台位移检测装置包括配设在平台上的光栅尺和光栅尺电路，所述光栅尺电路包 括发光二极管D2、光敏二极管D1、电阻R10、电阻R11、电阻R4、电阻R5、电阻R3、电阻R6、电 阻R14、电阻R17、运放TAA861、电容C1 、电容C2、电容C3和电容C4,电源通过电容C4接地， 发光二极管D2的阳极通过电阻R10与电源连接，发光二极管D2的阴极接地，光敏二极管D1 的阴极与电源连接，光敏二极管D1的阳极通过电阻R11接地，光敏二极管D1的阳极通过电 容C3与运放TAA861的正输入端连接，运放TAA861的正输入端还依次通过电阻R13和电阻 R4与电源连接，运放TAA861的正输入端还依次通过电阻R13和电阻R5与接地，运放TAA861 的负输入端依次通过电阻R6和电容C2接地，运放TAA861的负输入端依次通过电阻R14和 电阻R17与电源连接，运放TAA861的输出端通过电容C1与运放TAA861的反馈端连接，运 放TAA861的输出端输出用于与平台控制器连接的反馈信号。所述平台位移检测装置还包 括前级采样电路，所述前级采样电路的输入端与所述运放TAA861的输出端连接，所述前级 采样电路的输出端与平台控制器电连接。所述前级采样电路包括与口U6、与口U5、第一D 触发器、第二D触发器和74LS161巧片，所述第一D触发器的D端连接电源，所述第一D触 发器的CLK端与与口U5的输出端连接，所述第一D触发器的Q端与与口U6的第一输入端 连接，与口U6的第一输入端还与平台控制巧片的INTO端连接，与口U6的第二输入端与运 放TAA861的输出端连接，与口U6的输出端与74LS161的CLK端连接，与口呪的第二输入 端也与运放TAA861的输出端连接，与口呪的第一输入端与第二D触发器的Q端连接，第二 D触发器的D端与电源连接，第二D触发器的CLK端与平台控制巧片的一个标准输入输出端 连接，第二D触发器的R端和第一D触发器的R端均与74LS161巧片的MR端连接，7化S161 巧片的CET端和CEP端均与所述运放TAA861的输出端连接。
[0034] 本实施例中的迟滞控制模块用于模拟压电陶瓷执行器迟滞非线性特性，神经网络 建模模块为两层结构，包括一个隐层和一个输出层，包含多个神经元模块（包括激励函数 模块和权值模块）；误差变换模块的功能是将系统误差通过一定的变换，预先设定在期望 的误差范围内；自适应控制模块输入信号为误差变换后的误差，对转换的误差进行实时控 制和调整；压电陶瓷执行器动态系统模块为压电陶瓷执行器系统的动力学模型。具体步骤 如下；搭建压电陶瓷执行器的神经网络迟滞模型。自适应控制输出信号V和动态迟滞算子 输出信号f(v)连接到神经网络建模模块，动态迟滞算子表达式如下所示：
[0035]
[0036] Vp表示与当前输入相邻的先前输入极值；f(Vp)表示输入极值Vp为设定值时的输 出极值；a，0为可调参数。
[0037] 通过上述公式的迟滞算子，将迟滞的多映射特性转化为一一映射，给定改进的激 励函数模块巫（V，f(V))和权重模块矿二[W。W2,…wj，W保证神经网络迟滞模型输出有 界。神经网络迟滞模型输出为公式为：
[003引 W(V) =r(V，f (V))=順(V，f(v))+e =WT巫（V，f(v))+e
[0039] 本实施例提供了一种简单方便，成本低廉的压电陶瓷执行器控制台，实现简单， 控制精准，适合大学生各种实验。
[0040] W上所述的实施例只是本实用新型的一种较佳的方案，并非对本实用新型作任何 形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
【主权项】
1. 一种压电陶瓷执行器控制台，由电源供电，其特征在于：包括平台、平台传动器、平 台电机、平台电机驱动器、平台位移检测装置、平台控制器、通讯电路、控制电脑、D/A转换 器、驱动电路、压电陶瓷执行器、执行器位移检测装置和A/D转换器，所述平台控制器通过 通讯电路与控制电脑电连接，所述平台控制器通过平台电机驱动器与平台电机连接，所述 平台电机的输出轴通过平台传动器与平台机械连接，所述平台位移检测装置配设在所述平 台电机的输出轴上，平台位移检测装置的输出端与平台控制器电连接，所述控制电脑通过 D/A转换器与驱动电路的输入端连接，驱动电路的输出端与压电陶瓷执行器连接，对应压电 陶瓷执行器配设有执行器位移检测装置，执行器位移检测装置通过A/D转换器与控制电脑 电连接。2. 根据权利要求1所述的一种压电陶瓷执行器控制台，其特征在于：所述平台控制器 为51单片机，所述通讯电路包括MX232芯片和九针接口，所述51单片机的通讯串口依次通 过MX232芯片和九针接口与控制电脑电连接。3. 根据权利要求1所述的一种压电陶瓷执行器控制台，其特征在于：所述平台电机驱 动器包括PWM波形产生电路和信号处理电路构成，所述PWM波形产生电路由74LS373芯片 和8253芯片组成的，所述平台控制器通过74LS373芯片与8253芯片的输入端连接，8253芯 片的输出端通过信号处理电路与所述平台电机电连接。4. 根据权利要求3所述的一种压电陶瓷执行器控制台，其特征在于：所述信号处理电 路包括L298N芯片、74ALS04芯片、电阻R1、光耦U2、电阻R2、电阻R3、电阻R8、三极管Q1、与 门U3和与门U4, 74ALS04芯片的输入端与平台控制器连接，74ALS04芯片的输出端通过电阻 Rl与光耦U2的输入端连接，光耦U2的输出端通过电阻R2接地，光耦U2的输出端通过电 阻R3与三极管Ql的基极连接，三极管Ql的集电极通过电阻R8与电源连接，三极管Ql的 发射极接地，三极管Ql的集电极还与与门U3的第二输入端连接，三极管Ql的集电极还与 与门U4的第一输入端连接，与门U3的第一输入端和与门U4的第二输入端分别与平台控制 器的输出端连接，与门U3的输出端和与门U4的输出端分别与L298N芯片连接，L298N芯片 的输出端与平台电机连接。5. 根据权利要求4所述的一种压电陶瓷执行器控制台，其特征在于：所述平台位移检 测装置包括配设在平台上的光栅尺和光栅尺电路，所述光栅尺电路包括发光二极管D2、光 敏二极管D1、电阻R10、电阻R11、电阻R4、电阻R5、电阻R3、电阻R6、电阻R14、电阻R17、运放 TAA861、电容C1、电容C2、电容C3和电容C4,电源通过电容C4接地，发光二极管D2的阳极 通过电阻RlO与电源连接，发光二极管D2的阴极接地，光敏二极管Dl的阴极与电源连接， 光敏二极管Dl的阳极通过电阻Rll接地，光敏二极管Dl的阳极通过电容C3与运放TAA861 的正输入端连接，运放TAA861的正输入端还依次通过电阻R13和电阻R4与电源连接，运放 TAA861的正输入端还依次通过电阻R13和电阻R5与接地，运放TAA861的负输入端依次通 过电阻R6和电容C2接地，运放TAA861的负输入端依次通过电阻R14和电阻R17与电源连 接，运放TAA861的输出端通过电容Cl与运放TAA861的反馈端连接，运放TAA861的输出端 输出用于与平台控制器连接的反馈信号。6. 根据权利要求5所述的一种压电陶瓷执行器控制台，其特征在于：所述平台位移检 测装置还包括前级采样电路，所述前级采样电路的输入端与所述运放TAA861的输出端连 接，所述前级采样电路的输出端与平台控制器电连接。7.根据权利要求6所述的一种压电陶瓷执行器控制台，其特征在于：所述前级采样电 路包括与门U6、与门U5、第一 D触发器、第二D触发器和74LS161芯片，所述第一 D触发器的 D端连接电源，所述第一 D触发器的CLK端与与门U5的输出端连接，所述第一 D触发器的Q 端与与门U6的第一输入端连接，与门U6的第一输入端还与平台控制芯片的INTO端连接， 与门U6的第二输入端与运放TAA861的输出端连接，与门U6的输出端与74LS161的CLK端 连接，与门U5的第二输入端也与运放TAA861的输出端连接，与门U5的第一输入端与第二 D触发器的Q端连接，第二D触发器的D端与电源连接，第二D触发器的CLK端与平台控制 芯片的一个标准输入输出端连接，第二D触发器的R端和第一 D触发器的R端均与74LS161 芯片的MR端连接，74LS161芯片的CET端和CEP端均与所述运放TAA861的输出端连接。
【专利摘要】本实用涉及一种压电陶瓷执行器控制台。解决了现有技术供学生使用的精密实验平台不足，精密实验台价格太高的问题，技术方案为：包括平台、平台传动器、平台电机、平台电机驱动器、平台位移检测装置、平台控制器、通讯电路、控制电脑、D/A转换器、驱动电路、压电陶瓷执行器、执行器位移检测装置和A/D转换器，平台控制器通过通讯电路与控制电脑电连接，平台控制器通过平台电机驱动器与平台电机连接，平台电机的输出轴通过平台传动器与平台机械连接，平台位移检测装置配设在平台电机的输出轴上，平台位移检测装置的输出端与平台控制器电连接。本实用提供了一种简单方便，成本低廉的压电陶瓷执行器控制台,实现简单，控制精准，适合大学生各种实验。
【IPC分类】G05B19/18
【公开号】CN204695078
【申请号】CN201520221577
【发明人】刘春朝
【申请人】宁波职业技术学院
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年4月14日
【技术领域】
[0001] 本实用新型是一种实验用控制台，特别是设及一种采用了压电陶瓷执行器的实验 用控制台。
【背景技术】
[0002] 国外在超精密平台的设计研究起步的比较早。该促进了国外发达国家对精密平 台及其相关科学的研究美国国家关键技术委员会将纳米技术列为政府重点支持的22项关 键技术之一，美国国家基金会亦将纳米技术列为优先支持的关键技术之一，美国许多著名 大学都设有纳米技术研究机构，如北卡罗莱纳大学的精密工程中屯、，康乃尔大学的国家纳 米加工实验室，路易斯安那大学的微米制造中屯、等等。日本把纳米技术作为ERATO计划中 6项优先高技术探索项目之一，投资2亿美元发展纳米技术；筑波科学城的交叉学科研究中 屯、把纳米技术列入2个主要发展方向之一。英国国家纳米技术（NI0N)计划已开始实行，在 英国的化anfield大学成立了W纳米技术为研究目标的精密工程中屯、。欧洲的其它国家也 不示弱，把纳米技术列入了 "尤里卡计划"。
[0003] 在上世纪80年代中后期，国内学者相继提出了宏微双重驱动技术，纷纷发表学术 论文展开研究讨论，目前它是实现大行程、高精度定位的一种有效手段。例如清华大学教授 吴鹰飞、周兆英（清华大学精密仪器与机械学系）的《压电驱动柔性较链机构传动实现超精 密定位》一文中就详细介绍了压电元件和柔性较链的概念与特点，列举压电元件与柔性较 链机构结合实现超精密定位的典型例子，包括超精密测量、超精密加工、光学自动聚焦和大 行程超精密定位。为使超精密定位工作台的结构紧凑，还提出了单驱动多自由度运动机构， 应用蠕动式的运动原理可合成机构上的多自由度运动，并实现大行程运动。设计了对称结 构的柔性较链机构实现导向功能。
[0004] 哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所的叶树亮，谭久彬博±的《具有纳米 分辨力二维超精密定位系统的研制》一文针对传统超精密定位系统存在位移灵敏度、系统 频响及重复定位精度难W兼顾的问题，设计并研制了一种具有纳米分辨力的二维超精密定 位系统。系统集成平行四连杆结构双柔性二维工作台无间隙传动、双极性可伸缩压电陶瓷 微位移驱动和纳米精度电容位移监测等先进技术，在微处理器控制下可实现纳米量级的定 位。为改善传统PID控制方法存在的精度低、实时性差等缺陷，提出了一种结合定位过程中 各阶段系统不同响应特性的比例、积分和微分（PID)参数自适应控制算法。
[0005] 哈尔滨理工大学机械动力工程学院的孟兆新，胡乃文两位在《=维精密定位工作 台的控制系统的研究》一文中对S维精密工作台快速定位系统的控制原理及结构组成进行 了研究，并对系统进行理论和实验分析。为了实现高精度的快速定位，系统采用了独立伺 服控制技术W及变结构的PID自适应控制算法，达到了满意的定位精度。
[0006] 综上所述，从国内外的研究现状来看使用宏微结合的模式再配合陶瓷压电执行 器。采用两级传动机构的超精密平台是比较容易实现和切合实际的一种超精密平台设计方 法。该种方案在学校中为学生精密试验、实验都能提供足够的帮助。 【实用新型内容】
[0007] 本实用新型的目的是为解决目前的技术方案供学生使用的精密实验平台不足，精 密实验台价格太高的问题，提供一种简单方便，成本低廉的压电陶瓷执行器控制台。
[000引本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种压电陶瓷执行器控制台， 由电源供电，包括平台、平台传动器、平台电机、平台电机驱动器、平台位移检测装置、平台 控制器、通讯电路、控制电脑、D/A转换器、驱动电路、压电陶瓷执行器、执行器位移检测装置 和A/D转换器，所述平台控制器通过通讯电路与控制电脑电连接，所述平台控制器通过平 台电机驱动器与平台电机连接，所述平台电机的输出轴通过平台传动器与平台机械连接， 所述平台位移检测装置配设在所述平台电机的输出轴上，平台位移检测装置的输出端与平 台控制器电连接，所述控制电脑通过D/A转换器与驱动电路的输入端连接，驱动电路的输 出端与压电陶瓷执行器连接，对应压电陶瓷执行器配设有执行器位移检测装置，执行器位 移检测装置通过A/D转换器与控制电脑电连接。上位机采用PC机，下位机采用AT89巧1单 片机为核屯、设计，测量系统采用的是光栅尺电路，宏平台采用直流电机驱动滚珠丝杠带动 原理设计。
[0009] 硬件系统是实现精密定位的基础。本精密定位系统采用宏-微相结合的两级模式 来实现大行程、高精度、高速的定位，其硬件系统由宏平台进给系统、位移测量系统、微位移 定位系统W及控制系统组成。首先介绍了精密定位系统硬件的总体构成，然后分别对宏平 台伺服进给系统、光栅位移测量计数系统、微位移精密定位系统W及控制系统的硬件构成 进行了详细的分析。精密定位系统硬件总体结构X-Y精密定位平台采用了宏平台和微平台 相结合的模式，微位移平台固定安装在宏平台的上底板上，两平台的运动中屯、重合。宏平台 完成高速、大行程、微米级定位，微位移定位平台用W完成对宏平台定位误差的补偿。通过 两级机构的组合，共同实现了大行程高精度的定位动作。
[0010] 作为优选，所述控制电脑为配设有误差变换模块、自适应控制模块和迟滞控制模 块的控制电脑，所述误差变换模块的输入量为给定量和执行器位移检测装置的反馈值，所 述误差变换模块的输出至与自适应控制模块的输入值连接，所述自适应控制模块的输出至 迟滞控制模块，迟滞控制模块的输出值输出对压电陶瓷执行器进行控制。
[0011] 作为优选，所述迟滞控制模块包括迟滞模块、迟滞算子模块和神经网络模块，迟 滞模块、迟滞算子模块的输入端均与自适应控制模块的输出端连接，神经网络模块的输入 端与迟滞算子模块的输出端连接，神经网络模块的输入端还与自适应控制模块的输出端连 接，迟滞模块输出正反馈值与神经网络模块输出的负反馈值共同输入神经网络模块的反馈 玉山 乂而。
[0012] 作为优选，所述神经网络为包含若干个神经元模块的两层结构，所述两层结构为 一个隐层和一个输出层，所述每个神经元模块均包括激励函数模块和权值模块；误差变换 模块是将系统误差通过变换处于预先设定在期望的误差范围内；自适应控制模块输入信号 为误差变换后的误差，对转换的误差进行实时控制和调整，神经网络输出端输出控制信号 对压电陶瓷执行器进行控制。
[0013] 作为优选，所述平台控制器为51单片机，所述通讯电路包括MX232巧片和九针接 口，所述51单片机的通讯串口依次通过MX232巧片和九针接口与控制电脑电连接。
[0014] 作为优选，所述平台电机驱动器包括PWM波形产生电路和信号处理电路构成，所 述PWM波形产生电路由74LS373巧片和8253巧片组成的，所述平台控制器通过74LS373巧 片与8253巧片的输入端连接，8253巧片的输出端通过信号处理电路与所述平台电机电连 接。8253内部具有=个功能完全相同相互独立的计数器（0, 1，2)，每一个计数器都可工作 于6种方式中的任一种，整个8253只有一个控制寄存器，它的内容决定了计数器的操作 方式，8253内部具有=个功能完全相同相互独立的计数器（0, 1，2)，每一个计数器都可工 作于6种方式中的任一种，整个8253只有一个控制寄存器，它的内容决定了计数器的操 作方式。
[0015] 作为优选，所述信号处理电路包括L298N巧片、74ALS04巧片、电阻R1、光禪U2、电 阻R2、电阻R3、电阻R8、S极管Q1、与口U3和与口U4, 74ALS04巧片的输入端与平台控制器 连接，74ALS04巧片的输出端通过电阻R1与光禪U2的输入端连接，光禪U2的输出端通过 电阻R2接地，光禪U2的输出端通过电阻R3与=极管Q1的基极连接，=极管Q1的集电极 通过电阻R8与电源连接，=极管Q1的发射极接地，=极管Q1的集电极还与与口U3的第二 输入端连接，S极管Q1的集电极还与与口U4的第一输入端连接，与口U3的第一输入端和 与口U4的第二输入端分别与平台控制器的输出端连接，与口U3的输出端和与口U4的输出 端分别与L298N巧片连接，L298N巧片的输出端与平台电机连接。显然我们可W知道L298N 是一个内部有2个全桥转换电路的PWM驱动电路。脉宽调制（PWM)是利用微处理器的数字 输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制 与变换的许多领域中。
[0016] 所述平台位移检测装置包括配设在平台上的光栅尺和光栅尺电路，所述光栅尺电 路包括发光二极管D2、光敏二极管D1、电阻R10、电阻R11、电阻R4、电阻R5、电阻R3、电阻 R6、电阻R14、电阻R17、运放TAA861、电容C1、电容C2、电容C3和电容C4,电源通过电容C4 接地，发光二极管D2的阳极通过电阻R10与电源连接，发光二极管D2的阴极接地，光敏二 极管D1的阴极与电源连接，光敏二极管D1的阳极通过电阻R11接地，光敏二极管D1的阳极 通过电容C3与运放TAA861的正输入端连接，运放TAA861的正输入端还依次通过电阻R13 和电阻R4与电源连接，运放TAA861的正输入端还依次通过电阻R13和电阻 贴与接地，运 放TAA861的负输入端依次通过电阻R6和电容C2接地，运放TAA861的负输入端依次通过 电阻R14和电阻R17与电源连接，运放TAA861的输出端通过电容C1与运放TAA861的反馈 端连接，运放TAA861的输出端输出用于与平台控制器连接的反馈信号。计数电路原理，首 先记数电路的核屯、问题是确定一个计数器件，在该里有光栅尺、增量式光电编码器和绝对 式光电编码器几种元件可W选择，该些期间各自都有优劣点；1.绝对式光电编码器，使用 方便，没有累计误差，不需要每次都执行复位操作，是最为理想的选择，但是它的成本实过 于昂贵。2.增量式光电编码器，它可W实现正反转电路的测量，并且可W通过计算单圈的转 速来测量电机的速度，但是它也有自己的缺点，就是它实现的电路相对较为复杂，测量精度 容易受到累计误差的干扰。3.光栅尺它的电路原理相对简单，能实现正反转的测试，需要通 过软件计算电机速度，比较简单的电路实现和精确的数据反馈。综合W上总总，我选择了使 用光栅尺作为我的记数器件。
[0017] 光栅尺主要应用于直线移动导轨机构，可实现移动量的精确显示化0002mm)和 自动控制，广泛应用于金属切削机床加工量的数字显示和CNC加工中屯、位置环的控制。
[001引光栅尺通过摩尔条纹原理，通过光电转换，W数字方式表示线性位移量的高精度 位移传感器。
[0019] 线位移光栅传感器的数显系统主要应用于直线移动导轨机构，可实现移动量的精 确显示和自动控制，已广泛应用于机床加工和仪器的精密测量。
[0020] 光栅传感器分为敞开式和封闭式两类。其中敞开式为高精度型。输出波形为正弦 波，主要用于精密仪器的数字化改造。最高分辨率可达0. 1ym。封闭式传感器由光栅尺、光 栅读数头及壳体=部分整装部件。最先进可靠的光学测量系统，采用可靠耐用的高精度五 轴承系统设计，保证光学机械系统的稳定性，优异的重复定位性和高等级测量精度。传感器 采用密封式结构，性能可靠，安装方便。采用特殊的耐油、耐蚀、高弹性及抗老化塑胶防水， 防尘优异，使用寿命长。具体高水平的抗干扰能力，稳定可靠。光源采用红外发光二极管， 体积小寿命长。采用先进的光栅制作技术，能制作各规格的高精度光栅玻璃尺（最长可做 到 3000mm)。
[0021] 作为优选，所述平台位移检测装置还包括前级采样电路，所述前级采样电路的输 入端与所述运放TAA861的输出端连接，所述前级采样电路的输出端与平台控制器电连接。
[0022] 作为优选，所述前级采样电路包括与口U6、与口呪、第一D触发器、第二D触发器 和74LS161巧片，所述第一D触发器的D端连接电源，所述第一D触发器的CLK端与与口呪 的输出端连接，所述第一D触发器的Q端与与口U6的第一输入端连接，与口U6的第一输入 端还与平台控制巧片的INTO端连接，与口U6的第二输入端与运放TAA861的输出端连接， 与口U6的输出端与74LS161的CLK端连接，与口呪的第二输入端也与运放TAA861的输出 端连接，与口U5的第一输入端与第二D触发器的Q端连接，第二D触发器的D端与电源连 接，第二D触发器的CLK端与平台控制巧片的一个标准输入输出端连接，第二D触发器的R 端和第一D触发器的R端均与74LS161巧片的MR端连接，7化S161巧片的CET端和CEP端 均与所述运放TAA861的输出端连接。虽然输出的光栅信号属于是数字信号但是要被单片 机采集的话还是需要其他了解单片机对信号采集的方法然后再制作合适的分频电路来进 行高频率的数据采集。单片机工片内定时/计数器在计数方式工作时，采用外输入脉冲作 为计数脉冲，当输入脉冲从高到低跳变时，计数器加1。最高计数频率为晶振的1/24。故当 时钟为12MHZ时，最高计数频率为500KHZ。该样的计数频率并不能让我们满意，因为在高速 的情况下，过低的计数频率会引起误差。该个就是计数电路中的一个比较棘手的问题。解 决的办法是通过扩展集成计数器，作为前级计数器，而把片内的计数器作为后续计数器。如 果把集成计数器仅仅作为分频器来使用的话虽然测量范围扩大了，但是相应的测量的精度 会降低。为了不降低测量精度，要把扩展的集成计数器作为低位计数器通过并行接口相连 读入，参加数据运算处理。扩展的位数可W根据需要确定。如果扩展一片74LS161四位计 数器巧片，就可把原来的测量上限扩展16倍。如果需要把频率上限进一步提高，就要扩展 高位计数器，并且要选用工作速度更高的集成计数器如；74LS161、74F161等。
[0023] 本实用新型的实质性效果是：本实用新型提供了一种简单方便，成本低廉的压电 陶瓷执行器控制台，实现简单，控制精准，适合大学生各种实验。
【附图说明】
[0024] 图1为本实用新型中的整体架构图；
[0025] 图2为本实用新型中宏平台的一部分电路图；
[0026] 图3为本实用新型中宏平台的一部分电路图；
[0027] 图4为本实用新型中宏平台的一部分电路图；
[002引图5为本实用新型中宏平台的一部分电路图；
[0029] 图6为本实用新型中宏平台的一部分电路图。
[0030] 1、控制电脑，2、通讯电路，3、平台控制器，4、平台电机驱动器，5、平台电机，6、平 台，7、平台传动器，8、平台位移检测装置，9、D/A转换器，10、驱动电路，11、压电陶瓷执行器， 12、执行器位移检测装置，13、A/D转换器。
【具体实施方式】
[0031] 下面通过具体实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的具体说 明。
[00对实施例：
[0033]一种压电陶瓷执行器控制台（参见附图1、附图2、附图3、附图4、附图5和附图6)， 由电源供电，包括平台、平台传动器、平台电机、平台电机驱动器、平台位移检测装置、平台 控制器、通讯电路、控制电脑、D/A转换器、驱动电路、压电陶瓷执行器、执行器位移检测装置 和A/D转换器，所述平台控制器通过通讯电路与控制电脑电连接，所述平台控制器通过平 台电机驱动器与平台电机连接，所述平台电机的输出轴通过平台传动器与平台机械连接， 所述平台位移检测装置配设在所述平台电机的输出轴上，平台位移检测装置的输出端与平 台控制器电连接，所述控制电脑通过D/A转换器与驱动电路的输入端连接，驱动电路的输 出端与压电陶瓷执行器连接，对应压电陶瓷执行器配设有执行器位移检测装置，执行器位 移检测装置通过A/D转换器与控制电脑电连接。所述控制电脑为配设有误差变换模块、自 适应控制模块和迟滞控制模块的控制电脑，所述误差变换模块的输入量为给定量和执行器 位移检测装置的反馈值，所述误差变换模块的输出至与自适应控制模块的输入值连接，所 述自适应控制模块的输出至迟滞控制模块，迟滞控制模块的输出值输出对压电陶瓷执行器 进行控制。所述迟滞控制模块包括迟滞模块、迟滞算子模块和神经网络模块，迟滞模块、迟 滞算子模块的输入端均与自适应控制模块的输出端连接，神经网络模块的输入端与迟滞算 子模块的输出端连接，神经网络模块的输入端还与自适应控制模块的输出端连接，迟滞模 块输出正反馈值与神经网络模块输出的负反馈值共同输入神经网络模块的反馈端。所述 神经网络为包含若干个神经元模块的两层结构，所述两层结构为一个隐层和一个输出层， 所述每个神经元模块均包括激励函数模块和权值模块；误差变换模块是将系统误差通过变 换处于预先设定在期望的误差范围内；自适应控制模块输入信号为误差变换后的误差，对 转换的误差进行实时控制和调整，神经网络输出端输出控制信号对压电陶瓷执行器进行控 审IJ。所述平台控制器为51单片机，所述通讯电路包括MX232巧片和九针接口，所述51单 片机的通讯串口依次通过MX232巧片和九针接口与控制电脑电连接。所述平台电机驱动 器包括PWM波形产生电路和信号处理电路构成，所述PWM波形产生电路由7化S373巧片和 8253巧片组成的，所述平台控制器通过7化S373巧片与8253巧片的输入端连接，8253巧片 的输出端通过信号处理电路与所述平台电机电连接。所述信号处理电路包括L298N巧片、 74ALS04巧片、电阻R1、光禪U2、电阻R2、电阻R3、电阻R8、S极管Q1、与口U3和与口U4， 74ALS04巧片的输入端与平台控制器连接，74ALS04巧片的输出端通过电阻R1与光禪U2的 输入端连接，光禪U2的输出端通过电阻R2接地，光禪U2的输出端通过电阻R3与S极管Q1 的基极连接，=极管Q1的集电极通过电阻R8与电源连接，=极管Q1的发射极接地，=极管 Q1的集电极还与与口U3的第二输入端连接，S极管Q1的集电极还与与口U4的第一输入端 连接，与口U3的第一输入端和与口U4的第二输入端分别与平台控制器的输出端连接，与口 U3的输出端和与口U4的输出端分别与L298N巧片连接，L298N巧片的输出端与平台电机连 接。所述平台位移检测装置包括配设在平台上的光栅尺和光栅尺电路，所述光栅尺电路包 括发光二极管D2、光敏二极管D1、电阻R10、电阻R11、电阻R4、电阻R5、电阻R3、电阻R6、电 阻R14、电阻R17、运放TAA861、电容C1 、电容C2、电容C3和电容C4,电源通过电容C4接地， 发光二极管D2的阳极通过电阻R10与电源连接，发光二极管D2的阴极接地，光敏二极管D1 的阴极与电源连接，光敏二极管D1的阳极通过电阻R11接地，光敏二极管D1的阳极通过电 容C3与运放TAA861的正输入端连接，运放TAA861的正输入端还依次通过电阻R13和电阻 R4与电源连接，运放TAA861的正输入端还依次通过电阻R13和电阻R5与接地，运放TAA861 的负输入端依次通过电阻R6和电容C2接地，运放TAA861的负输入端依次通过电阻R14和 电阻R17与电源连接，运放TAA861的输出端通过电容C1与运放TAA861的反馈端连接，运 放TAA861的输出端输出用于与平台控制器连接的反馈信号。所述平台位移检测装置还包 括前级采样电路，所述前级采样电路的输入端与所述运放TAA861的输出端连接，所述前级 采样电路的输出端与平台控制器电连接。所述前级采样电路包括与口U6、与口U5、第一D 触发器、第二D触发器和74LS161巧片，所述第一D触发器的D端连接电源，所述第一D触 发器的CLK端与与口U5的输出端连接，所述第一D触发器的Q端与与口U6的第一输入端 连接，与口U6的第一输入端还与平台控制巧片的INTO端连接，与口U6的第二输入端与运 放TAA861的输出端连接，与口U6的输出端与74LS161的CLK端连接，与口呪的第二输入 端也与运放TAA861的输出端连接，与口呪的第一输入端与第二D触发器的Q端连接，第二 D触发器的D端与电源连接，第二D触发器的CLK端与平台控制巧片的一个标准输入输出端 连接，第二D触发器的R端和第一D触发器的R端均与74LS161巧片的MR端连接，7化S161 巧片的CET端和CEP端均与所述运放TAA861的输出端连接。
[0034] 本实施例中的迟滞控制模块用于模拟压电陶瓷执行器迟滞非线性特性，神经网络 建模模块为两层结构，包括一个隐层和一个输出层，包含多个神经元模块（包括激励函数 模块和权值模块）；误差变换模块的功能是将系统误差通过一定的变换，预先设定在期望 的误差范围内；自适应控制模块输入信号为误差变换后的误差，对转换的误差进行实时控 制和调整；压电陶瓷执行器动态系统模块为压电陶瓷执行器系统的动力学模型。具体步骤 如下；搭建压电陶瓷执行器的神经网络迟滞模型。自适应控制输出信号V和动态迟滞算子 输出信号f(v)连接到神经网络建模模块，动态迟滞算子表达式如下所示：
[0035]
[0036] Vp表示与当前输入相邻的先前输入极值；f(Vp)表示输入极值Vp为设定值时的输 出极值；a，0为可调参数。
[0037] 通过上述公式的迟滞算子，将迟滞的多映射特性转化为一一映射，给定改进的激 励函数模块巫（V，f(V))和权重模块矿二[W。W2,…wj，W保证神经网络迟滞模型输出有 界。神经网络迟滞模型输出为公式为：
[003引 W(V) =r(V，f (V))=順(V，f(v))+e =WT巫（V，f(v))+e
[0039] 本实施例提供了一种简单方便，成本低廉的压电陶瓷执行器控制台，实现简单， 控制精准，适合大学生各种实验。
[0040] W上所述的实施例只是本实用新型的一种较佳的方案，并非对本实用新型作任何 形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
【主权项】
1. 一种压电陶瓷执行器控制台，由电源供电，其特征在于：包括平台、平台传动器、平 台电机、平台电机驱动器、平台位移检测装置、平台控制器、通讯电路、控制电脑、D/A转换 器、驱动电路、压电陶瓷执行器、执行器位移检测装置和A/D转换器，所述平台控制器通过 通讯电路与控制电脑电连接，所述平台控制器通过平台电机驱动器与平台电机连接，所述 平台电机的输出轴通过平台传动器与平台机械连接，所述平台位移检测装置配设在所述平 台电机的输出轴上，平台位移检测装置的输出端与平台控制器电连接，所述控制电脑通过 D/A转换器与驱动电路的输入端连接，驱动电路的输出端与压电陶瓷执行器连接，对应压电 陶瓷执行器配设有执行器位移检测装置，执行器位移检测装置通过A/D转换器与控制电脑 电连接。2. 根据权利要求1所述的一种压电陶瓷执行器控制台，其特征在于：所述平台控制器 为51单片机，所述通讯电路包括MX232芯片和九针接口，所述51单片机的通讯串口依次通 过MX232芯片和九针接口与控制电脑电连接。3. 根据权利要求1所述的一种压电陶瓷执行器控制台，其特征在于：所述平台电机驱 动器包括PWM波形产生电路和信号处理电路构成，所述PWM波形产生电路由74LS373芯片 和8253芯片组成的，所述平台控制器通过74LS373芯片与8253芯片的输入端连接，8253芯 片的输出端通过信号处理电路与所述平台电机电连接。4. 根据权利要求3所述的一种压电陶瓷执行器控制台，其特征在于：所述信号处理电 路包括L298N芯片、74ALS04芯片、电阻R1、光耦U2、电阻R2、电阻R3、电阻R8、三极管Q1、与 门U3和与门U4, 74ALS04芯片的输入端与平台控制器连接，74ALS04芯片的输出端通过电阻 Rl与光耦U2的输入端连接，光耦U2的输出端通过电阻R2接地，光耦U2的输出端通过电 阻R3与三极管Ql的基极连接，三极管Ql的集电极通过电阻R8与电源连接，三极管Ql的 发射极接地，三极管Ql的集电极还与与门U3的第二输入端连接，三极管Ql的集电极还与 与门U4的第一输入端连接，与门U3的第一输入端和与门U4的第二输入端分别与平台控制 器的输出端连接，与门U3的输出端和与门U4的输出端分别与L298N芯片连接，L298N芯片 的输出端与平台电机连接。5. 根据权利要求4所述的一种压电陶瓷执行器控制台，其特征在于：所述平台位移检 测装置包括配设在平台上的光栅尺和光栅尺电路，所述光栅尺电路包括发光二极管D2、光 敏二极管D1、电阻R10、电阻R11、电阻R4、电阻R5、电阻R3、电阻R6、电阻R14、电阻R17、运放 TAA861、电容C1、电容C2、电容C3和电容C4,电源通过电容C4接地，发光二极管D2的阳极 通过电阻RlO与电源连接，发光二极管D2的阴极接地，光敏二极管Dl的阴极与电源连接， 光敏二极管Dl的阳极通过电阻Rll接地，光敏二极管Dl的阳极通过电容C3与运放TAA861 的正输入端连接，运放TAA861的正输入端还依次通过电阻R13和电阻R4与电源连接，运放 TAA861的正输入端还依次通过电阻R13和电阻R5与接地，运放TAA861的负输入端依次通 过电阻R6和电容C2接地，运放TAA861的负输入端依次通过电阻R14和电阻R17与电源连 接，运放TAA861的输出端通过电容Cl与运放TAA861的反馈端连接，运放TAA861的输出端 输出用于与平台控制器连接的反馈信号。6. 根据权利要求5所述的一种压电陶瓷执行器控制台，其特征在于：所述平台位移检 测装置还包括前级采样电路，所述前级采样电路的输入端与所述运放TAA861的输出端连 接，所述前级采样电路的输出端与平台控制器电连接。7.根据权利要求6所述的一种压电陶瓷执行器控制台，其特征在于：所述前级采样电 路包括与门U6、与门U5、第一 D触发器、第二D触发器和74LS161芯片，所述第一 D触发器的 D端连接电源，所述第一 D触发器的CLK端与与门U5的输出端连接，所述第一 D触发器的Q 端与与门U6的第一输入端连接，与门U6的第一输入端还与平台控制芯片的INTO端连接， 与门U6的第二输入端与运放TAA861的输出端连接，与门U6的输出端与74LS161的CLK端 连接，与门U5的第二输入端也与运放TAA861的输出端连接，与门U5的第一输入端与第二 D触发器的Q端连接，第二D触发器的D端与电源连接，第二D触发器的CLK端与平台控制 芯片的一个标准输入输出端连接，第二D触发器的R端和第一 D触发器的R端均与74LS161 芯片的MR端连接，74LS161芯片的CET端和CEP端均与所述运放TAA861的输出端连接。
【专利摘要】本实用涉及一种压电陶瓷执行器控制台。解决了现有技术供学生使用的精密实验平台不足，精密实验台价格太高的问题，技术方案为：包括平台、平台传动器、平台电机、平台电机驱动器、平台位移检测装置、平台控制器、通讯电路、控制电脑、D/A转换器、驱动电路、压电陶瓷执行器、执行器位移检测装置和A/D转换器，平台控制器通过通讯电路与控制电脑电连接，平台控制器通过平台电机驱动器与平台电机连接，平台电机的输出轴通过平台传动器与平台机械连接，平台位移检测装置配设在平台电机的输出轴上，平台位移检测装置的输出端与平台控制器电连接。本实用提供了一种简单方便，成本低廉的压电陶瓷执行器控制台,实现简单，控制精准，适合大学生各种实验。
【IPC分类】G05B19/18
【公开号】CN204695078
【申请号】CN201520221577
【发明人】刘春朝
【申请人】宁波职业技术学院
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年4月14日
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