Модуль точних мікропереміщень двокоординатного столика мікроскопа на базі біморфних п’єзоактюаторів та алгоритм його керування

Abstract

У статті представлено дослідження та розробку двокоординатного мікропозиціонуючого модуля предметного столика на основі біморфних п’єзоелектричних актюаторів із використанням високоточних ємнісних датчиків переміщень. Запропонована конструкція поєднує модуль грубих переміщень на базі крокових двигунів та модуль точних переміщень, що забезпечує комплексний діапазон переміщення від десятків міліметрів до субмікрометрових значень при збереженні високої жорсткості та компактності системи. Описано структурну схему столика, принцип роботи біморфних п’єзоактюаторів та особливості силового замикання за допомогою пружного кільця з берилієвої бронзи. Представлено кінематичну модель переміщень по осях X та Y, а також механізм компенсації кутових відхилень, які виникають при асиметричному силовому впливі на актюатори. Значну увагу приділено побудові системи зворотного зв’язку на основі трьох ємнісних датчиків AD7746, що забезпечують вимірювання положення столика з нанометровою точністю. Проаналізовано принцип дії триелектродної датчикової системи та визначено робочий діапазон зміни міжелектродного зазору. Розроблено алгоритми формування керуючих сигналів для досягнення плоскопаралельного руху столика, корекції кутового нахилу та усунення нелінійностей п’єзоелектричних приводів. Створена система керування на основі контролера dSPACE DS1104 і високовольтних підсилювачів TREK забезпечує високу швидкодію, точність регулювання та стабільність роботи в замкненому контурі. Результати моделювання та експериментальних випробувань підтвердили можливість реалізації точного позиціонування в діапазоні до ±0,5 мм із субмікрометровою роздільною здатністю та мінімальними паразитними відхиленнями. Запропонований модуль може бути ефективно застосований у високоточних мехатронних комплексах, оптичних системах, мікробіологічних дослідженнях, медичних діагностичних установках та мікромеханічних технологіях.