基于压电陶瓷的气体挤压膜轴承控制器设计

马磊，马希直

(南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016)

0 引言

现代高科技研究领域要求高精度的定位和支承，很多应用领域的精度要求高达微米甚至纳米级。气体挤压膜轴承是一种新型的气体轴承，是解决高精度支承的途径之一。压电陶瓷驱动器具有分辨率高、响应频率快、体积小等优点，在航空航天、微机电系统、精密加工以及生物工程等领域得到广泛的应用[1-2]。

从1964年Salbu[3]成功验证了挤压膜的悬浮性能后，国内外对挤压膜的性能进行了比较深入的研究并取得一定的成果。一方面，英国的Stolarski等[4-5]以及日本的Yoshimoto等[6]致力于挤压膜轴承的结构研究，设计了多种挤压膜轴承结构。国内的常颖等[7]、魏彬等[8]用超声理论对挤压膜悬浮性能进行初步研究。另一方面，是对挤压膜轴承控制器的研究，日本学者Takaaki Oiwa[9]设计一种闭环的位置反馈控制器，运用PI控制算法提高位置精度。挤压膜轴承能否稳定的运行，取决于控制器性能的好坏，因此对于气体挤压膜轴承控制器设计非常重要。

本文通过对气体挤压膜轴承的理论分析，获取影响挤压膜轴承性能的激振参数，并设计了一套驱动控制系统。

1 理论分析

如图1所示，挤压膜轴承的上下部分别装有压电陶瓷片。当陶瓷片在高频信号激励下，不断挤压矩形导轨表面，在轴承和导轨之间形成一定压力的挤压气膜。该气膜可以稳定地使滑块在导轨表面无摩擦的滑动。

图1 挤压膜轴承模型图

由于气膜很薄，因此忽略……