FPGA-based hybrid control method for high-precision positioning of bipedal stick–slip stepping piezoelectric actuators

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作者
Yifan Zhou,Lu Liu,Yue Zhang,R. Zhu,Yuhang Wu,Jiahao Duan,Ming Kong
出处
期刊:Measurement Science and Technology [IOP Publishing]
卷期号:36 (11): 116212-116212 被引量:1
标识
DOI:10.1088/1361-6501/ae1a01
摘要

Abstract To mitigate the oscillations and backward motion exhibited by stick–slip piezoelectric actuators (PZTs) during operation and enhance their movement speed, this study proposes an field-programmable gate array (FPGA) based hybrid control method for high-precision positioning of bipedal stick–slip stepping PZTs. A composite control strategy is implemented to address hysteresis nonlinearity and achieve sub-micron positioning accuracy. First, a dynamic model integrating piezoelectric nonlinearity, compliant hinge dynamics, and friction effects is established to characterize the actuator’s motion. Second, the Classical-Prandtl–Ishlinskii model is adopted to describe hysteresis behavior, followed by constructing an inverse model to generate feedforward-compensated waveforms, which are output through a DAC controlled by the FPGA. Finally, to achieve dynamic error correction, the FPGA acquires real-time displacement feedback from the sensor via an ADC and dynamically outputs PID control parameters to adjust the driving waveform. Experimental results demonstrate that the compensated waveform improves single-step velocity by 26.9% compared to conventional sawtooth wave excitation. With closed-loop control, the system achieves a steady-state accuracy below 0.1 μm and a millisecond-level response time. This work presents an embedded control solution with high robustness and real-time performance, offering significant potential for applications in micro-electromechanical systems and ultra-precision positioning.
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