Design, modeling, and experimental validation of a fully decoupled piezoelectrically actuated compliant nano-positioning stage

控制理论(社会学) 有限元法 执行机构 刚度 情态动词 波形 固有频率 铰链 模态分析 跟踪(教育) 模态试验 结构工程 工程类 计算机科学 滚珠丝杠 观察员(物理) 振动 跟踪误差 声学 振动控制 磁滞 控制系统 PID控制器 顺应机制 频率响应 特征向量 阶跃响应
作者
Wen Wang,Dengjun Wang,Dongpo Zhao,Xiaonan Pu,Keqing Lu
出处
期刊:Smart Materials and Structures [IOP Publishing]
卷期号:34 (12): 125021-125021
标识
DOI:10.1088/1361-665x/ae2706
摘要

Abstract This paper presents the design, modeling, and experimental validation of a fully decoupled piezoelectrically actuated compliant nano-positioning stage (CNS). To accurately capture the stiffness and dynamic behavior characteristics of the stage, an adaptive triangular finite element modeling strategy is introduced, which integrates both rigid bodies and flexure hinges into a globally partitioned mesh framework with regionally optimized mesh densities. In the static model, the direct relationship between applied forces and resulting displacements is established via the stiffness characteristics of the stage. In the dynamic model, natural frequencies are derived by solving the eigenvalue problem formed from the stiffness and equivalent modal mass matrices. Thus, the proposed modeling approach can accurately predict both the working stroke and natural frequencies of the piezoelectrically actuated CNS. The analytical model is further verified by comparing its results with those obtained from finite element analysis (FEA). The final stiffness estimation obtained using this method exhibits only a 7% deviation compared to conventional FEA results, demonstrating its validity and reliability. The experimental evaluation reveals that the proposed modeling technique offers a substantial improvement in prediction accuracy relative to prior methods. Moreover, to further reduce motion errors caused by actuator hysteresis and external interferences, a composite control architecture combining PID regulation and a disturbance observer is developed. The system achieves a tracking error of 2.75% for a 100 Hz sinusoidal waveform motion with 4 μ m amplitude.
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