本文關(guān)鍵詞：壓電陶瓷微定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真

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【摘要】：傳統(tǒng)的微定位平臺(tái)機(jī)構(gòu)比如滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾珠絲杠、滾動(dòng)導(dǎo)軌等等具有機(jī)構(gòu)復(fù)雜、慣性大、響應(yīng)速度慢以及穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)而不能滿足微定位平臺(tái)小體積、大行程等要求。壓電陶瓷具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、輸出力大、分辨率高等特點(diǎn),柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)具有無機(jī)械摩擦、結(jié)構(gòu)緊密、靈敏度高等優(yōu)良特性。因此,以壓電陶瓷作位移驅(qū)動(dòng)、柔性鉸鏈作放大機(jī)構(gòu)及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的微定位平臺(tái)以結(jié)構(gòu)簡單、大行程、高分辨等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際。但是由于壓電陶瓷促動(dòng)器在電路上屬于容性負(fù)載而存在充放電過程,該特性嚴(yán)重影響了微定位系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。同時(shí),壓電陶瓷本身的遲滯、蠕變等特性使得微定位系統(tǒng)的定位精度下降,存在穩(wěn)態(tài)誤差。本文根據(jù)壓電陶瓷的特性設(shè)計(jì)了壓電陶瓷微定位系統(tǒng),包括驅(qū)動(dòng)電源、柔性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)以及微定位系統(tǒng)的控制算法。在驅(qū)動(dòng)電源方面,對不同類型的驅(qū)動(dòng)電源作對比分析,提出由精密運(yùn)放OP07和高壓運(yùn)放PA92級聯(lián)的直流放大式驅(qū)動(dòng)電源方案,采用零點(diǎn)相位超前補(bǔ)償法保證驅(qū)動(dòng)電源的穩(wěn)定性。最后,通過Multisim對驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行仿真,對仿真結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證了該驅(qū)動(dòng)電源方案是可行的。在柔性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)方面,對直圓型柔性鉸鏈進(jìn)行剛度分析,采用直圓型柔性鉸鏈設(shè)計(jì)二級杠桿式放大機(jī)構(gòu),對放大機(jī)構(gòu)作靜力學(xué)分析,得到放大機(jī)構(gòu)的放大倍率;建立放大機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型,得到其固有頻率計(jì)算公式。最后,用ANSYS對柔性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)作靜力學(xué)仿真分析,驗(yàn)證了放大倍率的理論計(jì)算是正確的。建立微定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型包括驅(qū)動(dòng)電源、壓電陶瓷遲滯、柔性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)等的傳遞函數(shù),壓電陶瓷的遲滯模型利用壓電陶瓷的位移—電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),通過最小二乘法多項(xiàng)式擬合得到。通過LabVIEW編寫微定位系統(tǒng)的模糊控制算法,利用Simulation控制與仿真模塊搭建微定位系統(tǒng)的帶前饋環(huán)節(jié)的模糊閉環(huán)控制仿真平臺(tái)并進(jìn)行仿真。其中,前饋環(huán)節(jié)采用壓電陶瓷的位移—電壓線性逆模型。仿真結(jié)果表明,在帶前饋環(huán)節(jié)的模糊閉環(huán)控制的作用下,微定位系統(tǒng)的非線性與動(dòng)態(tài)特性得到改善,減小了穩(wěn)態(tài)定位誤差,提高了定位精度。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了控制算法的有效性,在微定位系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中可以以此為作為參考。
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN384

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