【摘要】：直線式壓電驅(qū)動(dòng)器相較于傳統(tǒng)電磁電機(jī)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)緊湊、無需減速器即可直接產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)和輸出推力,具備體積小、響應(yīng)快、推重比大、不受外界磁場(chǎng)干擾等特點(diǎn),使其環(huán)境兼容性更強(qiáng)。目前關(guān)于壓電驅(qū)動(dòng)器的研究,主要集中于新的電機(jī)構(gòu)型、驅(qū)動(dòng)控制策略、實(shí)際應(yīng)用技術(shù)等方面。由于壓電驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行離不開合適的驅(qū)動(dòng)電路,而驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理與壓電驅(qū)動(dòng)器的輸出特性和更大范圍的應(yīng)用推廣息息相關(guān),所以對(duì)其的運(yùn)動(dòng)控制策略研究顯得尤為重要。本課題是通過對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器數(shù)學(xué)模型的研究,并設(shè)計(jì)通用驅(qū)動(dòng)控制電路和尋找控制策略,實(shí)現(xiàn)利用直線壓電驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行速度跟隨與位置跟蹤,以達(dá)到快速精確定位平臺(tái)的目標(biāo)。本文設(shè)計(jì)制作了T型直線壓電驅(qū)動(dòng)器及其運(yùn)動(dòng)平臺(tái),基于此壓電驅(qū)動(dòng)器和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的搭建與研究。首先被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型是控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)與性能評(píng)估的重要基礎(chǔ),所以本課題對(duì)T型直線壓電驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立,將其分為定子自由振動(dòng)模型和定、動(dòng)子接觸摩擦模型,并利用Simulink建立壓電驅(qū)動(dòng)器定子自由振動(dòng)的仿真模型,再考慮動(dòng)子與定子的摩擦,根據(jù)Greenwood-Williamson理論建立其接觸摩擦模型,加入本文對(duì)電機(jī)與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)際測(cè)量參數(shù),建立并完善壓電驅(qū)動(dòng)器的工作模型,另一方面建立等效電路模型,利用阻抗分析儀測(cè)量等效電路的電學(xué)參數(shù),并將以上兩個(gè)模型進(jìn)行對(duì)比分析,為后續(xù)第4章的控制理論部分提供數(shù)學(xué)參考模型,最后通過粗糙度實(shí)驗(yàn)和預(yù)壓力實(shí)驗(yàn)對(duì)本部分建立的摩擦模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。其次是對(duì)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的主控單元和功放單元進(jìn)行設(shè)計(jì)制作,主控單元即主控制板,主要包括DSP和FPGA最小系統(tǒng)、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路以及反饋模塊等。將基于DSP的控制器和基于FPGA的DDS信號(hào)發(fā)生器集成在一塊主控制板上,通過外接5V電源供電。功放單元即主驅(qū)動(dòng)板,主要實(shí)現(xiàn)功放升壓功能,由放大器和變壓器等組成。將功放升壓電路獨(dú)立成另外一塊主驅(qū)動(dòng)板,通過外接12V電源供電。軟件部分用Verilog HDL語言編寫FPGA的驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生部分,用C語言編寫DSP中的驅(qū)動(dòng)控制算法,以及PC機(jī)與DSP間的串口通信。最后對(duì)硬件與軟件部分進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試,實(shí)驗(yàn)測(cè)定不同激勵(lì)電壓信號(hào)波形,理論輸出電壓幅值可達(dá)峰峰值0-600V、頻率0-80k Hz、相位0-360°,最小分辨率分別可以達(dá)到1.17V、2.24Hz、0.022°,對(duì)本文所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,證明輸出電壓波形良好且符合系統(tǒng)要求。通過第2章對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器數(shù)學(xué)模型的分析,應(yīng)用第3章搭建的通用驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),本文首先用固定增益PID控制方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試與驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了對(duì)階躍和正弦信號(hào)的速度跟隨控制,在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)存在控制的死區(qū)問題,通過采用死區(qū)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行控制方法的第一次改進(jìn),實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知補(bǔ)償方法可以很好的解決死區(qū)問題,再基于模糊控制理論實(shí)現(xiàn)變?cè)鲆鍼ID,即控制算法的第二次改進(jìn),測(cè)得最后速度誤差在±2μm/ms內(nèi),速度誤差與目標(biāo)速度比為4%。最后再對(duì)給定不同的位置曲線進(jìn)行跟蹤,實(shí)現(xiàn)了壓電驅(qū)動(dòng)器及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的雙閉環(huán)控制,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其控制效果,此系統(tǒng)達(dá)到調(diào)整時(shí)間155ms、位置誤差5μm以內(nèi)的直線定位平臺(tái)目標(biāo)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TP273;TN384

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2290446