本文關鍵詞：壓電陶瓷微定位系統的設計及仿真

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【摘要】：傳統的微定位平臺機構比如滑動導軌、滾珠絲杠、滾動導軌等等具有機構復雜、慣性大、響應速度慢以及穩(wěn)定性差等缺點而不能滿足微定位平臺小體積、大行程等要求。壓電陶瓷具有結構簡單、體積小、輸出力大、分辨率高等特點,柔性鉸鏈結構具有無機械摩擦、結構緊密、靈敏度高等優(yōu)良特性。因此,以壓電陶瓷作位移驅動、柔性鉸鏈作放大機構及導向機構的微定位平臺以結構簡單、大行程、高分辨等優(yōu)點而被廣泛應用于工程實際。但是由于壓電陶瓷促動器在電路上屬于容性負載而存在充放電過程,該特性嚴重影響了微定位系統的動態(tài)響應。同時,壓電陶瓷本身的遲滯、蠕變等特性使得微定位系統的定位精度下降,存在穩(wěn)態(tài)誤差。本文根據壓電陶瓷的特性設計了壓電陶瓷微定位系統,包括驅動電源、柔性鉸鏈放大機構以及微定位系統的控制算法。在驅動電源方面,對不同類型的驅動電源作對比分析,提出由精密運放OP07和高壓運放PA92級聯的直流放大式驅動電源方案,采用零點相位超前補償法保證驅動電源的穩(wěn)定性。最后,通過Multisim對驅動電源進行仿真,對仿真結果進行分析驗證了該驅動電源方案是可行的。在柔性鉸鏈放大機構方面,對直圓型柔性鉸鏈進行剛度分析,采用直圓型柔性鉸鏈設計二級杠桿式放大機構,對放大機構作靜力學分析,得到放大機構的放大倍率;建立放大機構的動力學模型,得到其固有頻率計算公式。最后,用ANSYS對柔性鉸鏈放大機構作靜力學仿真分析,驗證了放大倍率的理論計算是正確的。建立微定位系統的數學模型包括驅動電源、壓電陶瓷遲滯、柔性鉸鏈放大機構等的傳遞函數,壓電陶瓷的遲滯模型利用壓電陶瓷的位移—電壓實驗數據,通過最小二乘法多項式擬合得到。通過LabVIEW編寫微定位系統的模糊控制算法,利用Simulation控制與仿真模塊搭建微定位系統的帶前饋環(huán)節(jié)的模糊閉環(huán)控制仿真平臺并進行仿真。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,微定位系統的非線性與動態(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。仿真實驗結果驗證了控制算法的有效性,在微定位系統的實際應用中可以以此為作為參考。
【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN384

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本文編號：1262684