基于电荷控制法的压电惯性摩擦驱动器的设计及控制研究

发布时间：2020-10-13 14:59

　　 随着纳米技术的发展,人们对高精度驱动和定位技术的需求也变得越来越大。压电驱动器具有驱动精度高,响应速度快,驱动力大,结构简单等优点,在高精度驱动和定位领域得到了广泛的应用。但是压电驱动器的驱动行程通常较短,只适用于短行程驱动的情况,无法满足长行程(毫米级)驱动的要求。此外,压电驱动器在应用中会出现迟滞效应,即系统的激励电压和响应位移之间会存在明显的非线性,这会影响驱动器的精度和稳定性,也会增加了控制系统的设计难度。针对压电驱动器行程短的问题,本文基于摩擦驱动原理,设计了一款压电惯性摩擦驱动器,该驱动器既具有压电驱动器的高精度特点,又具有摩擦驱动原理的长行程特点,能够实现高精度长行程(毫米级)驱动和定位。由于压电驱动器存在的迟滞效应会影响驱动系统的精度和稳定性,本文基于电荷控制法设计了一款新型高压电荷控制电路,来降低压电驱动器的迟滞非线性。该电荷控制电路基于高压运算放大器OPA454设计,使用平衡电阻来消除漏电阻的影响,适用于高压接地压电负载的情况下。实验结果显示在此电荷控制电路的作用下,压电驱动器的迟滞效应导致的非线性减少了82%。本文还设计了一款复合控制器来控制压电惯性摩擦驱动器的运动(定位运动和轨迹跟踪运动)。根据驱动器当前位置与目标位置的距离,把其运动分为步进阶段和精密阶段,分别设计了步进阶段控制器和精密阶段控制器。步进阶段控制器采用电压比例控制法,实现较快的运动速度,精密阶段采用基于系统逆模型的前馈控制法,以达到高的驱动精度。搭建了实验平台进行定位运动和轨迹跟踪运动的运动控制实验,实验结果显示,相比于传统的电压比例控制法,采用复合控制器能明显的提高驱动系统的精度和驱动速度。
【学位单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH122
【部分图文】：

而利用压电材料做成的压电驱动器常用的结构包括：薄膜型驱动器（单片型）、??叠堆型驱动器（多片型）、管型、长方体型等｜３＿６１。其中最常用的是叠堆型压电驱动器，??它是由ｉ午多片的笮层压电驱动片叠加粘结起来形成的，实物如图１．１所示。压电驱动器??具有如下优点：（１）、非常高的运动精度，理论Ｌ：可以达到无限小的位移分辨率；（２）、响??应速度快，可以达到毫秒；（３）、驱动刚度大：（４）、输出力较大；（５）、结构简单，紧凑，??体积小｜７１。基于压电驱动器的上述特性和优点，压电驱动器被广泛地应用于高精度定位??和驱动领域，以实现精密的位置控制或输出较大的力。如下图１．１所示，为一个三自由??度的压电微动平台，其中内嵌三个压电驱动器为驱动元件，在柔性铰链的作用下终端平??台产生微运动，终端平台在ｌ〇｜ｉｍｘ?１０ｐｍ的运动范围内，运动精度可以达到０．０５５７（ａｒｎ｜８１。??，』、柳ｒ??图ｌ．ｉ多层叠堆型压电驱动器实

器的位移输出起到积极作用，本节会对两种驱动原理进行介绍。??２．２．１?摩擦驱动原理（ＦＤＡ：?Ｆｒｉｃｔｉｏｎ?ｄｒｉｖｅｎ?ａｃｔｕａｔｏｒ）??摩擦驱动原理的驱动器结构和驱动过程如图２．１所示。它由四个部分组成，包括固??定支架、压电驱动器、驱动块和终端输出器。固定支架固定在地面上或者减震台上，压??电驱动器一端与固定支架固定连接，另一端与驱动块固定连接，当向压电驱动器两端施??加电压，使压电驱动器伸长或缩短时，驱动块也随之产生运动。终端输出器被直接放置??在驱动块上，两者之间没有固定，靠摩擦力相互作用。在驱动过程中终端输入器可以相??对驱动块产生移动。驱动过程可以分为三个阶段：??（１）

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本文编号：2839320