基于压电陶瓷的精密定位系统的设计

发布时间：2017-08-01 15:30

  本文关键词：基于压电陶瓷的精密定位系统的设计

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【摘要】：随着科技的进步,微定位技术逐渐被应用到生产和生活的各个方面,精密定位系统的研究也变得更加深入与全面。压电陶瓷作为精密定位器件以其优良的特性逐渐受到人们的关注,它运用压电元件电致伸缩效应和压电效应可实现纳米级的精确定位精度,在微观检测、精密机床加工等精密定位领域有着至关重要的地位。本文从整套系统的控制方面出发,对系统中每一个模块进行了数学建模与理论分析,并根据理论分析设计了一套硬件系统用于实际的测量。本文的研究结果具有一定的科学应用价值,能够确保整套研究方案易于移植到其他系统并且适用于大部分控制场所。论文首先介绍了研究压电陶瓷精密定位系统的意义,查看了国内外基于压电陶瓷精密定位系统的研究现状。深入探讨了压电陶瓷的迟滞和蠕变特性,阐述了其伸缩位移原理,然后对其搭建的压电陶瓷精密定位系统做数学建模和分析,提出了以闭环PID系统作为控制算法提高压电陶瓷微位移系统的定位精度,并针对压电陶瓷蠕变特性建立了前馈蠕变模型。本文同时从实际应用角度出发,以闭环PID控制算法为基础,设计了一套压电陶瓷控制系统。该系统主要包括可控的压电陶瓷驱动器的电源设计、微位移检测电路PSD的安装和设计、微位移平台的设计、控制系统和通信系统的软件实现。最后,本文通过系统的软硬件的设计,搭建了一套压电陶瓷精密定位系统,并对各个模块和整体定位效果做了大量的实验,分析了对应的误差,验证了理论和设计的可靠性。
【关键词】：压电陶瓷 PSD反馈 PID控制 蠕变补偿 精密工作台
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP273;TM282
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 课题研究背景及意义10
• 1.2 国内外研究现状10-15
• 1.2.1 精密工作台的研究现状11-12
• 1.2.2 压电陶瓷驱动电源的研究现状12-14
• 1.2.3 定位系统算法研究现状14-15
• 1.3 本文的主要研究内容15-16
• 第2章 压电陶瓷精密定位系统整体方案的研究16-35
• 2.1 压电陶瓷微位移特性研究16-23
• 2.1.1 压电效应与电致伸缩效应16-18
• 2.1.2 压电陶瓷非线性特性及其产生原理18-23
• 2.2 精密定位系统PID算法的研究23-26
• 2.2.1 PID控制思想23-24
• 2.2.2 PID控制系统整体方案24-26
• 2.3 压电陶瓷精密定位系统控制方法的研究26-34
• 2.3.1 压电陶瓷驱动器数学模型的建立26-30
• 2.3.2 精密工作台数学模型建立30-32
• 2.3.3 压电陶瓷精密定位系统数学模型32-33
• 2.3.4 系统参数确定及闭环算法仿真分析33-34
• 2.4 本章小结34-35
• 第3章 压电陶瓷精密定位系统的硬件模块设计35-46
• 3.1 控制系统MCU的选取35-36
• 3.2 压电陶瓷驱动电源的设计36-40
• 3.2.1 D/A转化电路的设计37-38
• 3.2.2 功率放大电路与电压跟随电路设计38-39
• 3.2.3 电压跟随控制39-40
• 3.2.4 快速放电电路设计40
• 3.3 PSD检测系统的设计40-45
• 3.3.1 PSD光电位置传感器41-42
• 3.3.2 I-V转化电路42-43
• 3.3.3 数学运算电路设计43-45
• 3.4 本章小结45-46
• 第4章 压电陶瓷精密定位系统的软件开发46-53
• 4.1 基于STM32F103控制软件总体设计46-48
• 4.1.1 控制系统软件设计46-47
• 4.1.2 PID控制算法软件实现47-48
• 4.2 基于Modbus通信软件的设计48-51
• 4.2.1 Modbus通信48-49
• 4.2.2 Modbus通信协议工作原理49-50
• 4.2.3 Modbus通信软件的实现50-51
• 4.3 本章小结51-53
• 第5章 控制系统测试及实验结果分析53-61
• 5.1 实验系统53-54
• 5.2 实验及结果分析54-60
• 5.2.1 压电陶瓷驱动电源误差分析实验55-56
• 5.2.2 PSD测量微位移校准实验56-58
• 5.2.3 压电陶瓷精密定位系统测试实验58-60
• 5.3 数据分析60
• 5.4 本章小结60-61
• 结论61-62
• 参考文献62-65
• 攻读学位期间发表的学术论文65-66
• 致谢66

【参考文献】

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本文编号：604941