低频脉冲激励步进蠕动式精密压电驱动器的研究

发布时间：2017-10-09 08:51

  本文关键词：低频脉冲激励步进蠕动式精密压电驱动器的研究

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【摘要】：随着近些年精密加工、微纳制造等领域快速发展,精密驱动和定位技术已经成为加工和制造领域中最为基础和亟待解决的关键技术。而压电驱动技术是一种新型的驱动方式,它伴随着压电元件、磁致伸缩等功能材料的出现和不断完善得到了飞速的发展。它具有结构简单、运动分辨率高、功率密度高、定位精度高、响应速度快、断电自锁、无电磁干扰、等突出优点。所以将压电驱动技术应用于精密驱动具有重要的科学意义和应用价值。本文研制了一种步进蠕动式精密压电驱动器,分析了步进蠕动式压电精密压电驱动器的工作原理,设计了压电驱动器的结构。根据压电驱动器的工作原理,本文设计了具有对称性的工字型结构,然后利用ANSYS有限元仿真对其结构进行优化和材料选择。在确定了压电驱动器的结构后,用ANSYS软件对步进蠕动式精密压电驱动器进行了仿真分析,包括静力学分析、模态分析和瞬态分析。这为步进蠕动式精密压电驱动器提供了理论基础。本文研制了压电驱动器驱动电源,驱动电源包含硬件部分和软件部分。硬件部分包含控制电路、高压电路、驱动电路和基本稳压电路四个部分组成,软件部分包含控制信号程序、电压采集程序、LED显示程序和串口通信程序四个部分。本文对驱动电源各个部分进行设计和调试,最终得到了电压在200V内可调,频率在100Hz内可调,并且具有较强的驱动输出能力和较小纹波的驱动电源。驱动电源信号输出与步进蠕动式精密压电驱动器的工作原理时序分析信号相吻合,同时它具有过流保护功能。本文研制了压电驱动器实验测试平台,平台主要由步进蠕动式精密压电驱动器、夹紧装置、驱动器运动导轨和预紧装置等结构组成,验证步进蠕动式精密压电驱动器的工作性能。本文选择电容测微仪作为测量传感器,测得压电驱动器的重复性较好,压电驱动器的步距与电压近似成线性变化,其斜率为0.01μm/V。压电驱动器实验测试平台的最大输出力为4.7N,其速度随着电压升高而增加,随着频率的增加先增加后减小,在30Hz内工作比较稳定,适合精密驱动,在70Hz其速度达到最大值。
【关键词】：压电驱动器 步进蠕动 驱动电源 低频脉冲
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN384
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义10-11
• 1.1.1 课题的来源10
• 1.1.2 课题研究的背景和意义10-11
• 1.2 压电驱动器的国内外研究现状及分析11-18
• 1.2.1 国外研究现状11-15
• 1.2.2 国内研究现状15-18
• 1.2.3 国内外文献综述的简析18
• 1.3 本文的主要研究内容18-20
• 第2章 步进蠕动式压电驱动器致动原理和结构方案分析20-32
• 2.1 引言20
• 2.2 压电元件特性20-21
• 2.3 步进蠕动式压电驱动器致动原理21-23
• 2.4 步进蠕动式精密压电驱动器的结构方案23-27
• 2.4.1 压电驱动器基本结构23-24
• 2.4.2 压电元件材料24-26
• 2.4.3 金属材料和结构优化26-27
• 2.5 步进蠕动式精密压电驱动器仿真分析27-30
• 2.5.1 静力学特性仿真分析27-28
• 2.5.2 模态特性仿真分析28-30
• 2.5.3 瞬态特性仿真分析30
• 2.6 压电元件等效电路建立30-31
• 2.7 本章小结31-32
• 第3章 基于步进蠕动式压电驱动器原理的驱动电源设计与研制32-50
• 3.1 引言32
• 3.2 驱动电源设计要求及技术指标32-33
• 3.3 驱动电源系统结构33-34
• 3.4 驱动电源硬件部分34-42
• 3.4.1 控制电路部分35-37
• 3.4.2 高压电路部分37-38
• 3.4.3 驱动电路部分38-40
• 3.4.4 基本稳压电路部分40-42
• 3.5 驱动电源软件部分42-47
• 3.5.1 频率可变控制信号42-44
• 3.5.2 电压采集44
• 3.5.3 LED显示44-45
• 3.5.4 串口通信45-47
• 3.6 电源设计与测量结果47-49
• 3.7 本章小结49-50
• 第4章 步进蠕动式压电驱动器的实验系统和性能测试50-66
• 4.1 引言50
• 4.2 实验样机与实验测试平台50-52
• 4.2.1 步进蠕动式精密压电驱动器样机50-51
• 4.2.2 实验平台系统装置51-52
• 4.3 压电驱动器阻抗测试与分析52-54
• 4.3.1 压电驱动器阻抗测试52-53
• 4.3.2 压电驱动器阻抗分析53-54
• 4.4 压电驱动器空载特性测试54-59
• 4.4.1 压电驱动器重复性测试54-56
• 4.4.2 压电驱动器响应时间测试56-58
• 4.4.3 压电驱动器步距与电压的关系58-59
• 4.5 压电驱动器实验平台特性测试59-63
• 4.5.1 实验平台的箝位力及分析59-60
• 4.5.2 实验平台输出曲线60-61
• 4.5.3 实验平台速度与电压的关系61-62
• 4.5.4 实验平台速度与频率的关系62-63
• 4.6 压电驱动器性能测试分析63-65
• 4.6.1 仿真与实验比较63-64
• 4.6.2 实验测量结果分析64-65
• 4.7 本章小结65-66
• 结论66-68
• 参考文献68-73
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果73-75
• 致谢75

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本文编号：999277