步进蠕动式旋转精密压电驱动器及其控制系统研究

发布时间：2020-07-08 05:34

【摘要】：在现代精密操作领域,微纳操作已成为一项关键技术,与之对应的就是日益增加的对高分辨率执行机构的需求。压电驱动器利用逆压电效应和摩擦力将电能转化为机械能,具有结构简单、响应快、速度快、定位精度高以及断电自锁等特点,在机器人关节、光学仪器、MEMS、定位工作台和空间机构等方面均实现了广泛的应用。与直线型精密压电驱动器相比,目前对旋转型精密压电驱动器及其系统的研究相对较少,且已有的研究成果结构都比较复杂,分辨率也不是很高。而实际机电一体化系统中的很多运动环节均为旋转型,因此,对旋转精密压电驱动器的研究在实际应用中具有重要的理论意义和突出的实用价值。本文提出了一种新构型的驱动机构与箝位机构一体的步进旋转型精密压电驱动器。首先基于四足旋转驱动的基本原理分析了旋转步进型压电驱动器的致动原理,对各个驱动足的动作顺序进行规划,根据动作顺序确定了对压电陶瓷组的激励方式和激励信号的时序。在确定致动原理基础上进行压电陶瓷组极化方向、布置方式、激励方式的研究。在原理分析基础上基于压电金属复合悬臂梁的基本构型对压电驱动器的结构进行设计,建立换能器的ANSYS有限元仿真模型并进行静力分析,完成了换能器的结构设计,得到了合理的结构参数。其次,基于铁木辛柯弹性梁理论建立了换能器的动力学解析模型,对驱动足端的瞬态响应以及稳态输出进行分析,得到了驱动足端部输出位移响应与驱动信号各参数之间的关系。基于GM模型以及切向接触理论建立了转子与驱动足间的接触摩擦模型,得到了驱动器稳定运动即驱动足与转子间不产生滑移的条件,建立了最大驱动力与预压力之间的关系。将两部分模型结合,得到驱动器总体输出的数学模型,即压电驱动器的控制模型,建立了压电驱动器输出位移与驱动电压之间的关系,作为后续控制系统设计的参考模型。最后,根据前文对步进型旋转压电驱动器原理的分析以及建立的理论模型,基于Simulink Real-Time平台设计了压电驱动器的驱动控制系统,对压电驱动器样机的输出特性进行了测试,得到了驱动器输出位移与激励电压幅值、频率之间的关系以及输出速度与负载力矩之间的关系,验证了前文对驱动器原理分析以及所建立的理论模型的正确性。驱动器在开环实验条件下的最小位移分辨率为0.095μrad(0.020″),最大输出转矩为49N·mm。进一步采用PID控制方法实现了对压电驱动器位移的闭环控制,实现了位移对阶跃信号、正弦信号的精准跟随,对阶跃信号的稳态响应的最大角度误差为0.448μrad(0.092″);对正弦信号的跟随误差低于信号幅值的6%。
【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】：2018
【分类号】：TH703
【图文】：

超精密定位,清华大学,基本结构,工作台

图 1-3 清华大学超精密定位工作台基本结构[1学精密机械与物理研究所的陈琦研制的微结合的方式，将宏观的摩擦驱动与压实现±5nm 的精密定位，还可以实现对器国内外研究现状电驱动器的基本结构如图 1-4 所示。步链，由两个箝位机构和一个驱动机构组提供预紧力及弹性回复力。此种驱动器压电叠堆柔性铰链

结构图,精密驱动,压电,步进

；最后左侧箝位机构通电，完成一个周期的运动。将起来即可得到较大行程。由于上述运动与生物的蠕动将这种驱动器称为蠕动式驱动器。动式驱动器能够在保证高分辨率的前提下实现运动行所示的结构图也可以看出，其整体结构相对复杂，运系统的运动时序，要求较高，同时也导致了驱动频率速度较慢，因此适合要求输出力较大、分辨率较高，S.Hsu 等人研制出世界首台混合型压电步进精密驱布置在定子上，动子内部为驱动用压电管。控制信号运动速度能够达到 6.3 ~ 38mm/s。，A.D.Brisbane 研制出首台行走型压电步进精密驱动结构与图 1-4 基本一致，箝位机构与驱动机构都在动，分辨率也得到提高，可达 5μm。

步进驱动器,Ⅰ型

图 1-6 AbaloneⅠ型步进驱动器[16]图 1-7 S.C.Kim 研制的步进型旋转驱动器[17]在国内，吉林大学是旋转型压电步进精密驱动器领域的主要研究机构。赵宏伟等研制的压电型步进精密旋转驱动器[18]如图 1-8 所示，具有结构紧凑、分辨率高（可达 0.255μrad），行程不受限制及运动稳定等优点。驱动压电叠堆预紧机构转子箝位压电叠堆预紧螺钉柔性铰链驱动转换机构上层机构下层机构

【参考文献】