T型直线压电驱动器及其驱动控制系统研究

发布时间：2018-10-23 20:58

【摘要】：直线式压电驱动器相较于传统电磁电机的优势主要体现在结构紧凑、无需减速器即可直接产生直线运动和输出推力,具备体积小、响应快、推重比大、不受外界磁场干扰等特点,使其环境兼容性更强。目前关于压电驱动器的研究,主要集中于新的电机构型、驱动控制策略、实际应用技术等方面。由于压电驱动器的运行离不开合适的驱动电路,而驱动控制系统设计是否合理与压电驱动器的输出特性和更大范围的应用推广息息相关,所以对其的运动控制策略研究显得尤为重要。本课题是通过对压电驱动器数学模型的研究,并设计通用驱动控制电路和寻找控制策略,实现利用直线压电驱动器进行速度跟随与位置跟踪,以达到快速精确定位平台的目标。本文设计制作了T型直线压电驱动器及其运动平台,基于此压电驱动器和实验平台进行驱动控制系统的搭建与研究。首先被控对象数学模型是控制系统分析、设计与性能评估的重要基础,所以本课题对T型直线压电驱动器进行数学模型的建立,将其分为定子自由振动模型和定、动子接触摩擦模型,并利用Simulink建立压电驱动器定子自由振动的仿真模型,再考虑动子与定子的摩擦,根据Greenwood-Williamson理论建立其接触摩擦模型,加入本文对电机与实验平台的实际测量参数,建立并完善压电驱动器的工作模型,另一方面建立等效电路模型,利用阻抗分析仪测量等效电路的电学参数,并将以上两个模型进行对比分析,为后续第4章的控制理论部分提供数学参考模型,最后通过粗糙度实验和预压力实验对本部分建立的摩擦模型进行实验验证。其次是对驱动控制系统的主控单元和功放单元进行设计制作,主控单元即主控制板,主要包括DSP和FPGA最小系统、数模转换电路以及反馈模块等。将基于DSP的控制器和基于FPGA的DDS信号发生器集成在一块主控制板上,通过外接5V电源供电。功放单元即主驱动板,主要实现功放升压功能,由放大器和变压器等组成。将功放升压电路独立成另外一块主驱动板,通过外接12V电源供电。软件部分用Verilog HDL语言编写FPGA的驱动信号产生部分,用C语言编写DSP中的驱动控制算法,以及PC机与DSP间的串口通信。最后对硬件与软件部分进行联机调试,实验测定不同激励电压信号波形,理论输出电压幅值可达峰峰值0-600V、频率0-80k Hz、相位0-360°,最小分辨率分别可以达到1.17V、2.24Hz、0.022°,对本文所设计的驱动控制系统进行测试,证明输出电压波形良好且符合系统要求。通过第2章对压电驱动器数学模型的分析,应用第3章搭建的通用驱动控制系统实验平台,本文首先用固定增益PID控制方法进行实验测试与验证,实现了对阶跃和正弦信号的速度跟随控制,在实验中发现了系统存在控制的死区问题,通过采用死区补偿的方法进行控制方法的第一次改进,实验验证可知补偿方法可以很好的解决死区问题,再基于模糊控制理论实现变增益PID,即控制算法的第二次改进,测得最后速度误差在±2μm/ms内,速度误差与目标速度比为4%。最后再对给定不同的位置曲线进行跟踪,实现了压电驱动器及驱动控制系统的双闭环控制,并通过实验验证其控制效果,此系统达到调整时间155ms、位置误差5μm以内的直线定位平台目标。
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【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】：2017
【分类号】：TP273;TN384

【参考文献】