压电陶瓷微定位系统的设计及仿真

发布时间：2017-12-07 14:22

  本文关键词：压电陶瓷微定位系统的设计及仿真

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【摘要】：传统的微定位平台机构比如滑动导轨、滚珠丝杠、滚动导轨等等具有机构复杂、惯性大、响应速度慢以及稳定性差等缺点而不能满足微定位平台小体积、大行程等要求。压电陶瓷具有结构简单、体积小、输出力大、分辨率高等特点,柔性铰链结构具有无机械摩擦、结构紧密、灵敏度高等优良特性。因此,以压电陶瓷作位移驱动、柔性铰链作放大机构及导向机构的微定位平台以结构简单、大行程、高分辨等优点而被广泛应用于工程实际。但是由于压电陶瓷促动器在电路上属于容性负载而存在充放电过程,该特性严重影响了微定位系统的动态响应。同时,压电陶瓷本身的迟滞、蠕变等特性使得微定位系统的定位精度下降,存在稳态误差。本文根据压电陶瓷的特性设计了压电陶瓷微定位系统,包括驱动电源、柔性铰链放大机构以及微定位系统的控制算法。在驱动电源方面,对不同类型的驱动电源作对比分析,提出由精密运放OP07和高压运放PA92级联的直流放大式驱动电源方案,采用零点相位超前补偿法保证驱动电源的稳定性。最后,通过Multisim对驱动电源进行仿真,对仿真结果进行分析验证了该驱动电源方案是可行的。在柔性铰链放大机构方面,对直圆型柔性铰链进行刚度分析,采用直圆型柔性铰链设计二级杠杆式放大机构,对放大机构作静力学分析,得到放大机构的放大倍率;建立放大机构的动力学模型,得到其固有频率计算公式。最后,用ANSYS对柔性铰链放大机构作静力学仿真分析,验证了放大倍率的理论计算是正确的。建立微定位系统的数学模型包括驱动电源、压电陶瓷迟滞、柔性铰链放大机构等的传递函数,压电陶瓷的迟滞模型利用压电陶瓷的位移—电压实验数据,通过最小二乘法多项式拟合得到。通过LabVIEW编写微定位系统的模糊控制算法,利用Simulation控制与仿真模块搭建微定位系统的带前馈环节的模糊闭环控制仿真平台并进行仿真。其中,前馈环节采用压电陶瓷的位移—电压线性逆模型。仿真结果表明,在带前馈环节的模糊闭环控制的作用下,微定位系统的非线性与动态特性得到改善,减小了稳态定位误差,提高了定位精度。仿真实验结果验证了控制算法的有效性,在微定位系统的实际应用中可以以此为作为参考。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN384

【参考文献】

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本文编号：1262684