考虑热效应的压电惯性摩擦驱动器的设计、建模以及控制技术研究

发布时间：2016-10-19 14:34

第1章绪论

纳米检测与计量技术(比如;原子力显微镜(AFM)、扫描隧道显微镜(STM))的发展是纳米技术发展的另一重要前提。STM技术让人们成功观察到了原子实空间图像,开阔了人们对微观领域的认知,极大地推动了纳米技术的发展[1]。不管是在原子力盈微镜(AFM)技术中还是扫描隧道显微镜(STM)技术中,都需要对探针和样品进行纳米级的定位。在一些极端情况下,比如;作原子操纵时,甚至还要求探针位移定位精度达到原子级。很明显,手动或者普通机械方法是没办法达到这么高的驱动精度的。而如果使用步进电机来驱动,又势必会增加传动机构和控制系统的复杂程度。而且,即使是使用目前最高精度的步进电机也无法实现数十纳米甚至数纳米的驱动精度。在纳米加工技术和纳米传感器技术中,微型机器人(Micro-robot)有着非常重要的地位。因为具有尺寸小的优点,微型机器人能够进入各种微小空间中进行操作,在微小空腔、微小管道检测维修,人体肠道、血管检查医治等方面具有天然优势,所以被广泛应用于化工、生物、医学、军事、核能、航天等领域。微型机器人己成为当前微机械技术研究的重点方向之一[2]。在各种领域的微型机械设备中,驱动器是必不可少的核也部件,驱动器性能的好坏直接影响到微型机械设备的整体性能。提离微型机械设备的运动精度、提高设备效率和减小设备体积的关键在于选用高精度、离效率、小体积、轻重量的离性能驱动器。因此,驱动器的研究一直是科技界研究的重点方向之一。

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第2章压电惯性摩擦驱动器原理与发展现状

2.1压电惯性摩擦驱动器驱动原理

驱动过程分为三个阶段:(1)初始阶段:在压电驱动器的两端没有施加任何电压,压电驱动器保持原长,驱动块和终端输出器都保持在初始位置。粘滞阶段:在压电驱动器的两端施加一个从0V开始,缓慢增长的电压,直到到达最大电压。这个阶段,压电驱动器会缓慢伸长,并推动驱动块向前运动,直到最大位移S。此时,终端输出器与驱动块之间的摩擦力足够克服终端输出器的惯性力。所以,终端输出器会枯滞在驱动块上,与驱动块一同向前运动直到最大位移S。(3)滑动阶段:压电驱动器两端的电压瞬间被去掉,从最大电压Umax迅速降到0V。压电驱动器会迅速恢复原长,驱动块也被迅速拉回初始位置。此时,由于终端输出器与驱动块之间的摩擦力不足以克服终端输出器的惯性力,终端输出器不在粘滞在驱动块上,会相对驱动块发生滑动,不跟随驱动块返回,而是保持在最大位移S处。

2.2压电惯性摩擦驱动器结构设计

在2.1节中介绍的驱动原理是理想状态,而在实际驱动过程中,驱动器的输出步长往往小于理想状态下的步长。原因有以下两点:(1)在驱动的第二阶段(粘滞阶段),如果压电驱动器的伸长速度过快,驱动块与终端输出器之间的摩擦力不足以克服终端输出器的惯性力,则二者之间可能发生相对滑动,导致最终输出步长比理想状态下步长短,因此,在此阶段,摩擦力越大越好,惯性力越小越好;在驱动的第三阶段(滑动阶段),由于终端输出器受到向后的摩擦力,如果其向前的惯性力不足克服反向摩擦为时,终端输出器将不会彻底脱离驱动块,会随驱动块往回运动一段距离,导致最终输出步长比理想状态下步长短,因此,在此阶段,摩擦力越小越好,惯性力越大越好。可见,在驱动器不同的驱动阶段,对摩擦力和惯性力的需求是不一样的。为了使实际驱动步长最大限度地接近理想步长,需要对摩擦力和惯性力进行调节。

第3章压电惯性摩擦驱动器设计......35

3.1引言......35
3.2驱动器基本结构......35
3.3位移数据采集......36
第4章压电惯性摩擦驱动器的综合建模......51
4.1引言......51
4.2压电驱动器建模......51
第5章压电惯性摩擦驱动器的控制......82
5.1引言......82
5.2控制总体方案......82
5.3步进阶段控制器设计.........86

第6章考虑热效应的压电惯性摩擦驱动器弹恢复性控制

6.1引言

对于一个驱动器系统,衡量其性能的指标除了驱动精度(定位精度,轨迹追踪能力)之外,系统定性、鲁棒性以及系统弹恢复性也是衡量一个驱动系统优劣的重要指标。系统稳定性指,系统在扰动消失之后,由偏差状态恢复到平衡状态的能力[130]。在经典控制理论中,即当时间趋于无穷大时,系统单位脉冲响应为零。系统鲁棒性指的是系统抵抗扰动的能力,在扰动持续存在的情况下仍然能够顺利完成驱动任务[131]。这种扰动可来自外界环境与系统的交互,也可来自系统内部输入的非预期变化,还可从是系统内部材料、结构的失效或改变。总之,扰动是不可预期的,但是扰动不至于彻底改变系统的基本结构。在压电惯性摩擦驱动器中,系统扰动的来源主要有:输入电压的扰动,驱动块与终端输出器接触表面之间摩擦力变化、材料的磨损。系统弹恢复性能是指系统在运行过程中发生失效(在驱动器中失效即:驱动器无法输出位移)后,系统克服这种失效,恢复正常工作状态的能力[132]。系统鲁棒性与弹恢复性的区别在于,鲁棒性中系统克服的扰动会对系统性能造成不可预期的影响,但是不至于彻底破坏系统的基本结构和性能,在驱动器中表现为系统仍能输出位移,但是扰动会使输出位移不可控,或者无法精确控制。而弹恢复性中,系统需要克服的是系统的完全失效,在驱动器中表现为驱动器彻底无法输出位移。

6.2压电惯性摩擦驱动器系统弹依复性

上一节中提到,系统弹恢复性指系统克服由于结构和功能的改变而导致的彻底失效,恢复正常工作状态的能力。在压电惯性摩擦驱动器中,导致这种失效的原因来自两个方面。一种原因是来自外界的干化比如:在驱动方向上的载荷变动。另一种是来自内部的自身结构变化,比如:摩擦表面热效应。现有文献中针对外界干扰的控制研究很多,然而目前还没有针对内部结构变化引起的失效(摩擦表面热效应导致的系统失效)的相关研究。压电惯性摩擦驱动器中摩擦表面热效应这种内部结构变化引起的失效类似于机械疲劳。这种内部结构的变化温度升高,摩擦力増加)是随着时间不断积累,最终在某个时间点致系统彻底失效。要克服这种失效,提高压电惯性摩擦驱动器系统的弹恢复性能,可有两种方法。一种是,找到失效原因,在发生失效之后,对系统进行相应调整,使之恢复正常工作状态。第二种是,对导致失效的因素进行预测,在发生失效前,对系统进行调整,使之一直保持正常工作状态。

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第7章总结与展望

(1)设计并制造了一个摩擦力驱动的压电惯性摩擦驱动器系统,该系统很好的体现了压电惯性摩擦驱动器的驱动原理。而且在该系统中,所有影响驱动器性能的因素(输出位移,摩擦面温度,摩擦面压为,摩擦面材料)都可以方便地测量,并且可以人为改变,从而为研究这些因素跟驱动器性能的关系提供了平台。除了机械结构设计,本章还基于dSPACE系统为压电惯性摩擦动器系统开发了一套控制平台,用于实验中的输入波形控制与信号采集。建立了一个全面考虑压电惯性摩擦驱动器中所有影响因素的综合模型。该模型通过简化Preisadi模型描述压电驱动器的迟滞效应,模型的离散简化使得模型计算量大大减少,能够适用于系统控制。通过二阶质量-弹黃-阻尼系统描述压电驱动器与驱动块的线性动态特性。通过修改LuGre模型描述驱动块与终端输出器之间的摩擦力,该修改模型通过赫兹接触理论,引入终端输出器质量,从而使得摩擦模型能够准确描述终端输出器质量对系统的影响。通过实验数据建立起了描述压电惯性摩擦驱动器热效应的经验模型,该模型可以看出,系统驱动速度随温度变化近似于一条二次方程曲线,在25°C到37°时,驱动器驱动速度随温度变化较小;而当温度高于37°C时,驱动器的驱动速度随温度升高明显増大。最后根据牛顿定律,将以上子模型结合为一个综合模型。

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参考文献（略）

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本文编号：145910