多梁纵振复合型直线压电驱动器及其控制系统研究.pdf

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1、硕士学位论文多梁纵振复合型直线压电驱动器及其控制系统研究RESEARCHONMULTI-BEAMSLINEARPIEZOELECTRICACTUACTORANDITSCONTROLSYSTEM薛凯磊哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP211学校代码：10213国际图书分类号：681.5密级：公开工学硕士学位论文多梁纵振复合型直线压电驱动器及其控制系统研究硕士研究生：薛凯磊导师：刘英想教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Cl

2、assifiedIndex:TP211U.D.C:681.5DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONMULTI-BEAMSLINEARPIEZOELECTRICACTUACTORANDITSCONTROLSYSTEMCandidate：XueKaileiSupervisor：Prof.LiuYingxiangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicsEng

3、ineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要压电驱动器是一种利用压电材料逆压电效应将电能转化成机械能的新型驱动器，具有高定位精度、高响应速度、无电磁干扰、低速大转矩等优点。相对行波型和驻波型压电驱动器而言，模态复合型压电驱动器结构限制因素少、设计灵活方便、转矩和推

4、力大。开展模态复合型压电驱动器的构型设计、振动特性分析和运动控制的研究对于压电驱动器的理论完善和应用拓展具有重要意义。本文首先对多梁纵振复合型直线压电驱动器的构型进行了设计。基于加工装配工艺性的要求，设计并分析了不同构型的优缺点。压电驱动器采用工字型构型，由两个水平梁和一个竖直梁组成，驱动足设置在水平梁变幅杆的末端。对压电驱动器的复合模态进行了分析，复合模态由水平梁主动激励的纵振模态、竖直梁主动激励的纵振模态和非对称边界条件下水平梁耦合激励的弯振模态组成。规划了高频谐振和高频步进两种激励模式，可分别实现压电驱动

5、器的快速驱动和精密驱动，并进行了响应的致动原理分析。建立了压电驱动器的有限元参数化模型，进行了压电驱动器振动特性的仿真分析。针对压电驱动器的部分结构参数，绘制了各组成模态的参数敏感度曲线，对比分析了模态的特征频率和振型，通过结构参数的调整最终实现了模态频率的简并。基于瞬态仿真，分析了压电驱动器的运动特性，并验证了四个驱动足的椭圆驱动轨迹。分析了该种构型下模态复合型压电驱动器的特点。针对多梁纵振复合型直线压电驱动器的驱动需求，研制了相应的大功率高频驱动电源。基于OPA549低压运放芯片，以高频、大功率为设计目标建

6、立了驱动电源的总体方案。设计的驱动电源由供电电路、线性放大电路和高频变压器组成，能够实现高频谐振和高频步进两种驱动信号的输出。设计的压电驱动电源输出频率范围为10~25kHz，单路输出功率可达100W，输出电压可达±200V。进行了各部分电路的特性分析，完成了驱动电路和高频变压器的参数设计。基于Multisim电路仿真完成了电路的原理性校验，完成了驱动电源的PCB设计。基于设计的驱动电源，进行了闭环控制系统的搭建。制作了压电驱动器样机并进行了实验测试。对样机进行了阻抗特性和振动特性测试，对比分析了样机和仿真模型

7、的差异。在高频谐振和高频步进模-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文式下，分别进行了样机的机械输出特性测试，实验结果显示，在电压峰峰值为200V、激励频率为18.5kHz、信号相位差为60°的情况下，样机最大空载输出速度为439.41mm/s、最大推力为40N。在电压峰峰值为40V、每步90个高频谐振频率脉冲时，最小步距为2.83μm。最后，分别进行了阶跃和正弦信号下速度响应的开环和闭环特性测试；通过闭环控制改善了阶跃响应的稳定性误差，并改善了正弦响应的过零死区、峰值误差和正反向运动偏差。关键词：压电驱动器；多梁

8、纵振复合；驱动电源；驱动控制-II-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractPiezoelectricactuatorsareakindofdrivedevice,whichcanconverttheelectricalenergyintothemechanicalenergybyusingtheconversepiezoelectriceffectsofpiezoelectri