纵弯复合型步进式直线压电驱动器及其控制系统研究.pdf

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1、硕士学位论文纵弯复合型步进式直线压电驱动器及其控制系统研究RESEARCHONALONGITUDINAL-BENDINGHYBRIDSTEPPINGPIEZOELECTRICACTUATORANDITSCONTROLSYSTEM沈强强哈尔滨工业大学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纵弯复合型步进式直线压电驱动器及其控制系统研究硕士研究生：沈强强导师：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

2、学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP211U.D.C:681.5DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONALONGITUDINAL-BENDINGHYBRIDSTEPPINGPIEZOELECTRICACTUATORANDITSCONTROLSYSTEMCandidate：ShenQiangqiangSupervisor：Prof.LiuYingxiangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngine

3、eringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要相比与传统电磁电机，压电驱动器可以以更小的体积实现快速精密定位，且其工作特性在电磁干扰环境中不会改变，这些优势使得压电驱动器获得精密驱动领域的青睐，获得了较为广泛地应用

4、。近些年，随着精密驱动装备的要求不断提升，压电驱动器的研究也在不断深入。目前，压电驱动器的一个重点研究方向是实现大行程纳米定位，压电驱动器的本体结构、驱动器电源以及控制方法会影响到驱动器的定位精度。因此，对于压电驱动器及其控制系统的研究具有重要意义。首先，本文提出了一种新型的步进式压电驱动器，该压电驱动器主要由两个纵弯复合型换能器和一个动子组成。基于压电驱动器的结构，详细地分析了其驱动原理，确定利用换能器的纵向运动对动子进行箝位，而弯曲运动用于驱动动子直线运动；分析了两个换能器运动时所需要的四路激励信号，确定通过改变四路

5、激励信号之间的相位差可以实现动子运动方向的控制。建立了换能器的参数化有限元模型，对换能器进行模态仿真和静力学仿真，优化并确立了换能器的结构参数，并进一步验证了压电驱动器的驱动原理。为了测试压电驱动器的特性，制作了压电驱动器样机。其次，针对本文所提出的步进式压电驱动器，研制了一款驱动电源。该电源主要包括直流稳压电路和线性放大电路两部分，分别对直流稳压电路和线性放大电路进行了设计和仿真，制作了电路板和电源实物，并对电源进行了性能测试。测试结果表明：该电源能够稳定输出四路幅值、频率和相位独立可调的信号，其幅值、频率和相位差范围

6、分别为-200V~+200V、0~1kHz和-π~+π；该电源输出电压纹波小于200mV，此外，当电源输入电压小于9V时，其线性度小于0.5%。再次，为了测试压电驱动器输出特性以及实现压电驱动器的闭环控制运动，搭建了控制系统，该控制系统包括硬件和软件两部分。其中，硬件主要是上下位机、PCI1716数据采集卡、PCI1721数据采集卡、位移传感器、电源以及压电驱动器；而软件部分，设置了上下位机的通信方式，制作了U盘启动的DOS系统盘，编写了PCI1716和PCI1721的驱动程序，在MATLABSimulinkReal-T

7、ime平台上编写了开环和闭环控制程序。最后，在前述工作基础上，对换能器输出特性进行了测试，测试结果指出该换能器具有较好的位移重复性，进一步验证了压电驱动器驱动原理。对-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文压电驱动器输出特性进行了测试，测试结果表明：该压电驱动器在大行程下的分辨力可以达到30nm；当激励信号频率为60Hz时，其速度达到最大，速度值为720.650μm/s；且其最大驱动力为15N。对压电驱动器进行了PID控制实验，包括位置定位精度测试和正弦位移曲线跟踪测试，该压电驱动器的位置定位精度可以达到±50nm，且具有较

8、好的动态跟踪特性。关键词：压电驱动器；步进式；大行程纳米定位；驱动电源；PID控制-II-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractComparedtotraditionalelectromagneticmotors,piezoelectricactuatorscaneasilyachievefastprecis