压电致动型两自由度直线运动平台及其驱动控制系统研究.pdf

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1、硕士学位论文压电致动型两自由度直线运动平台及其驱动控制系统研究RESEARCHONTWO-DEGREE-OF-FREEDOMLINEARMOTIONPLATFORMACTUATEDBYULTRASONICMOTORANDITSDRIVINGCONTROLSYSTEM申志航哈尔滨工业大学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压电致动型两自由度直线运动平台及其驱动控制系统研究硕士研究生：申志航导师：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：201

2、8年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP211U.D.C:681.5DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONTWO-DEGREE-OF-FREEDOMLINEARMOTIONPLATFORMACTUATEDBYULTRASONICMOTORANDITSDRIVINGCONTROLSYSTEMCandidate：ShenZhihangSupervisor：Prof.LiuYingxiangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofE

3、ngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要典型机电一体化系统中的许多场合都对直线运动平台有速度控制的需求。在直线型运动平台诸多的驱动方式中，直线超声电机凭借其推力密度大、断电自锁以及电磁兼容性好等特点，在一些应用场合具有明显的优势

4、。本文研制了一套压电致动型两自由度直线运动平台及其驱动控制系统，并以此为基础对运动平台开展速度闭环控制的实验研究。设计并制作了两自由度直线运动平台，根据两自由度直线运动平台速度控制的需求，选择弯振复合型超声电机作为运动平台驱动器。为所研制的两自由度直线运动平台设计了一种改进式弯振复合型超声电机，相比以前超声电机的设计，改进后的超声电机可以更好地施加固定约束。利用有限元的方法进行模态分析，验证了改进后电机的模态简并情况。加工制作了两个样机，分别进行了振动特性和阻抗特性测试，计算了阻抗匹配所需的电感量，且通过实验验证了阻抗匹配效果，并将之作为电源设计的依

5、据。根据运动平台速度控制的需要，明确了超声电源的输入、输出性能要求，对超声电源的设计任务进行了解析并确定各部分的实现方案，然后对直流调压电路和半桥逆变电路进行了设计与仿真分析，并根据这两部分电路的需要，设计了控制电路和控制程序，在此基础上完成了电源的制作。对电源进行了测试，实验表明所研制的超声电源具备以下输出能力：输出电压幅值高达±80V的方波、输出电压幅值低至±2V的方波、为电机施加幅值高达±180V的交流电压、按照频率高达10Hz的正弦规律调节输出电压幅值。测试了压电致动型两自由度直线运动平台的速度特性，获得两自由度平台运动速度与各自电机激励电压

6、的频率和电压幅值的关系。其中速度-频率关系中对应速度较高的频率范围包含振型测试得到的共振频率，证明了在所设计的振动模态下，电机的驱动效果较好。选一对应速度较高的频率作为测试速度-电压幅值关系以及速度闭环控制实验中激励电压的频率。测得了两个自由度的速度-电压幅值关系，由于两者在较宽的幅值范围内具有较好的线性关系，证明了在速度闭环控制实验中，通过控制电压幅值来控制速度的合理性。搭建了两自由度直线运动平台速度闭环控制系统，通过实验对两个自由度的速度控制开展了研究，速度控制的研究重点集中在低目标速度的阶跃控制和低目标速度的正弦控制。目标值为50mm/s的速度

7、阶跃控制中，稳定后速度误差不超过±2.5mm/s，上升时间为27ms；目标值为5mm/s的速度曲线，稳-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文定后速度误差在±1mm/s以内。速度跟随频率依次为0.5Hz、1Hz、1.5Hz、2Hz幅值为±20mm/s的正弦曲线变化时，相位滞后依次为0.72°、1.44°、2.16°和2.88°，幅值误差依次为2.03%、2.34%、2.5%、2.19%。验证了所研制的压电致动型两自由度直线运动平台速度控制系统具备对平台低目标速度的阶跃控制和正弦控制的能力。关键词：超声电机；直线运动平台；驱动控制系统；速度控制-II-哈尔

8、滨工业大学工学硕士学位论文AbstractSpeedcontroloflinearmotionplatfor