壓電陶瓷微定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真.pdf

1、傳統(tǒng)的微定位平臺(tái)機(jī)構(gòu)比如滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾珠絲杠、滾動(dòng)導(dǎo)軌等等具有機(jī)構(gòu)復(fù)雜、慣性大、響應(yīng)速度慢以及穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)而不能滿(mǎn)足微定位平臺(tái)小體積、大行程等要求。壓電陶瓷具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、輸出力大、分辨率高等特點(diǎn)，柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)具有無(wú)機(jī)械摩擦、結(jié)構(gòu)緊密、靈敏度高等優(yōu)良特性。因此，以壓電陶瓷作位移驅(qū)動(dòng)、柔性鉸鏈作放大機(jī)構(gòu)及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的微定位平臺(tái)以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、大行程、高分辨等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際。但是由于壓電陶瓷促動(dòng)器在電路上屬于容性負(fù)載而存在充放電

2、過(guò)程，該特性嚴(yán)重影響了微定位系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。同時(shí)，壓電陶瓷本身的遲滯、蠕變等特性使得微定位系統(tǒng)的定位精度下降，存在穩(wěn)態(tài)誤差。
　　本文根據(jù)壓電陶瓷的特性設(shè)計(jì)了壓電陶瓷微定位系統(tǒng)，包括驅(qū)動(dòng)電源、柔性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)以及微定位系統(tǒng)的控制算法。在驅(qū)動(dòng)電源方面，對(duì)不同類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)電源作對(duì)比分析，提出由精密運(yùn)放OP07和高壓運(yùn)放PA92級(jí)聯(lián)的直流放大式驅(qū)動(dòng)電源方案，采用零點(diǎn)相位超前補(bǔ)償法保證驅(qū)動(dòng)電源的穩(wěn)定性。最后，通過(guò)Multisim對(duì)驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)

3、行仿真，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證了該驅(qū)動(dòng)電源方案是可行的。在柔性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)方面，對(duì)直圓型柔性鉸鏈進(jìn)行剛度分析，采用直圓型柔性鉸鏈設(shè)計(jì)二級(jí)杠桿式放大機(jī)構(gòu)，對(duì)放大機(jī)構(gòu)作靜力學(xué)分析，得到放大機(jī)構(gòu)的放大倍率;建立放大機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，得到其固有頻率計(jì)算公式。最后，用ANSYS對(duì)柔性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)作靜力學(xué)仿真分析，驗(yàn)證了放大倍率的理論計(jì)算是正確的。建立微定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型包括驅(qū)動(dòng)電源、壓電陶瓷遲滯、柔性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)等的傳遞函數(shù)，壓電陶瓷的遲滯模型利

4、用壓電陶瓷的位移—電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)最小二乘法多項(xiàng)式擬合得到。通過(guò)LabVIEW編寫(xiě)微定位系統(tǒng)的模糊控制算法，利用Simulation控制與仿真模塊搭建微定位系統(tǒng)的帶前饋環(huán)節(jié)的模糊閉環(huán)控制仿真平臺(tái)并進(jìn)行仿真。其中，前饋環(huán)節(jié)采用壓電陶瓷的位移—電壓線(xiàn)性逆模型。仿真結(jié)果表明，在帶前饋環(huán)節(jié)的模糊閉環(huán)控制的作用下，微定位系統(tǒng)的非線(xiàn)性與動(dòng)態(tài)特性得到改善，減小了穩(wěn)態(tài)定位誤差，提高了定位精度。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了控制算法的有效性，在微定位系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用