多梁縱振復(fù)合型直線壓電驅(qū)動(dòng)器及其控制系統(tǒng)研究.pdf

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1、碩士學(xué)位論文多梁縱振復(fù)合型直線壓電驅(qū)動(dòng)器及其控制系統(tǒng)研究RESEARCHONMULTI-BEAMSLINEARPIEZOELECTRICACTUACTORANDITSCONTROLSYSTEM薛凱磊哈爾濱工業(yè)大學(xué)2018年6月國內(nèi)圖書分類號(hào)：TP211學(xué)校代碼：10213國際圖書分類號(hào)：681.5密級(jí)：公開工學(xué)碩士學(xué)位論文多梁縱振復(fù)合型直線壓電驅(qū)動(dòng)器及其控制系統(tǒng)研究碩士研究生：薛凱磊導(dǎo)師：劉英想教授申請學(xué)位：工學(xué)碩士學(xué)科：機(jī)械電子工程所在單位：機(jī)電工程學(xué)院答辯日期：2018年6月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)Cl

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

3、ineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文摘要壓電驅(qū)動(dòng)器是一種利用壓電材料逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的新型驅(qū)動(dòng)器，具有高定位精度、高響應(yīng)速度、無電磁干擾、低速大轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)。相對行波型和駐波型壓電驅(qū)動(dòng)器而言，模態(tài)復(fù)合型壓電驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)限制因素少、設(shè)計(jì)靈活方便、轉(zhuǎn)矩和推

4、力大。開展模態(tài)復(fù)合型壓電驅(qū)動(dòng)器的構(gòu)型設(shè)計(jì)、振動(dòng)特性分析和運(yùn)動(dòng)控制的研究對于壓電驅(qū)動(dòng)器的理論完善和應(yīng)用拓展具有重要意義。本文首先對多梁縱振復(fù)合型直線壓電驅(qū)動(dòng)器的構(gòu)型進(jìn)行了設(shè)計(jì)。基于加工裝配工藝性的要求，設(shè)計(jì)并分析了不同構(gòu)型的優(yōu)缺點(diǎn)。壓電驅(qū)動(dòng)器采用工字型構(gòu)型，由兩個(gè)水平梁和一個(gè)豎直梁組成，驅(qū)動(dòng)足設(shè)置在水平梁變幅桿的末端。對壓電驅(qū)動(dòng)器的復(fù)合模態(tài)進(jìn)行了分析，復(fù)合模態(tài)由水平梁主動(dòng)激勵(lì)的縱振模態(tài)、豎直梁主動(dòng)激勵(lì)的縱振模態(tài)和非對稱邊界條件下水平梁耦合激勵(lì)的彎振模態(tài)組成。規(guī)劃了高頻諧振和高頻步進(jìn)兩種激勵(lì)模式，可分別實(shí)現(xiàn)壓電驅(qū)動(dòng)

5、器的快速驅(qū)動(dòng)和精密驅(qū)動(dòng)，并進(jìn)行了響應(yīng)的致動(dòng)原理分析。建立了壓電驅(qū)動(dòng)器的有限元參數(shù)化模型，進(jìn)行了壓電驅(qū)動(dòng)器振動(dòng)特性的仿真分析。針對壓電驅(qū)動(dòng)器的部分結(jié)構(gòu)參數(shù)，繪制了各組成模態(tài)的參數(shù)敏感度曲線，對比分析了模態(tài)的特征頻率和振型，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整最終實(shí)現(xiàn)了模態(tài)頻率的簡并?；谒矐B(tài)仿真，分析了壓電驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)特性，并驗(yàn)證了四個(gè)驅(qū)動(dòng)足的橢圓驅(qū)動(dòng)軌跡。分析了該種構(gòu)型下模態(tài)復(fù)合型壓電驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)。針對多梁縱振復(fù)合型直線壓電驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)需求，研制了相應(yīng)的大功率高頻驅(qū)動(dòng)電源?；贠PA549低壓運(yùn)放芯片，以高頻、大功率為設(shè)計(jì)目標(biāo)建

6、立了驅(qū)動(dòng)電源的總體方案。設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電源由供電電路、線性放大電路和高頻變壓器組成，能夠?qū)崿F(xiàn)高頻諧振和高頻步進(jìn)兩種驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出。設(shè)計(jì)的壓電驅(qū)動(dòng)電源輸出頻率范圍為10~25kHz，單路輸出功率可達(dá)100W，輸出電壓可達(dá)±200V。進(jìn)行了各部分電路的特性分析，完成了驅(qū)動(dòng)電路和高頻變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)?；贛ultisim電路仿真完成了電路的原理性校驗(yàn)，完成了驅(qū)動(dòng)電源的PCB設(shè)計(jì)。基于設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電源，進(jìn)行了閉環(huán)控制系統(tǒng)的搭建。制作了壓電驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。對樣機(jī)進(jìn)行了阻抗特性和振動(dòng)特性測試，對比分析了樣機(jī)和仿真模型

7、的差異。在高頻諧振和高頻步進(jìn)模-I-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文式下，分別進(jìn)行了樣機(jī)的機(jī)械輸出特性測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在電壓峰峰值為200V、激勵(lì)頻率為18.5kHz、信號(hào)相位差為60°的情況下，樣機(jī)最大空載輸出速度為439.41mm/s、最大推力為40N。在電壓峰峰值為40V、每步90個(gè)高頻諧振頻率脈沖時(shí)，最小步距為2.83μm。最后，分別進(jìn)行了階躍和正弦信號(hào)下速度響應(yīng)的開環(huán)和閉環(huán)特性測試；通過閉環(huán)控制改善了階躍響應(yīng)的穩(wěn)定性誤差，并改善了正弦響應(yīng)的過零死區(qū)、峰值誤差和正反向運(yùn)動(dòng)偏差。關(guān)鍵詞：壓電驅(qū)動(dòng)器；多梁

8、縱振復(fù)合；驅(qū)動(dòng)電源；驅(qū)動(dòng)控制-II-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文AbstractPiezoelectricactuatorsareakindofdrivedevice,whichcanconverttheelectricalenergyintothemechanicalenergybyusingtheconversepiezoelectriceffectsofpiezoelectri