自适应弹药压电陶瓷驱动器技术研究

论文摘要

为了适应战争需求,以微电子技术为代表的高新技术逐渐渗透和应用于军事领域,出现了许多新型弹药,自适应弹药就是其中一种。此类弹药通过光、机、电、材料等高新技术,采取简易制导或弹道自适应方式,在外弹道某段上能自身搜索、识别目标,直至命中和毁伤目标。在所有涉及自适应机构和有源振动控制的元件中,压电陶瓷驱动器因其具有良好的性能而备受关注,这些都为自适应弹药的研制奠定了一定的技术基础。基于以上,本文提出了一种适用于自适应弹药机构的压电陶瓷控制系统设计方案。首先,叙述了压电陶瓷驱动器的基本理论。介绍了压电陶瓷驱动器的压电效应及压电方程,阐述了叠堆型驱动器的工作原理,总结了影响驱动器性能的几个主要因素并提出了补偿方法和驱动器控制系统的设计要求。其次,采用ANSYS有限元软件对压电陶瓷机电耦合系统建立有限元模型,进行了瞬态动力学分析和模态特性分析。得出其位移、应力分布和固有频率,可为弹头偏转驱动机构的进一步研究提供有效地参考。最后,针对压电陶瓷驱动器在自适应弹药上的应用,提出了一种以高压运放PA85为核心的高精度动态压电驱动控制系统设计方案(包括硬件电路和软件设计)。通过单片机产生驱动信号,经过串联负反馈放大电路放大后直接加载到压电陶瓷片上,保证其可以在不同的频率和电压下工作。利用Multisim10.0软件对驱动电源的性能进行了测试仿真分析,验证了所设计压电陶瓷驱动电源不仅具有良好的稳定输出,而且还具有较好的动态响应特性,为其走向实用化奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 自适应弹药的研究现状
• 1.2.2 压电陶瓷驱动器的研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 2 压电陶瓷驱动器基本理论
• 2.1 压电陶瓷驱动器
• 2.1.1 压电效应
• 2.1.2 压电方程
• 2.1.3 压电陶瓷驱动器的工作原理
• 2.2 影响驱动器性能的因素
• 2.2.1 压电材料性能的影响
• 2.2.2 主动件的结构尺寸的影响
• 2.2.3 放大机构及其它元件的影响
• 2.2.4 电源及自动控制装置的影响
• 2.2.5 容性负载分析
• 2.3 补偿方法
• 2.3.1 PID 控制
• 2.3.2 自适应逆控制
• 2.3.3 神经网络
• 2.4 压电陶瓷驱动电源的设计要求
• 2.4.1 系统的可靠性原则
• 2.4.2 系统的经济性设计原则
• 2.4.3 系统的抗过载原则
• 3 压电陶瓷有限元分析
• 3.1 有限元法的理论
• 3.1.1 有限元法的基本原理
• 3.1.2 有限元分析的基本过程
• 3.2 压电耦合系统
• 3.2.1 压电耦合系统动力学模型
• 3.2.2 压电耦合系统的有限元分析
• 3.3 PZT 有限元分析
• 3.3.1 PZT 材料的本构方程
• 3.3.2 瞬态动力分析
• 3.3.3 模态分析
• 3.4 本章小结
• 4 压电陶瓷驱动器控制系统
• 4.1 自适应弹药偏转机构
• 4.1.1 基于弹头偏转控制的自适应弹药
• 4.1.2 弹头偏转控制坐标
• 4.1.3 驱动器在自适应弹药上的应用
• 4.2 压电陶瓷驱动控制系统的方案分析
• 4.3 电源供电模块的设计
• 4.3.1 低压电源模块
• 4.3.2 高压电源模块
• 4.4 单片机控制模块
• 4.4.1 单片机控制系统总体设计
• 4.4.2 硬件设计
• 4.4.3 单片机软件设计
• 4.5 高压运放电路
• 4.5.1 高压运放电路设计及参数选择
• 4.5.2 高压运放电路相位补偿
• 4.5.3 过流保护电路
• 4.6 压电驱动电源性能的仿真测试
• 4.6.1 压电驱动电源性能理论
• 4.6.2 驱动电源的频响特性分析
• 4.6.3 电源的线性度分析
• 4.7 压电堆输出耦合模型
• 4.8 电磁兼容与PCB 板的制作
• 4.9 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 本文总结
• 5.2 下一步的工作构想
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢