圆光栅回转式压电微角度执行器的研究

论文摘要

微位移驱动技术是当今世界各国研究的热点问题,是纳米测量及加工技术中的关键技术之一,随着科学技术的发展,需要高精度、高分辨力、能够灵活控制的微位移驱动及检测系统,用以直接进行有关工作或配合其它仪器设备完成高精度的研究和应用,正是这些需要,极大地促进了微位移驱动定位技术的发展。角位移驱动定位技术的需求也越来越广泛,在许多领域迫切需要大行程高分辨力的角位移驱动定位系统,以实现高精度的定位。课题对角位移驱动定位及检测技术进行了探索,通过研究角位移驱动定位及检测技术的发展现状,在总结前人经验的基础上,提出了一种集成了高精度角位移检测装置圆光栅的回转式压电微角度执行器系统,同时研究检测其角位移的角度检测系统和驱动其工作的控制系统。圆光栅回转式压电微角度执行器的结构创新地在压电执行器上集成了角位移传感器,采用圆光栅与微驱动机构一体化的方案,同时结合运用了尺蠖运动原理和柔性铰链机构进行设计,压电执行器的运动原理、柔性铰链设计、圆光栅集成结构设计以及总体机械结构设计得到了详细论述;圆光栅检测信号的处理是根据圆光栅信号的正交特性,采用硬件方面大数计数和小数软件细分的方法进行辨向细分等处理,实现由单片机检测计算出角位移值,把检测结果引入控制环节,圆光栅传感器、检测电路及单片机系统组成了角位移检测系统;控制系统方面采用单片机产生四路驱动信号,并运用直流放大式原理设计压电陶瓷驱动电源,放大控制信号驱动压电执行器。压电陶瓷驱动器电源的作用原理、分类以及设计特点得到了介绍,压电陶瓷驱动电源的设计要求、方法、电路等方面的内容得到了充分论述。实验结果表明:圆光栅回转式压电微角度执行器的运动的最小步距达到纳米级,行程为全圆周,系统实现了高精度定位。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 微驱动定位系统
• 1.2 微位移执行器
• 1.3 微角度驱动技术国内外研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.3.3 国内外微角度驱动技术发展趋势
• 1.4 本课题的主要研究内容和意义
• 第2章 圆光栅回转式压电执行器工作原理及结构设 计
• 2.1 压电执行器运动原理及设计要求
• 2.1.1 尺蠖运动原理
• 2.1.2 回转式驱动原理简述
• 2.1.3 压电执行器结构设计要求
• 2.2 圆光栅回转式压电执行器的结构设计
• 2.2.1 总体设计
• 2.2.2 柔性铰链设计
• 2.2.3 夹紧装置的设计
• 2.2.4 驱动装置的设计
• 2.2.5 圆光栅选型
• 2.2.6 联动盘与圆光栅集成设计
• 2.2.7 压电执行器设计
• 2.3 压电材料特性及压电元件的选择
• 2.3.1 压电陶瓷材料的特性
• 2.3.2 压电元件的选择
• 2.3.3 压电陶瓷性能实验
• 2.4 本章小结
• 第3章 圆光栅回转式压电执行器角位移检测系统的设 计
• 3.1 圆光栅传感器
• 3.1.1 圆光栅
• 3.1.2 R E SM 圆光栅工作原理
• 3.1.3 圆光栅信号
• 3.2 检测系统硬件设计
• 3.2.1 总体设计
• 3.2.2 C 8 0 5 1F 单片机及外部电路
• 3.2.3 差分放大器
• 3.2.4 电压比较器
• 3.2.5 方波转脉冲
• 3.2.6 脉冲计数
• 3.3 检测系统软件设计
• 3.3.1 设计原理
• 3.3.2 程序流程图
• 第4章 圆光栅回转式压电执行器驱动控制系统的设计
• 4.1 压电执行器控制系统设计
• 4.1.1 驱动控制信号
• 4.1.2 单片机控制系统的设计
• 4.2 压电陶瓷驱动电源设计
• 4.2.1 压电陶瓷驱动电源类型
• 4.2.2 压电陶瓷驱动电源的设计要求
• 4.2.3 总体设计
• 4.2.4 放大电路设计
• 4.2.5 前级稳压电路设计
• 4.2.6 15 V 电源设计
• 4.3 驱动电源性能测试
• 第5章 圆光栅回转式压电执行器性能测试实验及结果分析
• 5.1 实验装置
• 5.2 实验及数据处理
• 5.2.1 固定电源电压时运动角位移随电源频率变化实 验
• 5.2.2 固定电源频率时运动角位移随电源电压变化实 验
• 5.2.3 速度测试实验
• 5.2.4 最小步距与最大步距测试实验
• 5.2.5 非线性测试实验
• 5.2.6 行程测试实验
• 5.2.7 系统重复性实验
• 5.2.8 闭环控制定位精度测试实验
• 5.3 本章小结
• 总结及展望
• 参考文献
• 论文和参加科研情况说明
• 致谢