一种六自由度微定位工作台位姿控制新方法研究

论文摘要

本文研究了一种在四层平板之间并列分布多个压电陶瓷驱动器,通过控制压电驱动器产生微驱动,最终实现六自由度微定位的新方法。本文的主要研究工作包括:①在分析研究国内外现有微定位方法的基础上,研究了一种空间分布压电陶瓷驱动器的六自由度微定位新方法。完成了定位原理的推导,建立了位姿控制模型。在四层工作台间并列分布十二个压电陶瓷微驱动器,每层工作台上的四个压电陶瓷微驱动器均布在半径为l的圆周上。根据位姿控制模型,压电陶瓷微驱动器通以不同电压,使其分别产生伸长或缩短,各驱动器同时作用,形成微定位机构目标工作台在不同方向上的微动。②采用MATLAB软件计算位姿控制模型,得到六自由度方向需要产生位移yi时,各压电陶瓷微驱动器的应提供的伸缩量Δhi;通过ANSYS软件建立微定位平台实体模型,改变各驱动器参数(参数变化值等于Δhi),监测目标工作台位移变化yk;验证微定位原理与控制模型的正确性和方案的可行性。③针对压电陶瓷驱动器特殊的负载特性,研究了压电陶瓷驱动电源,可实现多路压电陶瓷微驱动器同时驱动。介绍了主要的电路,进行了放大电路的仿真和分析,完成了放大电路的基本调试。该压电陶瓷驱动电源具有一定的实用性和创新性。④研究了单个压电陶瓷微驱动器的复合控制方法,使驱动器取得了较高的定位精度。针对压电陶瓷器件在精密定位控制中存在的迟滞、蠕变和位移非线性等不足,将Preisach前馈控制和PID反馈控制相结合,分别完成了Preisach和基于积分分离PID控制的实际编程,并完成了实验验证工作。本文的研究工作可为精密调整及微进给提供新的思路和方法。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究意义
• 1.2 微定位技术的国内外研究现状
• 1.2.1 微定位系统的组成
• 1.2.2 压电驱动的微定位平台机构研究现状
• 1.2.3 驱动电源研究现状
• 1.3 本文主要内容
• 2 微定位工作台定位原理与位姿控制模型
• 2.1 微定位工作台定位原理
• 2.2 位姿控制模型
• 2.3 本章小结
• 3 微定位工作台位姿控制模型计算与验证
• 3.1 MATLAB 模型计算
• 3.1.1 MATLAB 概述
• 3.1.2 控制模型计算
• 3.2 ANSYS 模型验证
• 3.2.1 ANSYS 概述
• 3.2.2 ANSYS 基本构架
• 3.2.3 实体模型的建立
• 3.2.4 网格划分
• 3.2.5 结构静力分析
• 3.3 位姿控制模型验证
• 3.4 本章小结
• 4 PZT 微驱动器的复合控制方法研究
• 4.1 压电陶瓷微驱动器
• 4.2 压电陶瓷微驱动器特性分析及实验
• 4.3 压电陶瓷微驱动器复合控制
• 4.4 Preisach 迟滞控制模型
• 4.4.1 Preisach 模型原理
• 4.4.2 Preisach 模型的编程
• 4.5 PID 反馈控制
• 4.5.1 PID 控制器控制原理
• 4.5.2 PID 参数整定
• 4.5.3 积分分离PID 控制算法
• 4.5.4 基于单个PZT 的积分分离PID 反馈控制的编程实现
• 4.6 单个PZT 前馈反馈控制实验
• 4.6.1 单个PZT 的前馈反馈控制过程
• 4.6.2 实验结果
• 4.7 本章小结
• 5 PZT 微驱动器驱动电源的设计
• 5.1 驱动电源的技术要求
• 5.2 压电陶瓷驱动电源的设计
• 5.3 驱动电源高压放大电路的仿真
• 5.3.1 电源的线性度和误差
• 5.3.2 对阶跃信号的响应
• 5.3.3 静态功耗
• 5.3.4 PCB 板设计与制板
• 5.4 本章小结
• 6 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. PZT 微驱动器电压－位移特性实测曲线