《压电驱动器控制系统的研制》由会员分享，可在线阅读，更多相关《压电驱动器控制系统的研制（71页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电子科技大学硕士学位论文AB S T RACTDu e t op i e z o e l e c t r i cm a n o m e t e r g r a d e o f r e s o l u t i o n a n d f a s t r e s p o n s e s p e e d o f a c t u a t o r , i t h a s e x t e n s i v e a p p l i c a t i o n p r o s p e c t ss u c h a s p r e c i s i o n m e c h a n i c s a n d m i c r o
2、 e l e c t r o n i c . H o w e v e ri n m a n y fi e l d sb e c a u s e o f i t sn o n - l i n e a r p r o p e r t y a n d t h e l i m i t a t i o n o f d i s p l a c e m e n t , p i e z o e l e c t r i c a c t u a t o r i s l i m i t e d i n m u c h m o r e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n f
3、i e l d sT h i s p r o j e c t i s a p r e - r e s e a r c h s u b j e c t a g a i n s t t o t h e s h o r t c o m i n g s o f p i e z o e l e c t r i c a c t u a t o r d r i v e r , w h i c h s e t s u p p i e z o e l e c t r i c i t y n o n - l i n e a r m o d e l o f p i e z o e l e c t r i c a c
4、 t u a t o r a n d d e s i g n s a k i n d o f t y p e m e c h a n i c a l s t r u c t u r e o f s t e p 护 n g a c t u a t o r d r i v e r . W h i l e h a v i n g h i g h 一 二o l u t i o n , t h e a c t u a t o r d r i v e r h a s o v e r t u r n o f l o n g d i s p l a c e m e n t a n d o u t p u t
5、p o w e r .A t f i r s t t h i s d i s s e r t a t i o n i n t r o d u c e s t h e p r i n c i p l e a n d c h a r a c t e r i s t i c o f t h e p i e z o e l e c t r i c a c t u a t o r a n d a n a l y z e s t h e n o n l i n e a r m o d e l o f p i e z o e l e c t r i c a c t u a t o r n o w a d a
6、 y s . -A c c o r d i n g t o i n t e r n a l a n d e x t e r n a l r i n g d i s p l a c e m e n t c u r v e f u n c t i o n r e l a t i o n o f p i e z o e l e c t r i c c e r a m i c a c t u a t o r , p r e c i s e m o d e l i s p r o p o s e d ; t h e n d e s i g n s o n e s i m p l e m e c h a
7、n i c a l s t r u c t u r e o f s t e p p i n g a c t u a t o r d e v i c e a n d a n a l y z e s - t h e i r f e a s i b i l i t y妙 t h e s o f t w a r e e m u l a t i o n ; fi n a l l y d e s i g n s M C S - 5 1 c o n t r o l c i r c u i t i n c l u d i n g D I A a n d A / D c o n v e r t e r c i
8、r c u i t a n d d e v e l o p s a d y n a m i c d r i v i n g l i n e p o w e r f o r p i e z o e l e c t r i c c e r a m i c a c t u a t o r b y u t i l i z i n g e x c e l l e n t p e r f o r m a n c e h i g h v o l t a g e a m p l i f i e r . I n c o n c l u s i o n , t h e p i e z o e l e c t r
9、i c a c t u a t o r s y s t e m w i t h h i g h a c c u r a c y a n d l o n g d i s p l a c e m e n t i sc o m p l e t e d 妙a s s e m b l i n g t h e s e p a r t s .K e y w o r d s :P i e z o e l e c t r i c a c t u a t o r d e v i c eP o w e r a m p l i fi e rNo n l i n e a r mo d e lMi c r o c o n
10、 t r o l l e r独 创 性 声 明本人声明 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。 据我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的 地方外， 论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。签 名 : - (!/ 1一日 期 :2“O 0y4f- z 月 ,- H关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、 使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文
11、被查阅和借阅。 本人授权电 子科技大学可以 将学位论文的 全部或部分内 容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学 位论文在解密后应遵守此规定)、尸 门 饰签 名 ，I Z A L-导师签名 日 m .7 ,0 U电子科技大学硕士学位论文第一章序言1 压电定位技术的研究背景压电效应的研究早在 1 8 8 3年 P i e r r e C u r i e就己经发现，到 目前已经有 1 0 0多年的历史。利用其性质所制造出的器件已经广泛应用于人们生活当中。而压电 驱动器( P i e z o e l e c t r i c C e r a m
12、i c A c t u a t o r ) 应用在微定位 和微操作只是在近几十年间，由 于其自 身优越的 特性 ( 高分 辨率、 高响应 速度川 ) ， 在大规模 集成电 路光 刻设备、 超精密机械加工、生 物基因 操作以 及纳米级分辩力的 测量仪器中具 有极其广泛的应用前景。微定位技术的重要意义及作用已经被世界上许多国家所认识。 从 7 0 年 代，国际上就掀起了压电微位移定位技术研究的浪潮。1 9 7 5年，B u r l e i g h 工 n s t r u m e n t 开发出第一个线性蠕动式线性压电马达c _ l 。 随后各种线性压电 马达随之出现， 例如 H e n d e r
13、 s o n 开发出应用于太空的线性低温蠕动式马达【 t 压电驱动器由于其断电 后仍能具有一定的输出 位移， 并且在超低温度下仍能正常工作 的性质 ，这种压 电马达在航天探测器的天文望远镜中得以应用 。 1 9 7 8 年， 前苏联V a s i l i e r 成功构造了一种能够驱动较大负载的超声波马达。 美国 1 9 8 7 年开始了M 3 工程， 英国1 9 8 8 年开展了被称作L i n k 的纳米技术工程，日本在 1 9 8 8 年完成了Yoshit。 纳米机构工程，其工业科技处又 在筑波科学城的交叉科学研究中心把纳米科技列为几个发展方向之一。 日 本的Y a b u k i 等制
14、造了一种驱动 C D 光驱磁头的压电步进马达 3 ， 。 美国经过为期 的3 年的全球调查， 美国 在 2 0 0 0 年 t o 月开始N I I 计划 ( 国 家纳米技术发展计划) ，为此美国投入了 4 . 9 5亿美元。美国高校也纷纷加入到这个领域的研究， M I T 的 航空航天系空间工程研究中心和电 子工程计算机系的人工智能中 心都在研究自己的压电驱动器。 宾州州立大学在 1 9 9 4 到 1 9 9 8 期间投资 1 . 5亿美元从事压电驱动器的研究。 美 国有关的研究报告预计: 压电驱动器将有可能取代部分小型的传统电机。不仅科研和国家投入这项领域的 研究， 许多企业也开展了微定
15、位技术的 研究， 并将研究成果转化为商品。 例如， 1 9 8 2 年， I B M 苏黎世研究所的G e r d B i n n i n g 和 H e i n r i c h R o h r e r 等成功地研制出世界上第一台新型的表面分析仪，扫描隧道显微镜，其扫描头便由 三个相互垂直地压电陶瓷驱动器组成， 可用于三维扫描。德国的P I 公司所研究的微定位系统 ( 一维和多维)以及 其它各种相关产品的开发， 通过与传统电机相结合既可以达到纳米级 ( 最高电子科技人学硕十学位论文分辨率可以达到次纳米级)的高精度又可以 达到毫米甚至分米级的大位移。 美国的Q u e e n s g a t e
16、 公司研制的二维工作台， 行程 5 0 x 1 5 0 0 微米，I I = 线性误 差0 . 2 2 %, 重复定位精度 1 纳米 幻 。 德国P i e z o m e c h a n i k 公司制造高性能的压电 驱动器以 及相关的控制和驱动设备洲 。总之，目前国际上采用压电驱动器来实现纳米级分辩力的微定位。 但山于目 前从事压电 驱动器开发较短， 有关的基础理论和关键技术的 研究也不够 完善，仍有很多实际问题待解决。其主要: 1 - 作主要集中在以下儿个方面:1 . 动器模型的建立，包括在一定频率下的数学模型以 及在直流状态下的数学模型。 压电驱动器滞后和蠕变在控制和应用中 有待解决。2 . 压电驱动器要求的激励信号为高电压、低电 流，其自 身的容性特征需要设计特殊的控制电路。3 . 如何提高压电驱动器的频率响应。4 . 新型压电 驱动器的机械结构设计。由于压电陶瓷自 身的物理特性导致在控制中的可控性和重复定位存在一定难度， 又由于充放电 路的影响， 压电驱动器的瞬态响应速度变慢。因此 为了 更好的发挥压电驱动器的物理性能， 需要从以上几个方面进行更加深入 的
