压电微定位系统的设计研究

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随着科学技术的不断发展,人类对自然界的认识与研究已从宏观世界逐步深入到微观领域。例如在光电监测仪器,精密的机械加工,生物工程等定位操作要求高的应用中,对定位系统的精度要求越来越高,相应的对系统的动态性能和稳定性也有了较高的要求。由于传统的微定位机构存在着较大惯性、响应速度慢、结构复杂、稳定性差等缺点。而压电陶瓷具有体积小、输出力大、位移分辨率高、频响高、无噪声、不发热等优良特性;同时,柔性铰链结构具有无机械摩擦、内部结构紧密、运动平滑、灵敏度高等特性,因此使得以柔性铰链作为导向机构,由压电陶瓷驱动的定位工作台实际工程中被广泛的应用。由于压电陶瓷属于容性负载,并且存在着迟滞、蠕变等特性带来的非线性影响,限制了压电陶瓷的实际应用。针对上述这些情况,本文通过理论与实践相结合的研究手段,首先从微观角度对压电陶瓷的机理进行分析,并对压电陶瓷的特殊性质进行了研究。根据这些特性对压电陶瓷微定位平台进行了整体设计。由于压电陶瓷属于容性负载,为此提出容性负载驱动电源的设计方案,完成了驱动电源的电路设计,它是由高压稳压供电电路、OP07和PA85组成的多级放大电路、放电回路构成,并测试了驱动电源的输出电压范围、输出电压的线性度及电源的动态特性,结果表明该驱动电源具有良好的驱动性能。采用STM32F103控制芯片作为下位机控制器,来完成控制压电工作台、数据采集及其与上位机通信等功能。最后对整个系统建立了数学模型,利用LabVIEW编写上位机控制程序,采用数字PID算法进行控制,通过MATLAB对整个系统进行控制仿真,并进行了实验分析,其结果证明在闭环PID控制下,压电定位平台的非线性与动态性能得到很大的改善,提高了整个系统的定位精度。
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