新型直線壓電微電機及宏微驅動控制系統研究

《新型直線壓電微電機及宏微驅動控制系統研究》是依託華南農業大學，由張鐵民擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：新型直線壓電微電機及宏微驅動控制系統研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張鐵民
• 依託單位：華南農業大學

項目摘要

本申請項目為滿足電子信息產業等領域的對高精度、大行程驅動電機的需求，針對現有超聲電機位置解析度穩定性差、易出現死區及現有高精度、大行程驅動所採用的電磁電機加微動台構成的機構複雜、體積較大及驅動控制難度大等問題，提出了基於壓電轉換的具有宏微雙重運動功能的新型直線微電機結構積極驅動控制系統，採用理論分析、數值分析、模型試驗和定量檢測技術相結合及申請者現有的研究成果，研究分析直線電機宏微驅動的新型結構及摩擦驅動的機理，建立含有邊界條件的新型直線電機的振子宏微動力學模型，對結構、預壓力及螺栓預緊力和驅動電源進行最佳化設計，使其適於大行程、高解析度驅動，建立相應的運動參數檢測系統，揭示該電機宏微驅動及穩定工作的運動規律；給出該電機宏微驅動及控制的最佳化設計理論和方法，並以柱形複合振子作為驅動器，創新設計該直線電機結構，實現高解析度、大行程、精確平穩的驅動與控制。該成果可廣泛套用於大行程的高精密定位系統。

結題摘要

為滿足電子信息產業等領域的對高精度、大行程驅動電機的需求，針對現有超聲電機位置解析度穩定性、易出現死區及現有高精度、大行程驅動所採用的電磁電機加微動台構成的機構複雜、體積大、驅動控制難度大等問題。提出了基於壓電轉換的具有宏微雙重運動功能的新型直線微電機，開展的研究內容如下：新型直線電機宏微摩擦驅動的機理、動力學建模與有限元計算、電機結構、預壓力及螺栓預緊力的最佳化設計、宏微驅動電源設計與仿真、運動參數檢測以及宏微驅動的伺服控制。通過研究搞清了電機各環節之間的內在動作機制及相互聯繫，明確了其運動機理，建立了直線電機的動力學有限元模型，並結合有限元軟體，編制出相應的分析計算程式，得到了定子的結構形式、尺寸及定、動子之間預壓力等對於該型電機推力的影響規律。分別採用壓電疊堆和鈸型複合壓電疊堆為驅動單元，實現軸向位移的一次放大，再通過彈性撥齒的柔性鉸鏈結構將鈸型壓電疊堆輸出的微位移二次放大，最佳化設計了該電機的新型結構。以DSP28335為主控晶片，設計出了可同時調節、控制兩相電壓相位差、幅值、頻率，並且產生不同脈衝組合的驅動電源，加上一套提前補償算法，實現了宏、微驅動的無縫切換。以非接觸式光柵尺外加電容式微位移感測器構建出宏微驅動的運動參數檢測系統，並通過試驗測試得到新型宏微驅動直線電機移動速度、跟蹤定位精度及電機效率隨驅動電壓幅值、相位差及頻率的變化規律；採用模糊自適應增量式PID控制策略對控制系統修正調節，結合多種控制手段，消除該電機的非線性，得到了較好的穩態性、跟蹤的精確性、動態回響的快速性及對系統參數變化和不確定干擾的魯棒性。高精度直線電機及其控制系統是自動化工藝裝備等領域的重要基礎部件，開發和生產具有我國自主智慧財產權及市場競爭力的新型高精度直線電機及其伺服控制系統，對於提高我國電子信息產業、醫療、化學分析設備的研發水平，提升我國產業在國際產業分工體系中的地位意義重大。