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随着各国在空间探索领域的研究深入,卫星激光通信、天线指向调整、精密光学跟踪等先进技术的发展对多自由度精密驱动技术提出了迫切需求。压电驱动与传统电磁驱动相比具有结构简单、响应速度快、分辨力高、抗干扰能力强、断电自锁等诸多优点;因此,基于压电致动的多自由度精密驱动装置成为了研究热点。本文面向精密指向和调姿驱动的实际需求,以球型转子结构的两自由度压电驱动器为基本对象,开展了其机械本体及运动控制系统所涉及的关键问题研究。首先分析了惯性“粘-滑”压电致动原理,从而确定了压电驱动器的激励方案和致动过程。提出了一种弯曲复合型两自由度压电振子基本构型,对其进行静力学建模,获得了主要结构参数、材料参数、激励信号幅值对压电振子静态位移的影响规律;并通过ANSYS软件进行有限元仿真,验证了所建静力学模型的准确性。确定了压电振子关键参数并研制了实验样机;利用激光位移传感器测试了振子的输出位移响应,利用阻抗分析仪测试了其等效静态电容。提出了一种球型转子的支承和预紧方案并完成了结构设计;设计驱动器的整体封装方案,最终研制出了球型两自由度压电驱动器实验物理样机。提出了球型转子角位移和输出转矩的测量方案,并分析了预紧状态对压电驱动器输出特性的影响。利用商用E01.A4型功放对其机械输出特性进行了测试,测试结果表明:压电驱动器在频率460Hz时获得了绕X轴和Y轴运动的最大转速分别为0.153rad/s和0.154rad/s;在400Vp-p和1Hz信号激励条件下,最大输出负载转矩超过了4.07mN·m;在分别激励绕X轴和Y轴运动时,其产生的耦合运动比例分别为3.09%和5.74%;此外,压电驱动器绕X轴和Y轴运动的最小位移分辨力分别为2.49μrad和2.52μrad。相关测试结果表明:本文所研制的球型两自由度压电驱动器实现了较高的运动分辨力。根据压电驱动器的静态电容特性、机械输出特性和实验需求,确定了低频高压线性功率放大器的基本设计指标,并对功放进行总体设计和功能模块划分;通过原理分析确定了各功能模块的基本电路结构,利用Multisim软件仿真确定了电路中各个元器件的关键参数,并借助Altium Designer软件完成了PCB设计,进而研制出了各功能模块实物并组装出线性功率放大器整机。进一步对功放整机的输入输出特性行了测试,测试结果表明:功放各通道的放大倍数误差不超过0.3470%,最大零输入响应偏差为0.6726V,在20分钟内的峰峰值电压漂移量不超过0.0355%。这说明了所研制功放具备良好的线性度、低零输入响应偏差和低时飘等性能特征,以及多通道输出、低频线性放大和高压输出的功能特点。此外,与商用E01.A4型功放相比,所研制功放在额定100nF容性负载条件下具有近8倍的输出功率优势。分别测试了所研制功放和商用E01.A4型功放对压电驱动器的上电特性和驱动效果,测试结果表明:使用所研制功放可将驱动器绕X轴和Y轴运动的位移回退量分别降低23.63%和27.82%。这说明了提高功放输出功率对改善惯性式压电驱动器回退特性并提升其输出性能的显著意义。利用所研制的低频高压线性功率放大器,搭建了压电驱动器实验物理样机的运动控制硬件平台;确定了开环和闭环控制程序流程,并利用LabVIEW平台完成了压电驱动器驱动系统和基于参数自整定PID控制算法的位置闭环控制系统建立,开展了闭环点位控制和运动轨迹跟踪特性测试。测试结果表明:球型两自由度压电驱动器在目标位移值为30000μrad时,绕X轴和Y轴的闭环定位误差分别为23.48μrad和13.20μrad;当压电驱动器跟踪幅值为30000μrad、频率为0.2Hz的正弦运动时,绕X轴和Y轴闭环正弦运动轨迹跟踪的相对误差分别为4.98%和4.83%。相关测试结果充分表明:本文所研制的球型两自由度压电驱动器及其运动控制系统具备了在精密指向和调姿机构中应用的潜力。此外,所研制的压电驱动器与现有多自由度压电驱动器相比还具备显著的高运动分辨力优势。