基于三角放大箝位的压电蠕动直线驱动器研究

摘要

蠕动式压电驱动器具有驱动力大、速度低和定位精度较高的特点，被广泛应用于微驱动平台和扫描电镜等设备中。随着航天工程的快速发展，一些特殊功用的航天飞行器需要低速直线、无电磁干扰的驱动装置。因此，蠕动式压电驱动器满足上述工作环境的要求。目前，蠕动式压电驱动器多为通电箝位型，负载定位需保持通电状态，而且现有的驱动电源体积和重量较大，使其在航天飞行器上的应用受到限制。为减小驱动器重量和功耗，研制蠕动式断电箝位直线压电驱动器及其专用驱动电源对航天飞行器中长期工作的设备具有重要的理论和实际意义。
　　本文基于蠕动式驱动原理，提出了一款蠕动式断电箝位直线压电驱动器及其设计原则，阐述了其工作原理，研制出驱动器结构，该驱动器主要由驱动箝位体、保持箝位体、驱动体和导轨等组成，其特征在于箝位体采用三角放大机构，增加了箝位压电叠堆的输出位移，提高了对导轨的松开程度。基于能量法建立了驱动体和箝位体的固有频率模型。提出了压电叠堆主动弹簧模型，建立了驱动体和箝位体与压电叠堆的动力耦合关系，揭示了蠕动式压电驱动器的驱动体和箝位体断电过程的响应速度低于驱动过程的响应速度。
　　分别利用解析法和有限元计算了不同结构参数下驱动体和箝位体的等效拉伸刚度和固有频率，得出其变化规律，计算结果验证了驱动器数学模型的可行性，得到了其适用范围，并分析了数学模型和实体建模仿真存在差异的原因。基于驱动器设计原则制定了驱动器设计流程，并利用数学模型设计出原理样机的合理结构参数。利用有限元仿真分析，得到了在预紧力作用下箝位体的压缩变形量，研究了箝位体刚度平衡对箝位体输出位移的影响，提出了刚度平衡的结构方案，计算了平衡刚度值，制作驱动器原理样机。
　　根据驱动器的工作原理和控制策略，研制了蠕动式压电驱动器专用驱动电源，该电源主要由直流调压电路、信号发生电路和斩波电路组成。直流调压电路基于反激逆变电路实现了低压直流至高压直流的连续调节。信号发生电路利用单片机作为信号发生器，驱动半桥斩波电路对反激变换调压电路输出的直流电压斩波。该驱动电源采用开关逆变集中变压，每路信号单独斩波的控制方式，无需工频变压器，使电路简化，具有体积小、质量轻和效率高的优点。
　　搭建了驱动器性能测试系统，实验研究了在箝位体刚度非平衡条件下和平衡条件下驱动器的性能，包括箝位力、空载特性和负载特性等，得出了预紧力对箝位力和驱动器性能的影响规律。在箝位体刚度不平衡时，其两端预紧结构的偏转位移较大，水平位移较小，箝位头对导轨松开程度较低，驱动箝位体和保持箝位体间的剩余箝位力存在干涉效应，使驱动器性能降低；当刚度平衡时，箝位体两端的水平位移和箝位头垂直位移增加，一定程度上弥补了压缩变形，导轨松开程度增加，驱动器性能显著提高。驱动器的最大运行速度为1.49 mm/s，最大驱动力为7N，满足航天飞行器技术要求。

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第1章 绪 论

1.1 课题的来源及意义

1.2 压电驱动器的应用

1.3 压电驱动器分类

1.4 国内外研究现状

1.5 本文主要研究内容

第2章 蠕动式驱动器结构设计及数学建模

2.1 引言

2.2 蠕动式驱动器方案分析

2.3 断电箝位驱动器工作原理

2.4 驱动器结构

2.5 断电箝位蠕动驱动器设计原则及要求

2.6 驱动器固有频率模型

2.7 驱动体和箝位体系统模型

2.8 本章小结

第3章 驱动器结构参数数值模拟

3.1 引言

3.2 驱动体结构参数数值模拟

3.3 箝位体三角放大机构参数数值模拟

3.4 箝位压电叠堆预紧结构数值模拟

3.5 对比分析

3.6 本章小结

第4章 驱动器及其驱动电源研制

4.1 引言

4.2 驱动器设计方法和结构参数设计

4.3 箝位体预紧力和刚度平衡设计

4.4 原理样机的制作

4.5 驱动器专用驱动电源研制

4.6 驱动电源样机实验研究

4.7 本章小结

第5章 驱动器性能实验研究

5.1 引言

5.2 实验系统和实验方案

5.3 箝位体刚度非平衡时驱动器性能实验研究

5.4 箝位体刚度平衡实验研究

5.5 刚度平衡对驱动器性能的影响

5.6 驱动器动态性能分析

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文及其它成果

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