压电陶瓷驱动器多轴耦合滞环动力学建模研究

摘要

近几十年来，压电陶瓷驱动器作为定位平台在扫描隧道显微镜，原子力显微镜，微型机器人手臂等微/纳米测量以及制造领域得到了广泛的应用。压电陶瓷材料的逆压电特性赋予了其良好的电–位移特性，在高精度定位过程中有着传统伺服电机无法比拟的优势。但与此同时，压电陶瓷材料内部存在着磁滞，蠕变等复杂的非线性特性，在多轴平台中，轴与轴间也存在着复杂的耦合非线性，而且，对于高频运动过程，压电陶瓷平台的振动特性也会对运动精度产生影响。如何抑制这些复杂特性已成为一个亟待解决的问题。
　　本文以多轴压电陶瓷驱动平台P-563.3CD为研究对象，搭建了一套压电陶瓷驱动平台实验系统，基于系统探索了驱动平台在开环工作条件下的磁滞滞环，蠕变，振动以及双轴的交叉耦合特性。值得指出的是，通过实验分析，本文揭示了压电陶瓷驱动平台双轴交叉耦合现象与X-Y轴相对空间位置变量间的时/空特性，即时/空交叉耦合特性。以Y轴对X轴的影响为例，向Y轴输入一恒定正弦激励信号，在不同X-Y轴相对空间位置处可以测得X轴的时/空交叉耦合数据。经过分析，在不同的空间位置，平台的交叉耦合现象展示出了不同的时/空动力学特性。
　　随后，针对压电陶瓷平台单轴的磁滞滞环特性，本文将具有静态非线性模块与动态线性模块串联结构的集中参数Hammerstein模型应用到压电陶瓷驱动平台单轴磁滞滞环建模过程中，并基于奇异值分解（SVD）参数辨识方法对模型参数进行辨识。针对压电陶瓷驱动平台双轴联动情况下的时/空交叉耦合特性，本文进一步提出了分布参数Hammerstein模型，即将X-Y轴相对空间位置变量引入到集中参数Hammerstein模型中，揭示了时/空交叉耦合特性与X-Y轴相对空间位置的机理，同时对所提出模型的收敛性进行了数学证明。
　　最后，本文设计了大量验证实验，对所提出的集中参数Hammerstein模型与分布参数Hammerstein模型进行实验验证，其建模误差分别低于3%和8%，展示出良好的建模效果。同时与广泛使用的Bouc-Wen模型和Preisach模型作对比，其建模精度分别提升65%和60%，进一步阐明了所提出模型的优越性。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目的及内容

1.4 论文结构安排

2 实验系统搭建及驱动平台性能测试

2.1 引言

2.2 压电陶瓷驱动平台实验系统搭建

2.3 压电陶瓷驱动平台性能分析

2.4 本章小结

3 压电陶瓷驱动平台单轴动力学建模

3.1 引言

3.2 幅频特性线性动力学模型辨识

3.3 集中参数Hammerstein模型的磁滞滞环建模

3.4 集中参数Hammerstein模型实验验证

3.5 本章小结

4 压电陶瓷驱动平台双轴时/空交叉耦合建模

4.1 引言

4.2 时/空交叉耦合现象

4.3 分布参数Hammerstein模型时/空交叉耦合建模

4.4 分布参数Hammerstein模型收敛性证明

4.5 分布参数Hammerstein模型实验验证

4.6 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表论文目录