基于直线超声电机仿三维运动平台驱动控制系统的研究

摘要

本课题的来源于2009年国家自然科学广东联合基金重点项目“精密电子制造装备关键理论与技术研究”（基金号：U0934004）。
　　为了提升我国先进装备制造水平，缩短与发达国家间的差距，研制具有自主知识产权，定位精度高的新型大行程压电微型运动平台系统具有重要的现实意义。
　　直线超声电机利用压电陶瓷材料的逆压电效应，将压电材料的微观形变转化为弹性体的微幅超声振动，再通过定子和动子之间的摩擦作用，转换成动子的宏观直线运动，从而直接推动负载，它不需要转换机构就能产生直线运动、具有结构简单、响应快、断电自锁和分辨率高等优点。可替代原有电磁电机，作为高精度定位的运动平台驱动装置。
　　本文以双变幅杆V形直线超声电机为驱动部件，设计了基于直线超声电机仿三维运动平台驱动与控制系统。该平台由三架一维运动平台叠加而成。驱动控制系统精确控制电机，实现平台在三个方向上的精确运动。
　　驱动控制系统以TI公司的TMS320F28335浮点DSP处理器为核心，配以CPLD等外围接口器件和超声电机驱动器，以光电编码器信号作为电机位置反馈，组成了一个闭环的控制系统。在上位机管控下，依靠运动平台位置的实时采集和反馈信息，实现对运动平台的精确位置和速度控制。本项目研制的驱动控制器集成在一个控制盒内，使其具有较好的灵活性和便携性。
　　在构建了驱动控制器硬件的基础上，本文开展对运动平台的驱动控制算法的研究。测试了该平台控制的位移分辨率，研究了使用了PID控制及步进逼近的方法提高平台定位精度的途径。实验结果表明，在分辨率为0.5μm/count的光栅尺下，驱动控制系统能够有效地控制运动平台的在下x，y，z三个方向的运动，其运动行程80mm×80mm×30mm，位置达分辨率100nm，控制精度2μm。该平台能够作为微操作手，用于生物医学工程等领域。

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图表清单

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外运动平台的研究概况

1.3直线超声电机运动平台精确定位的条件

1.4 课题意义、研究内容及章节安排

第二章 直线超声电机运动平台系统概述

2.1 引言

2.2 直线超声电机运动平台的总体结构

2.3 直线超声电机运动平台的机械结构

2.4 直线超声电机运动平台的驱动控制部分

2.5 本章小结

第三章 运动平台驱动控制系统的硬件设计

3.1 引言

3.2驱动控制系统各单元概述

3.3 控制器的硬件原理图设计

3.4控制器的PCB图设计及硬件调试

3.5 本章小结

第四章 直线超声电机驱动控制系统的软件设计

4.1 引言

4.2 控制器软件的具体设计

4.3 上位机通信界面

4.4 本章小结

第五章 数据分析与实验研究

5.1 引言

5.2 平台运动实验测试环境

5.3 开环步进及连续运动

5.4 闭环连续运动

5.5 自动寻零及位置保持实验

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文