宏微双级驱动精密定位系统建模与控制

摘要

随着精密加工技术、微电子工程、生物工程、精密测量等领域的发展，对精密定位平台的要求也逐渐提高，具体表现在精度更高、行程更大。研究高精度、大行程的定位平台具有着重要的意义和实际的需求。
　　单级驱动精密定位平台可以分为两类:采用压电陶瓷或者音圈电机作为驱动机构的定位平台，具有精度高、响应快的优点，但是行程短。采用电机和滚轴丝杠结合方式的定位平台，能够达到较大行程，但是定位精度有限。为了满足大行程和高精度的定位要求，采用宏微双级驱动思想，研制出一种波纹管和音圈电机双级驱动的高精密定位平台。
　　首先，提出双级驱动定位平台的整体方案，并设计出双级驱动平台的机械结构。定位平台由波纹管驱动的宏动平台和音圈电机驱动的微动平台构成，分别对宏动平台和微动平台的组成进行了分析。提出了宏微双级驱动的控制策略，并建立了宏微双级驱动的动力学模型。
　　其次，研究波纹管的静态特性，分析波纹管、电气比例阀、驱动平台的动力学模型，建立了波纹管驱动的宏动平台的数学模型。研究了宏动平台的控制算法，采用PID闭环控制实现高精度定位。分析了音圈电机的工作原理，针对音圈电机的电平衡方程和力平衡方程建立了音圈电机的数学模型。对音圈电机的驱动技术进行研究，设计了音圈电机驱动器。研究微动平台的控制策略，采用带前馈的双闭环控制。为了进一步提高系统的定位精度，文中最后建立了基于神经网络的微动平台迟滞模型，仿真结果表明该迟滞模型定位精度优于PID仿真结果。
　　最后，构建测试平台实验平台，设计了上下位机结合的控制策略。上位机采用LabVIEW设计出友好的人机交互界面，下位机采用STM32对系统进行控制，中间通过串口通信来传输数据。实验结果表明了宏微双级驱动定位平台可以实现大行程高精度的定位需求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 大行程定位平台的研究现状及分析

1．2．1 高精密定位技术的研究

1．2．2 音圈电机微动平台的研究现状

1．2．3 大行程定位平台的研究现状

1．3 研究的意义

1．4 主要研究内容

第2章 大行程双级驱动定位平台方案设计

2．1 双级驱动定位平台总体设计

2．1．1 宏动平台构成

2．1．2 微动平台构成

2．2 双级驱动定位平台的控制原理

2．3 本章小结

第3章 波纹管宏动平台的建模和控制

3．1 波纹管定位平台建模分析

3．3 宏动平台的控制方法研究

3．4 PID控制及仿真

3．4．1 PID控制器的基本原理

3．4．2 宏动平台PID建模仿真

3．5 本章小结

第4章 音圈电机驱动微动平台的建模分析

4．1 音圈电机及建模分析

4．1．1 音圈电机的工作原理

4．1．2 音圈电机建模

4．2 音圈电机驱动的微动台建模分析

4．2．1 控制系统

4．2．2 音圈电机驱动的微动台的电流环设计

4．2．3 音圈电机驱动微动台的位置设计

4．3 本章小结

第5章 微动平台的闭环控制系统

5．1 音圈电机闭环控制系统

5．2 音圈电机驱动技术

5．2．1 双极性PWM驱动技术

5．2．2 双极性H桥的脉动电流研究

5．3 驱动板主要部分的介绍

5．3．1 MOS管的选择

5．3．2 驱动电路

5．3．3 电流采样信号处理和过流保护环节

5．4 控制系统的软件设计

5．4．1 软件主程序设计

5．4．2 前馈控制算法的实现

5．5 LABVIEW的上位机软件

5．5．1 LabVIEW软件和虚拟仪器的介绍

5．5．2 LabVIEW串口的使用

5．5．3 LabVIEW生产者消费者模式的思想

5．6 本章小结

第6章 双级驱动定位平台的实验研究

6．1 波纹管驱动定位平台实验研究

6．1．1 波纹管驱动定位平台实验系统搭建

6．1．2 宏动平台行程测试

6．1．3 宏动定位平台精度测试

6．2 音圈电机定位平台实验系统研究

6．2．1 音圈电机定位测试平台搭建

6．2．2 音圈电机定位实验

6．3 微动平台迟滞模型

6．3．1 激励函数的改进

6．3．2 神经网络的结构

6．3．3 学习算法的确定

6．3．4 实验与分析

6．4 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作

致谢