基于压电陶瓷驱动的精密偏转定位技术研究

论文摘要

卫星激光通信是以激光为传输媒介,在卫星之间建立光通信链路,实现数据传输的技术,是当今空间通信重点发展方向。在卫星激光通信中,捕获、瞄准及跟踪(APT)技术是最为关键的技术之一,而在APT系统中,精密偏转定位技术是核心技术之一,它直接决定了通信链路能否建立以及通信系统的性能。本课题以卫星精瞄偏转定位技术为应用背景,在分析国内外精密偏转定位技术发展现状的基础上,对其中的关键技术进行了研究,包括精密偏转结构设计、精密偏转结构力学建模与有限元分析、压电陶瓷驱动控制技术等方面,并建立了精密偏转定位实验系统,进行了相关实验研究。针对精密偏转定位系统的特点和要求,提出了系统设计方案,偏转机构采用3点驱动方式,以压电陶瓷为驱动元件,以压电陶瓷内置应变片为传感器,通过柔性铰链的弹性变形实现反射镜面的偏转运动。该机构结构紧凑,实现无摩擦、无间隙的传动和高精度、高动态响应的偏转输出。对精密偏转定位机构进行了力学分析和尺寸优化。在求得柔性铰链结构单元刚度的基础上,通过单元刚度矩阵集成得到柔性铰链结构的总刚度矩阵,并建立了机构的振动微分方程,得到机构固有频率的一般解析表达式。运用有限元分析方法,对偏转机构在偏转姿态下反射镜面的扭曲变形进行建模,得到镜面平面度与相关结构参数的关系。在此基础上,对尺寸参数进行优选,以满足固有频率和扭曲变形要求。针对压电陶瓷驱动和系统闭环控制的要求,对驱动控制系统进行了研究。设计了压电陶瓷驱动器,并运用闭合斜率理论对容性负载下驱动电路的稳定性进行了分析与补偿,实现高精度且稳定的电压输出。设计了嵌入式控制器,编写了相应的控制软件,以DSP为主处理器,实现实时闭环控制。最后,在所设计的压电陶瓷驱动控制系统基础上,设计了性能测试实验,对其静态和动态性能进行了实验研究。结合精密偏转定位机构,设计了偏转定位控制系统实验,给出了性能指标。实验结果表明,所设计的精密偏转定位控制系统具有较好的静态偏转输出特性和动态跟踪特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外相关技术研究现状
• 1.2.1 精密偏转定位机构研究综述
• 1.2.2 压电陶瓷驱动控制系统研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 精密偏转定位机构设计
• 2.1 引言
• 2.2 精密偏转定位机构总体方案设计
• 2.3 驱动结构方案与驱动元件选择
• 2.3.1 驱动结构方案确定
• 2.3.2 驱动元件的选择
• 2.4 柔性铰链传动导向机构设计
• 2.5 精密偏转机构设计
• 2.6 本章小结
• 第3章 精密偏转机构力学建模与尺寸优选
• 3.1 引言
• 3.2 精密偏转机构力学建模及固有频率计算
• 3.2.1 圆弧形杆力学建模
• 3.2.2 柔性铰链刚度矩阵建立
• 3.2.3 精密偏转定位机构固有频率计算
• 3.3 镜面扭曲变形分析
• 3.4 偏转机构结构参数优选
• 3.5 本章小结
• 第4章 压电陶瓷驱动控制系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 驱动控制系统总体设计
• 4.3 驱动器设计
• 4.3.1 驱动器设计及器件选择
• 4.3.2 驱动器稳定分析与补偿
• 4.3.3 驱动器实现
• 4.4 控制器设计
• 4.4.1 控制器硬件设计
• 4.4.2 控制器嵌入式软件设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 系统实验及分析
• 5.1 引言
• 5.2 驱动控制系统输出特性测试实验
• 5.2.1 静态输出特性测试实验
• 5.2.2 动态输出特性测试实验
• 5.3 精密偏转定位系统性能测试
• 5.3.1 闭环控制方法
• 5.3.2 精密偏转定位系统静态实验
• 5.3.3 精密偏转定位系统动态实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1 驱动器电路原理图
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢