基于压电驱动的多自由度微操纵平台及其测控技术的研究

论文摘要

为了满足微纳技术和生物医学技术对微操纵技术的强烈需求,本文开展基于压电驱动的多自由度微操纵平台及其测控技术的研究。完成了五自由度微操纵平台机械本体的设计,并对压电陶瓷迟滞非线性特征进行建模研究,同时,采用模块化设计策略,以PXI总线为信息传输桥梁,DSP+FPGA为中心测控单元,开发了一种高性能数字式多通道控制器。在此基础上,将各部分进行系统集成,实现了一套基于压电驱动的多自由度微操纵平台原型样机,实验研究证实了所研发技术和平台的可行性和有效性。具体工作包括：第一章,论述了开展高精度多自由度微操纵系统研究的重要意义,对基于压电驱动的多自由度微操纵系统及其相关技术研究现状和发展趋势进行了系统概述,为后续研究指明了方向,并规划本论文的研究内容及章节安排。第二章,在完成二维和三维微运动平台机械结构的基础上,构建了五自由度微操纵平台本体,对平台的基本结构和工作原理进行了介绍,重点考察了所设计平台的静、动态特性,并利用有限元分析证实了采用方案的可行性。第三章,在对各类压电陶瓷迟滞非线性建模技术比较的基础上,将双线性插值算法、BP神经网络算法和支持向量机回归算法融入到Preisach模型中,并开展仿真与实验研究,实现对压电驱动器的有效控制。第四章,针对上述微操纵平台本体的特点,开展了相关测控技术的研究。采用模块化的设计策略,以PXI总线为信息传输桥梁,DSP+FPGA为中心测控单元,开发了一种基于PXI总线的高性能数字式多通道微操纵平台控制器。第五章,集成研发了一套基于压电驱动的多自由度微操纵平台原型样机,开展了实验研究,证实了本文技术及平台的可行性和有效性。第六章,总结了本文所取得的研究成果,并展望了今后的研究工作。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 本文研究的重要意义
• 1.2 微操纵系统相关技术的研究现状及其发展趋势
• 1.2.1 基于柔性铰链微操纵机械本体的广泛应用
• 1.2.2 压电致动器成为主流的运动驱动元件
• 1.2.3 高性能测控技术应用的日益深入
• 1.3 本论文的研究内容及章节安排
• 第二章 多自由度微操纵平台本体设计及其模型建立
• 2.1 引言
• 2.2 多自由度微操纵平台总体方案设计
• 2.3 多自由度微操纵平台本体设计
• 2.3.1 二维平台本体设计
• 2.3.2 三维平台本体设计
• 2.4 多自由度微操纵平台本体特性分析
• 2.4.1 静态特性分析
• 2.4.2 动态特性分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 压电陶瓷致动器迟滞非线性Preisach建模技术的研究
• 3.1 引言
• 3.2 压电陶瓷致动器迟滞非线性Preisach建模技术
• 3.3 Preisach模型的深化实现
• 3.3.1 基于双线性插值的Preisach模型
• 3.3.2 基于BP神经网络的Preisach模型
• 3.3.3 基于支持向量机的Preisach模型
• 3.4 仿真与实验研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 微操纵平台测控及驱动技术的研究
• 4.1 引言
• 4.2 系统总体方案设计
• 4.3 基于PXI总线的测控模块设计
• 4.3.1 总体方案设计
• 4.3.2 关键技术研究
• 4.4 功率放大模块设计及压电陶瓷驱动器选取
• 4.4.1 功率放大模块
• 4.4.2 压电陶瓷致动器
• 4.5 电压调理模块的研究
• 4.6 测控软件系统的开发
• 4.7 本章小结
• 第五章 多自由度微操纵平台系统集成及实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 系统集成
• 5.3 平台控制技术研究
• 5.3.1 开环控制
• 5.3.2 闭环控制
• 5.4 平台特性实验
• 5.4.1 阶跃响应实验
• 5.4.2 精密定位实验
• 5.4.3 轨迹跟踪实验
• 5.5 误差分析
• 5.5.1 模型误差
• 5.5.2 控制系统误差
• 5.5.3 测量误差
• 5.5.4 环境误差
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者简历及在校期间所取得的科研成果