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压电晶片驱动的新型柔性微动平台热-压电-力耦合分析与控制

陈宁  
【摘要】:随着微机电系统和纳米科学技术的飞速发展,作为微纳米运动平台或系统主要组成部分的微智能驱动器、柔顺机构、超/高精度传感器以及高性能控制器,在行程、功能、精度、运动特性及智能化等方面都已得到了极大提升,从而成就了其在高端装备制造、生物医学、光学通讯、航空航天等高科技产业以及交叉学科前沿领域的战略性主导地位。然而,由于以往所采用叠堆型压电陶瓷驱动器或音圈电机与柔性机构构成的微纳米运动平台或系统,多存在整体结构尺寸大、加工及部件成本高、行程小、装配误差大等缺点,因而极大地限制了其在超/高精密加工、超分辨显微生物医学成像、微/纳米操作、空间光通讯、遥感与测量等更具苛刻精度、性能要求技术与装备领域的发展和应用。针对以上诸多限制,本文提出并设计了一种由压电(陶瓷)晶片驱动器驱动的三自由度一体化全柔性薄板型微动平台(简称三自由度柔性压电晶片微动平台),以满足多学科多领域前沿科技对微纳机电系统提出的更小尺寸、更低成本、更大行程等要求。尤其,为传统柔顺微动平台、微/纳操作台以及快速转向反射镜等微纳米运动平台或系统在精密工程领域中的诸多应用限制场景,提供了可行有效的方案。并重点研究了压电晶片驱动器如何通过与能量(如电能和热能)之间的复杂、精准的耦合作用实现柔性压电微动平台优良静/动态特性的科学规律。具体主要研究内容如下:首先,同时考虑了电场和温度场变化引起的热-压电(参数)耦合对单/双层压电晶片驱动器外部弯曲特性的影响,以及微驱动器弯曲时横向变形对内部应力应变分布和中性面位置的影响,进而基于欧拉伯努利梁理论,分别建立了其在热/电载荷及热电载荷复合作用下的静力学挠度输出改进模型和热-压电耦合挠度输出改进模型,并进行了仿真和实验验证。此外,研究了结构尺寸变化对单/双层压电晶片驱动器输出特性的影响,并求得了单层压电晶片驱动器的等效惯性矩,确定了其最大端部挠度输出时的最优厚度比,从而为压电晶片驱动器的优化设计和分析提供了理论支持和依据。其次,提出了一种由压电晶片驱动器驱动且具有更小尺寸、更低成本、更大行程等优点的三自由度一体化全柔性薄板型微动平台,并基于柔度矩阵法,建立了包含其各组成单元结构尺寸及分布位置尺寸参数的热-压电-力耦合静力学输出模型。同时,采用2个四象限位置敏感探测器实现了该柔性压电晶片微动平台的三自由度位姿输出量检测,并分别进行了其在热/电载荷及热电载荷复合作用下的仿真和实验,验证了所建立的热-压电-力耦合静力学输出模型的有效性和准确性。此外,研究了结构尺寸变化对柔性压电晶片微动平台输出行程和固有频率的影响,并确定了该微动平台中心点在限制电压下的三自由度运动范围,从而为此类一体化全柔性薄板型微动平台的设计和优化提供了理论依据和指导。再次,分析了三自由度柔性压电晶片微动平台在微纳米运动过程中的内部热-压电-力耦合影响,确定了其内部各压电晶片驱动器等效形变量与微动平台位姿输出量之间的转换关系,并将该具有分布参数特点的柔性压电晶片微动平台等效为三自由度弹簧-质量-阻尼集中参数系统模型,进而基于拉格朗日第二类方程,建立了该三自由度柔性压电晶片微动平台在热电复合场下的热-压电-力耦合动力学模型。同样,通过仿真和实验验证了所建立动力学模型的有效性和准确性,从而为基于系统数学模型的反馈控制方法研究提供了可用的理论模型。最后,基于已建立的单层压电晶片驱动器热-压电耦合静力学挠度输出改进模型,求得了可将热载荷转化为等效电载荷的热-电转换系数,补偿了因温度变化引起的柔性压电微动平台内部各压电晶片驱动器挠度输出误差,并基于已建立的柔性压电晶片微动平台热-压电-力耦合动力学模型,引入了基于扩张状态观测器的滑模控制方法,最终实现了该三自由度柔性压电晶片微动平台在热电复合场下的高精密位姿解耦伺服控制。


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