新型直线压电微电机及宏微驱动控制系统研究

本申请项目为满足电子信息产业等领域的对高精度、大行程驱动电机的需求，针对现有超声电机位置分辨率稳定性差、易出现死区及现有高精度、大行程驱动所采用的电磁电机加微动台构成的机构复杂、体积较大及驱动控制难度大等问题，提出了基于压电转换的具有宏微双重运动功能的新型直线微电机结构积极驱动控制系统，采用理论分析、数值分析、模型试验和定量检测技术相结合及申请者现有的研究成果，研究分析直线电机宏微驱动的新型结构及摩擦驱动的机理，建立含有边界条件的新型直线电机的振子宏微动力学模型，对结构、预压力及螺栓预紧力和驱动电源进行优化设计，使其适于大行程、高分辨率驱动，建立相应的运动参数检测系统，揭示该电机宏微驱动及稳定工作的运动规律；给出该电机宏微驱动及控制的优化设计理论和方法，并以柱形复合振子作为驱动器，创新设计该直线电机结构，实现高分辨率、大行程、精确平稳的驱动与控制。该成果可广泛应用于大行程的高精密定位系统。

为满足电子信息产业等领域的对高精度、大行程驱动电机的需求，针对现有超声电机位置分辨率稳定性、易出现死区及现有高精度、大行程驱动所采用的电磁电机加微动台构成的机构复杂、体积大、驱动控制难度大等问题。提出了基于压电转换的具有宏微双重运动功能的新型直线微电机，开展的研究内容如下：新型直线电机宏微摩擦驱动的机理、动力学建模与有限元计算、电机结构、预压力及螺栓预紧力的优化设计、宏微驱动电源设计与仿真、运动参数检测以及宏微驱动的伺服控制。通过研究搞清了电机各环节之间的内在动作机制及相互联系，明确了其运动机理，建立了直线电机的动力学有限元模型，并结合有限元软件，编制出相应的分析计算程序，得到了定子的结构形式、尺寸及定、动子之间预压力等对于该型电机推力的影响规律。分别采用压电叠堆和钹型复合压电叠堆为驱动单元，实现轴向位移的一次放大，再通过弹性拨齿的柔性铰链结构将钹型压电叠堆输出的微位移二次放大，优化设计了该电机的新型结构。以DSP28335为主控芯片，设计出了可同时调节、控制两相电压相位差、幅值、频率，并且产生不同脉冲组合的驱动电源，加上一套提前补偿算法，实现了宏、微驱动的无缝切换。以非接触式光栅尺外加电容式微位移传感器构建出宏微驱动的运动参数检测系统，并通过试验测试得到新型宏微驱动直线电机移动速度、跟踪定位精度及电机效率随驱动电压幅值、相位差及频率的变化规律；采用模糊自适应增量式PID控制策略对控制系统修正调节，结合多种控制手段，消除该电机的非线性，得到了较好的稳态性、跟踪的精确性、动态响应的快速性及对系统参数变化和不确定干扰的鲁棒性。高精度直线电机及其控制系统是自动化工艺装备等领域的重要基础部件，开发和生产具有我国自主知识产权及市场竞争力的新型高精度直线电机及其伺服控制系统，对于提高我国电子信息产业、医疗、化学分析设备的研发水平，提升我国产业在国际产业分工体系中的地位意义重大。