尺蠖型压电驱动器的闭环控制
第16卷 第9期2008年9月
光学精密工程
O pt ics and Precision Eng ineering
V ol.16 N o.9 Sep.2008
收稿日期:2008-03-11;修订日期:2008-04-22.
基金项目:国家863高技术研究发展计划资助项目(N o.2002A A423150);国家自然科学基金资助项目(N o.
50475010);高等学校博士点专项科研基金资助项目(N o.20050183020)
文章编号 1004-924X(2008)09-1727-05
尺蠖型压电驱动器的闭环控制
赵宏伟,杨志刚,范尊强,张志宇,吴博达,程光明
(吉林大学机械科学与工程学院,吉林长春130025)
摘要:针对尺蠖型压电驱动器的输出特性,提出了利用驱动电压与输出位移分段线性拟合曲线,逐步/搜索0驱动电压值,从而逼近目标位置的闭环控制方法。分析了控制方法的可行性,针对该方法,构建了闭环控制实验系统,对该方法进行了实验验证。实验结果表明,采用该方法可以实现对尺蠖型压电驱动器的闭环精确控制,系统闭环定位误差低于0.18L rad,定位精度比开环工作提高了14.4%。该方法具有控制精度较高、响应迅速、易于实现等优点。关 键 词:压电驱动器;尺蠖运动;精密定位;闭环控制中图分类号:T N384 文献标识码:A
Close -loop control of inchworm -type piezoelectric actuator
ZH AO Hong -wei,YANG Zh-i gang,FAN Zun -qiang,ZH ANG Zh-i yu,WU Bo -da,CHENG Guang -ming (College of Mechanical Science and T echnology ,J ilin Univer sity ,Changchun 130025,China)Abstract:Accor ding to the output performance of inchw orm -type piezoelectric actuato r,a novel close -loop contr ol m ethod based on the subsectio n ex periential equation betw een actuating v oltage and co r -r espo nding stepping m otio n displacement w as pro posed.Via the method,the co ntro l system co uld search for the optim al actuating voltage step by step so as to approach to the target position.A exper-i m ent o n the closed -lo op system o f the inchw orm -type piezoelectric ro tary actuator w as car ried on.The ex perimental results show that the novel method can control the actuator for precisio n positioning in closed -loop m ode,and the positioning error o f the actuator system in clo se -lo op mode is 0.18L rad,w hich is impr oved by 14.4%as co mpared to that of the open -loo p w orking mo de.T he co ntro l method has the advantag es of high accuracy ,quick response and so on.
Key words:piezo electric actuato r;inchw orm m otio n;precision positioning ;close -loo p control
1 引 言
尺蠖型压电驱动器(压电步进驱动器)在实际工作中受温度变化、环境振动及压电元件自身的非线性特性等因素的影响,其定位精度的可控性
变差,因此需要采用适当的手段对其进行闭环控
制,提高其运动的稳定性和运动精度保持性,以满足实际工作的需求。
近年来,针对压电驱动器的闭环控制,研究人员提出了多种方法,这些方法主要针对压电元件的非线性特性(如迟滞特性等)而言,压电叠堆元
件的迟滞特性主要是加载过程与卸载过程(这里将驱动电压视为载荷),其载荷与输出位移曲线不重合。研究人员提出了多种数学模型,如H y ste -r on 模型、Bouc -Wen 模型、Chua -Stro msm oe 模型、Preisach 模型及Dahl 模型等[1-6]
,并利用相应数学模型对压电驱动器进行闭环控制。基于压电元件迟滞特性的这类闭环控制方法较为有效,在某种程度上可以实现对压电元件的精确控制。但是针对尺蠖型压电驱动器,其内部装配了多个压电叠堆元件,各个压电叠堆的作用不同,且每个压电叠堆的预紧状况及自身材料特性都存在微小的差异,此外驱动器系统的工作特性还受到摩擦等多种外界因素的影响[7-8]
,采用上述方法对尺蠖型驱动器进行精确闭环控制,显然是不合适的。
本文借助相应的检测手段,结合尺蠖型驱动器的自身特点,提出一套新的检测方法,以实现对这类驱动器的精确闭环控制。
2 控制策略
以文献[9]开发的尺蠖型压电旋转驱动器闭环控制为例,研究了驱动器闭环控制方法,针对直线驱动器,其控制思想与旋转驱动器类似。图1
为闭环控制的基本思想,工作中根据事先设定的目标位移,选择驱动电压和运动步数,驱动器在规定的驱动信号作用下,完成确定角位移输出,此时驱动器的实际输出被激光测位仪在线拾取,并送入控制系统,控制系统将实际位移同目标位移作比较,进而根据确定的控制规则,再次给尺蠖驱动器相应的控制信号,最终逼近目标位置。
图1 驱动器闭环控制方法
F ig.1 Close -loo p co ntr ol metho d o f actuato r
分析图2的测试结果可以发现,尺蠖型驱动器输出的单步位移与相应驱动电压值之间具有一定的规律:就旋转驱动器而言,各组压电叠堆元件经过预紧调整后,工作状态较为稳定。在驱动电压较高的情况下(>20V),转子的单步旋转角度
近似为驱动电压的线性函数,参见图2中拟合曲
线的实线部分,其拟合方程的线性相关系数R 2为0.9986,接近于1,说明各组曲线线性关系很
好。当驱动电压值较低时(<20V),同样近似满足线性关系,参见图2中拟合曲线的虚线部分,即应有
[7]
:
$H =N U +H 0,
式中:$H 为转子单步输出转角(L rad );N 为拟和方程的斜率(L rad/V );U 为驱动电压(V );H 0为拟和方程的截距(L rad).
图2 驱动电压-输出位移的分段拟合曲线Fig.2 Cur ve fitting of actuating voltage and displacement
针对上述规律,结合相应的检测手段,逐步搜索合理的驱动电压值,可以实现对尺蠖型驱动器的闭环控制。而为了达到上述目的,经验拟合方程的求取成为关键。在每一次工作中,驱动器开机后都要进行自检,这里所谓的自检,就是在线测定驱动电压值与对应输出步距,并针对测得的结果根据最小二乘法等拟合算法进行线性拟合,从而得到上述分段线性拟合方程的各参数;当不断积累实测值的拟合曲线对应的截距与斜率的偏差率发生剧烈跳跃并超过设定值时,系统便自动为拟合曲线分段。根据驱动器的工作情况,同时为了减少运算时间,将拟合曲线人为分为两段:驱动电压20~100V 为一段、最小驱动电压~20V 为另一段。驱动器处于不同的工作环境,其性能可能会有微小的差异,因此上述测定的数据中,分段拟合方程的各参数和最小驱动电压及对应的运动分辨率是自检过程的关键。经过仔细调整后的驱动器,其驱动电压与输出位移间具有很好的可重复性规律。
综合上述分析,由于采用闭环控制方法,位移信号会被实时反馈给驱动器控制系统,因此,可以不考虑压电元件和机械系统自身的非线性因素,
1728
光学 精密工程
第16卷
将控制模型充分简化,提高控制系统运算速度,保证响应的及时性和准确性。
利用尺蠖型驱动器输出单步位移与相应驱动电压值之间分段线性拟合曲线,根据得到的经验拟合方程逐步/搜索0,提取合适的驱动电压值,根据当前位置距离目标位置的差值自动调整驱动器输出的单步位移,实现驱动器的精确闭环控制。图2描述了该方法的基本思想:根据自检过程中得到的分段经验线性拟合方程,针对高于驱动器运动分辨率的任意位移差值,理论上都可以找到一个合适的驱动电压值,并控制驱动器通过运行一步(或多步)从而不断逼近目标位置;为了保证系统的响应速度,闭环控制中首先从分段拟合曲线的高电压段进行/搜索0,当高电压段搜索完毕
后,再切换到相应的低电压段,依此类推,通过控制算法的反复迭代,直至搜索到满足要求的驱动电压值。
控制方法确定后,要根据激光测位仪的测试量程确定闭环测试中转子的目标位移,本文采用的LC2400型激光测位仪可测试线位移量程为? 500L m,设定测量标杆上激光测试点距转子回转中心距离为100mm,在可以被激光测位仪拾取位移信号的范围内,转子绕中心位置可回转?|H| =?0.005rad(?5000L rad),因此在进行实验测试的时候,要充分考虑这个因素,以避免实验测试中,由于无法拾取位移信号而导致控制系统陷入无休止的死循环甚至崩溃。根据经验拟合方程,以驱动电压值从高到低顺序进行精细"搜索",逐级设定驱动电压,最后根据位移差尽可能以最小分辨率对应的驱动电压进行扫描搜索,直至最接近目标位移的位置。
3控制方法
针对上述控制方法,构建的尺蠖型压电旋转驱动器控制系统如图3所示。PC机作为整个闭环控制系统的核心,要读取激光测位仪测得的当前位移值,在线转换成转子转过的角度,还要根据转子当前转过的角度计算与目标位移间的差值,并根据分段经验拟合方程计算接下来的驱动电压对应的步距,并将两者做比较,从而/搜索0出下一个驱动过程合适的驱动电压值及对应的运动步
数;最后将控制指令经D/A转化,通过COM接口直接传送给驱动器电源控制器,实现对尺蠖型压电驱动器的连续闭环控制。控制过程中,PC机发出的数字信号经D/A卡转换成模拟信号并经放大装置进行放大,经放大的各路控制信号直接对驱动器电源控制器进行控制,并按给定的时序对钳位压电叠堆和驱动压电叠堆供电。在控制系统回路中,由于压电陶瓷为电容性器件,为使其实现快速伸缩,必须针对压电叠堆设计出高频放电回路,使压电叠堆在断电时其内部存储的电荷能够迅速释放。系统中安装了激光精密位移测量装置,用于对驱动器转子输出的位移进行实时准确的测量,并送入PC进行详细处理;此外还可通过多功能FFT分析仪对驱动电压波形和精密测位移测得的位移波形进行实时监测。
图3控制系统原理图
Fig.3Pr inciple of contr ol system
针对上述硬件系统的工作原理和闭环控制系统的算法流程和相关数据通讯的接口协议,基于Window s平台采用C/C++程序设计语言编写了驱动器闭环控制系统程序。为了充分保证控制
图4驱动器控制系统工作界面
F ig.4Pr og ram interface of actuato r's co nt rol system
1729
第9期赵宏伟,等:尺蠖型压电驱动器的闭环控制
过程的准确性,数据采集、相应运算及控制指令发送的程序按顺序执行过程编写,根据目前计算机的配置,上述简单的运算不会对控制系统的响应时间造成过大的影响。针对上述控制系统,所开发的控制程序具有对尺蠖型驱动器进行开环控制和闭环控制的双重功能,在开环控制中结合系统设定参数和实验测试结果,能实时计算出驱动器的运行速度和承载能力;在闭环控制方法中,根据实验测定数据在状态栏中可实时读取转子的当前位置。程序界面如图4。
4 实 验
图5是驱动器开环工作状态下的驱动电压与输出位移关系的实验测试曲线。从图5可以看出,驱动器单步输出位移随驱动电压升高而增大,随驱动步数增加而累积增加,但是如不能实现在线寻优调整驱动电压,则无法有效定位到目标位
置。
图5 驱动器开环状态的电压信号与输出特性的关系Fig.5 R elatio nship betw een act uating v oltage and dis -placement in open -loo p mode
采用前述的闭环控制硬件系统和软件程序,对尺蠖型压电旋转驱动器进行了闭环特性的实验测试。在实验测试中,从验证控制方法的有效性出发,为了充分提高实验测试速度,采用驱动器转子向目标位置单侧逼近的方法,不允许转子在目标位置附近往复搜索。驱动器往复运动中会由于各连接系统的间隙导致其存在一定的往复定位误差
[10]
,如果采用转子在目标位置附近往复搜索的
工作方式,可能导致闭环控制过程陷入"死循环"。根据上述规则,对尺蠖型压电旋转驱动器实施闭
环控制,目标位移设定为驱动器动子沿驱动压电
叠堆推力作用方向旋转1500L rad,测试结果如图6示。
图6 驱动器闭环控制实验结果
F ig.6 Ex perimental result of actuato r clo se -loo p co n -t rol
采用驱动电压值与输出位移分段经验拟合方程寻找最佳驱动电压的办法,针对机械结构及装配关系确定的驱动器,其闭环控制具有较好的效果。驱动器在控制系统作用下,连续转动11步逼近目标位置,累计转过角度1499.82L rad,与目标位移1500L rad 差0.18L rad,该差异小于驱动器的旋转分辨率(驱动器运转分辨率为0.206L rad)。相比于开环工作而言,此时驱动器的定位精度提高了14.4%。作为尺蠖型压电驱动器闭环控制方法的初步尝试,上述结果初步证明了该方法的有效性,采用该方法具有编程简单、系统响应速度快等优点。
图7是目标转角为500L rad 时,对驱动器实施闭环控制的实验测试结果。驱动器在控制系统作用下,连续转动5步逼近目标位置,累计转过角
度499.85L rad,与目标位移500L rad 仅差0.15L rad 。
图7 驱动器闭环控制实验结果
Fig.7 Experimental result of actuator close -loop control
由于驱动器运行过程中存在一定的随机因素:如驱动器自检过程与实际闭环控制阶段输出
1730
光学 精密工程
第16卷
步距的差异、分段拟合方程分界电压值的漂移,以及测试系统稳定性和环境温度、震动等,这些都会对控制效果带来或大或小的影响。另外,参照图2,如果控制系统根据经验拟合方程恰巧选定下一步控制电压为12V,此时驱动器转子实际输出位移要高于拟合曲线计算的结果,倘若动子当前位置与目标位置的位移差小于该步转子的输出位移,转子转动中则会出现"跃过"目标位置的情况,导致定位误差增大。因此,在后续工作中要将这类问题充分考虑进去,可采用有效方法实现转子在目标位置附近反复搜索/双侧逼近0的方式;还可采用多项式拟合等算法进一步提高经验拟合方程的准确性,进而有效地提高驱动器闭环控制过程的稳定性和可靠性,为驱动器应用到实际工作中奠定更为坚实的基础。5 结 论
针对控制电源和尺蠖型压电驱动器的工作特点,提出采用驱动电压与输出位移分段线性拟合
曲线,逐步/搜索0驱动电压值,从而逼近目标位置的闭环控制方法,对该方法进行了实验验证。实验结果表明:该方法在可以实现对驱动器的闭环精确控制,系统闭环定位误差低于0.18L rad,相比于开环工作而言定位精度提高了14.4%,并具有控制精度较高、响应迅速等优点,保证了驱动器实际工作中的运动稳定性和定位精度。论文研究工作为压电驱动器在超精密加工、微细操作、精密测试等领域的实际应用奠定了基础。
参考文献:
[1] DO ON G T ,M A Y ERGO YZ I.On numerical implementatio n for hyster esis models[J].I E EE T r ans.M agnetics,
1985,21:1853-1855.
[2] P IN G G E,M U SA J.M o deling hysteresis in piezoceramic actuato rs[J].Pr ecision E ng ineer ing ,1995,17(3):211-221.
[3] ST RA IN P M ,SA IN M K ,A PEN CER B F.M odels for hysteresis and application to structural contro l[C].P ro-ceedings of the A mer ican Contr ol Conf erence ,1997:16-20.
[4] G OL DF AR D M ,CEL AN O VIC N.M odeling piezoelect ric stack actuator s for co ntr ol of micr omanipulatio n[J].
I EEE Co ntr ol Sy s tem M ag az ine,1997,17(3):69-79.
[5] H U H ,M R AD R B.On the classical preisach model for hy ster esis in piezo cer amic actuato rs[J].M echatr onics,
2002,13(2):85-94.
[6] GA L IN AT IS W S,RO GERS R C.Contro l of a hy st er etic actuator using inv erse hysteresis co mpensation [J].
SP I E,1998,3323:267-277.
[7] 赵宏伟,刘建芳,华顺明,等.压电型步进精密旋转驱动器[J].光学精密工程,2005,13(3):305-310.
ZH A O H W,L IU J F,H U A SH M ,et al ..P iezo electr ic -type stepping pr ecision r otar y actuato r[J].Op t.Pr ecision Eng.,2005,13(3):305-310.(in Chinese)
[8] 刘国嵩,赵宏伟,曾平,等.新型压电步进型精密直线驱动器[J].光学精密工程,2005,13(3):291-297.
L IU G S,ZH AO H W ,ZENG P,et al ..N ov el so phist icated stepping linear piezo electric actuator[J].O p t.Pr eci-sion Eng.,2005,13(3):291-297.(in Chinese)
[9] 赵宏伟,吴博达,程光明,等.基于压电驱动的精密步进旋转电机[J].中国电机工程学报,2006,26(10):166-171.
ZH A O H W,WU B D,CH ENG G M ,et al ..Pr ecise stepping r otar y moto r based o n piezo electr ic actuatio n[J].CSEE,2006,26(10):166-171.(in Chinese)
[10] 赵宏伟,吴博达,华顺明,等.一种新型压电旋转驱动器[J].吉林大学学报工学版,2005,35(增):41-44.
Z HA O H W,WU B D,H U A SH M ,et al ..A kind of new -ty pe piezo electric precisio n ro tary actuato r[J].J our nal o f J il in Univ er sity Engineer ing and T echnology Edition ,2005,35(Supp.):41-44.(in Chinese)
作者简介:赵宏伟(1976-),男,工学博士,主要研究方向为超精密加工/纳米力学及其数值解析、微纳驱动控制技术。E -mail:Z hao ho ng w ei_jlu@https://www.wendangku.net/doc/2815276520.html,.
(本栏目编辑 李树军)
1731
第9期
赵宏伟,等:尺蠖型压电驱动器的闭环控制
《驱动电机及控制技术》课程标准-电气自动化专业
《电机驱动技术》课程标准 一、课程基本信息 二、课程定位与作用 （一）课程定位 《电机驱动技术》课程的开设是通过深入企业调研，与专业指导委员会专家共同论证，根据工作任务与职业能力分析，以必须、够用为度，以掌握知识、强化应用、培养技能为重点，以机电一体化相关工作任务为依据设置本课程。 （二）课程的作用 《电机驱动技术》课程是机电一体化专业必修的一门专业核心课程。是在电工电子、电力拖动等课程基础上，开设的一门综合性较强的核心课程，其任务是使学生掌握常用电动机的结构及其控制方法，培养学生对常用电动机的结构原理分析及控制策略的设计能力；对学生进行职业意识培养和职业道德教育，提高学生的综合素质与职业能力，增强学生适应职业变化的能力，为学生职业生涯的发展奠定基础。 三、课程设计理念 《电机驱动技术》课程的设计以生产实际中的具体案例为主，其服务目标是以就业为导向，以能力为本位，以素质为基础。注重实用性，坚持以实为本，避开高深理论推导和内部电路的过细研究，适当降低理论教学的重心，删除与实际工作关系不大的繁冗计算，注重外部特性及连线技能，同时兼顾对学生素质、能力的培养，做到既为后续课程服务，又能直接服务于工程技术应用能力的培养。 四、课程目标 学生通过学习《电机驱动技术》课程，使学生能掌握机电设备常使用的几种电动机--直流电动机、交流感应电动机、交流永磁电动机和开关磁阻电动机的结构、原理及应用以及驱动电动机的结构及其控制方法。熟悉电机调速、分析及控
制。结合生产生活实际，培养学生对所学专业知识的兴趣和爱好，养成自主学习与探究学习的良好习惯，从而能够解决专业技术实际问题，养成良好的工作方法、工作作风和职业道德。 【知识目标】 掌握驱动电机的结构原理及应用，掌握功率变换器电路及其应用技术，驱动电机控制技术及新型电机的结构特点与选用。 【能力目标】 能对对驱动电机各种控制电路进行选择、应用和设计，能够准确描述各种电机控制技术的控制原理及特点，并针对不同电机选用不同的控制方式。 【素质目标】 能整体把握驱动电机及控制技术的应用及在日后的工作中解决实际问题。培养学生实事求是的作风和创新精神，培养学生综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力，培养学生一丝不苟的工作作风和良好的团队协作精神。 五、课程内容设计 根据学院对机电一体化专业人才培养方案的要求，结合就业岗位的技能需求，按照职业教育理念，本课程设计了三个教学项目，具体内容如下：
圆弧形柔性铰链式二维并联压电微动平台的设计【文献综述】
毕业论文文献综述 机械设计制造及其自动化 圆弧形柔性铰链式二维并联压电微动平台的设计 1、前言 以柔性铰链为导向机构的超高精度微动工作台已被广泛用于能束加工、超精密检测、微操作系统等要求具有纳米级定位分辨率的技术领域中。随着纳米技术研究的深入发展, 高分辨率、宽行程、高频响的微动工作台越来越成为研究开发的热点和难点。随着科技的发展, 各类精密、超精密仪器仪表, 如图形发生器、分步重复照相机、光刻机、电子束和X射线及其检测设备等被广泛地应用于科学研究和现实生活中[3~5]。与此同时, 相配套的各类精密、超精密微动平台也应运而生。微动系统一般由微动平台、检测装置、控制系统3 部分组成。 2、微动平台简介 微动平台，或称为微位移机构，是指行程小(一般小于mm 级)、灵敏度和精度高的机构, 它是微动系统的核心。微动工作台主要由微位移驱动器、导轨和输出平台等组成。微位移驱动器直接把输入电压/电流转变成相应的输出位移, 而导轨则把此位移量传递到工作台。 3、压电陶瓷简介 由于压电陶瓷驱动器具有高刚度、高分辨率、无摩擦和磨损以及响应速度快等优点, 因而在纳米级的微定位装置中得到广泛应用。系统采用压电陶瓷微位移驱动器, 它是一种固体器件, 易与电源、位移传感器、微机等实现闭环控制, 无需传动机构, 具有位移精度高, 响应速度快, 功耗低等特点, 被广泛应用于微动平台的设计中。 压电效应的概念最先来源于压电晶体,当此类电介质晶体外加机械载荷时,晶体内部的正负电荷中心发生相对位移而产生极化,导致晶体两端出现符号相反的束缚电荷。反之，如将具有压电效应的电介质晶体置于电场中,由于电场的作用而引起电介质晶体内部正负电荷中心产生相对位移,致使压电晶体发生形变,晶体的这种现象称为逆压电效应。 在工程技术中应用较普遍的是由压电陶瓷材料制作而成的压电元件。通常选用压电常数较大的层叠式压电元件获取微变形,它的线性比较优良,且具有体积小、刚度大、形变相对较大、位移分辨率高和响应迅速的特点。 4、国内外研究现状
新型压电步进型精密直线驱动器
第!"卷!第"期#$$%年&月!!!!!!!!!!!光学精密工程!’()*+,-./012+*,*3.4.5*.221*.5!!!!!!!!6378!"!938"!!: ;.8#$$%!!收稿日期! #$$%<$#<$&"修订日期!#$$%<$=#=O ##$$%$$"<$#>!<$P 新型压电步进型精密直线驱动器 刘国嵩!赵宏伟!曾平!程光明!杨志刚 "吉林大学机械科学与工程学院!吉林长春!"$$#%# 摘要!以压电叠堆为驱动元件&设计了新型的步进型精密直线驱动器’驱动器由于设计了独特的双侧对称箝位结构&可以利用精调斜块准确调整箝位面与动子的配合间隙&同时采用整体加工的柔性结构&保证了工作的稳定性和准确性’应用有限元分析方法对步进型精密直线驱动器进行了力学分析&并进行了大量的试验研究’试验测试结果表明(驱动器的分辨率达到=$.@)行程!?@@) 驱动速度达到&@@*@*.&可牵引!%$5的载荷’ 关!键!词!直线驱动器!压电叠堆!柔性铰链!精密驱动!有限元分析 中图分类号!J B P $"8&"J 9"?=!!文献标识码!R O .;-46.9,1601230->60-991$8 41$-3/91-E .-4-20/12320=30./I Q D A ;3<,3.5&e B R ’B 3.5
驱动电机与控制技术技术试卷(A)
院 年 学期新能源汽车驱动电机技术课程试卷 共 3 页第 1 页题次 一 二 三 四 总分 得分 第一部分.概念辨析模块 请判断下列说法是否正确，正确在括号内画“√”，错误则在括号内画“×” （共25分，每空1分） （ ）1、新能源汽车要求驱动电机体积小、质量轻，具有高可靠性和寿命长。 （ ）2、新能源汽车无需要求驱动电机全速段高效运行。 （ ）3、电机驱动系统一般由电动机、功率变换器、传感器和控制器组成。 （ ）4、直流电机一般具有电刷装置和换向器。 （ ）5、电刷装置的作用是把直流电压、直流电流引入或引出。 （ ）6、磁导率是表示物质导磁性能的参数。 （ ）7、直流电机的工作原理是通电直导线在磁场中受力。 （ ）8、交流异步电机的工作原理是由三相交流电在定子绕组中产生旋转磁场，从而在鼠笼中产生感应电流，从而在磁场中受力。 （ ）9、永磁同步电机的工作原理是通过电子开关电路产生旋转磁场，转子根据磁阻最小的原理进行旋转。 （ ）10、无刷直流电机的工作原理是通过电子开关产生旋转磁场，转子跟随磁场旋转。 （ ）11、开关磁阻电机的工作原理是三相交流电在定子绕组中产生旋转磁场，由永磁铁构成的转子跟随旋转磁场旋转。 （ ）12、直流电机调速性能好，启动转矩大。 （ ）13、直流电机控制复杂，易磨损。 （ ）14、交流异步电机具有高可靠性，制造成本高。 （ ）15、无刷直流电机无换向器和电刷，结构简单牢固，尺寸和质量小，基本免维护。 （ ）16、开关磁阻电机一般定子凸极比转子凸极少两个。 （ ）18、开关磁阻电机的成本相对而言最低。 （ ）19、功率二极管基本结构和工作原理与电子电路中的二极管都是相同的。 （ ）20、占空比指的是电力电子开关的导通时间与开关周期之比。 （ ）21、直流斩波电路只有降压斩波电路。 （ ）22、PWM 整流电路采用脉冲宽度调制控制，能够实现电能双向变换。 （ ）23、轮毂电机结构简单、布置灵活，车辆的空间利用率高，传动系统效率高。 （ ）24、开关磁阻电机的噪音较大。 （ ）25、永磁同步电机和无刷直流电机的转子结构相似，都是由永磁铁组成。 第二部分.基本知识模块 下列题目只有一个正确答案，请选择正确答案并将代码填写在括号里。 （共15分，每题1分） 1.交流异步电机的转速为（ ）r/min 。 A 4000-6000 B 12000-15000 C 4000-10000 D >15000 2.永磁同步电机的转速为（ ）r/min 。 A 4000-6000 B 12000-15000 C 4000-10000 D >15000 3.磁通所通过的路径称为（ ） A 磁感线 B 磁场强度 C 磁路 D 磁阻 4.用于制造永久磁铁和扬声器的磁钢的是（ ）。 A 硬磁材料 B 软磁材料 C 矩磁材料 D 普通材料 5.用于制造计算机中磁存储元件的磁芯、磁棒和磁膜等的是（ ）。 A 硬磁材料 B 软磁材料 C 矩磁材料 D 普通材料 6.用于制造电动机、变压器和继电器的铁芯的是（ ）。 A 硬磁材料 B 软磁材料 C 矩磁材料 D 普通材料 7.右图的电路符号所示为（ ）。 A 功率二极管 B 功率MOSFET C IGBT D GTR 8.功率MOSFET 指的是( )。 系 班 级 姓 名 学 号 命题教师 教研室负责人 系 负责人 试卷类型 A ………………………………………密封线………………………………………密封
步进电机驱动及控制专业技术解答
步进电机驱动及控制技术解答 1.步进电机为什么要配步进电机驱动器才能工作？ 步进电机作为一种控制精密位移及大范围调速专用的电机, 它的旋转是以自身固有的步距角角（转子与定子的机械结构所决定）一步一步运行的, 其特点是每旋转一步，步距角始终不变，能够保持精密准确的位置。所以无论旋转多少次，始终没有积累误差。由于控制方法简单，成本低廉，广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行需要有脉冲分配的功率型电子装置进行驱动, 这就是步进电机驱动器。它接收控制系统发出的脉冲信号，按照步进电机的结构特点，顺序分配脉冲，实现控制角位移、旋转速度、旋转方向、制动加载状态、自由状态。控制系统每发一个脉冲信号, 通过驱动器就能够驱动步进电机旋转一个步距角。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。角位移量与脉冲个数相关。步进电机停止旋转时，能够产生两种状态：制动加载能够产生最大或部分保持转矩（通常称为刹车保持，无需电磁制动或机械制动）及转子处于自由状态（能够被外部推力带动轻松旋转）。步进电机驱动器必须与步进电机的型号相匹配。否则将会损坏步进电机及驱动器。 2.什么是驱动器的细分？运行拍数与步距角是什么关系？ “细分”是针对“步距角”而言的。没有细分状态，控制系统每发一个步进脉冲信号，步进电机就按照整步旋转一个特定的角度。步进电机的参数，都会给出一个步距角的值。如110BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这是步进电机固有步距角。通过步进电机驱动器设置的细分状态，步进电机将会按照细分的步距角旋转位移角度，从而实现更为精密的定位。以110BYG250A电机为例，列表说明： 可以看出，细分数就是指电机运行时的真正步距角是固有步距角(整步）的几分指一。例如，驱动器工作在10细分状态时，其步距角只有步进电机固有步距角的十分之一。当驱动器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，步进电机旋转1.8°；而用细分驱动器工作在10细分状态时，电机只转动了0.18°。其实，细分就是步进电机按照微小的步距角旋转，也就是常说的微步距控制。当然，不同的场合，有不同的控制要求。并不是说，驱动步进电机必须要求细分。有些步进电机的步距角设计为3.6°、7.5°、15°、36°、180°，就是为了加大步距角，以适应特殊的工况条件。细分功能，只由驱动器采用精确控制步进电机的相电流方法，与步进电机的步距角无关，而与步进电机实际工作状态相关。 运行拍数与驱动器细分的关系是：运行拍数指步进电机运行时每转一个齿距所需的脉冲数。例如：110BYG250A电机有50个齿，如果运行拍数设置为160，那么步进电机旋转
变频驱动与控制技术介绍.
变频驱动技术 绪论 以交流(直流电动机为动力拖动各种生产机械的系统我们称之为交流(直流调速系统,也称交流(直流电气拖动系统。变频调速技术是交 流电气传动系统的一种。 目的 根据设备和工艺的要求通过改变电动机速度或输出转矩改变终端设备的速度或输出转矩。 意义 序号意义有代表意义的行业或设备 1节能风机、水泵、注塑机 2提高产品质量机床、印刷、包装等生产线 3改善工作环境电梯、中央空调 注:并不是所有的设备使用调速装置后都可以节能 调速系统构成 中间传动机构 交流电源输入 终端机械 交流电机
直流调速装置 直流输出 皮带轮、齿轮箱等风机、泵等 直流电机 交流调速装置 交流输出 执行机构 变频器 交、直流调速系统的特点 直流调速系统特点: ●控制对象:直流电动机 ●控制原理简单,一种调速方式●性能优良,对硬件要求不高●电机有换向电刷(换向火化●电机设计功率受限 ●电机易损坏,不适应恶劣现场●需定期维护交流调速系统特点: ●控制对象:交流电动机 ●控制原理复杂,有多种调速方式●性能较差,对硬件要求较高 ●电机无电刷,无换向火化问题●电机功率设计不受限 ●电机不易损坏,适应恶劣现场●基本免维护
国内调速技术现状 (1晶闸管交流器和开关断器件(DJT、IGBT、VDMOS斩波器供电的直流调速设备。 随着交流调速的发展,该设备在缩减,但由于我国旧设备改造任务多,以及它在几百至一千多kW范围内价格比交流调速低得多,所以在短期内有一定市场。国产设备能满足需要,部分出口。自行开发的控制器多为模拟控制,近年来主要采用进口数字控制器配国产功率装置。 (2IGBT等逆变器供电的交流变频调速设备。这类设备的市场很大,总容量占的比例不 大,但台数多,增长快,应用范围从单机扩展到全生产线,从简单的V/f控制到高性能的矢量控制。约有50家工厂和公司生产,其中合资企业占很大比重。 (3负载换流式电流型晶闸管逆变器供电的交流变频调速设备。这类产品在抽水蓄水能电
关于压电微型驱动器在微机电系统方面的应用总述
关于压电微型驱动器在微机电系统方面的应用 冯盼盼 （上海大学机械自动化学院精密仪器及机械系上海） 摘要：为了更好的实现压电微型驱动器在微机电系统方向的应用，而进行的有关其结构、工作原理的探讨及其在社会科学领域等各方面的应用和最新进展等的研究。首先介绍了微机械技术的发展，然后说明了压电微型传感器的构造、工作原理以及微机电系统的相关信息，最后着重介绍压电微型驱动器与微机电系统相联系的若干应用，得出结论压电微型驱动器有着与微机电系统相匹配的结构及功能特性，有着广阔的发展前景。 关键词：压电微型驱动器；微机电系统；控制 Application about miniature piezoelectric drives in electromechanical systems FENG Pan-pan （School of Mechatronics Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China） Abstract:In order to better realize the piezoelectric micro drive in the direction of micro-electromechanical systems, and explore about its structure, working principle and its application in the social sciences and the latest progress of the study. The development of micro-mechanical technology is first introduced, and then introduce miniature piezoelectric sensor structure, working principle, as well as information about micro-electro-mechanical systems, and finally focuses on a number of associated applications of piezoelectric micro drives and microelectromechanical systems, concluded that piezoelectric micro drives have the same match of the structural and functional characteristics with micro-electro mechanical systems and has broad prospects for development. Key words:Piezoelectric micro drive; micro-electro mechanical systems; control 1 引言 80 年代后期崛起的微机械技术对于国民经济和国防科技的未来发展将有着重要的意义，已成为国际上的一个热门课题。微机械的含义包括了结构尺寸或运动操作尺度从数毫米到纳米量级范围内的微小机电装置。它的研究将涉及: ①微机构的设计、选材、加工及装配技术的研究; ②微驱动器、微传感器、微控制器的研制; ③微机械系统技术(运动的控制、能量的供给及传输等)的研究; ④微细几何量、机械量的测试技术的研究等诸方面。其中微驱动器既可构成微机械的动力部分,亦可成为微机械的操作或执行机构。所以说，微驱动器是微机械技术研究的核心内容。国内外的著名大学和实验室都将有关微驱动器的设计、加工制造技术、测控技术等的研究作为微机械研究的一个重点方向和突破口。 微驱动器作为一种换能器，它将电、光、热等多种形式的能量转换成为机械能输出。因此,它有多种不同的工作原理和结构形式。若从能量转换形式分类,有静电驱动、电磁驱动、压电驱动、形状记忆合金驱动、光驱动、凝胶驱动、热驱动以及超导驱动等形式。若按其输出运动的形式分类,则有线位移式、回转式和尺蠖式等。 微机电系统是微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常在毫米或微米级，自八
微位移驱动器
微位移执行器是精密驱动系统的末端执行环节，由驱动元件(致动器)和微位 移传递机构二部分组成。目前，微位移驱动元件种类很多，如机电驱动类、电磁 驱动类、压电／电致伸缩驱动类、磁致伸缩驱动类等。从控制精度和可操作性分 析，压电陶瓷驱动器以其体积小、分辨率高、响应快和推力大等特点有其独特的 优点，但它的输出位移小，尤其在需要较高频响场合位移输出幅度受到了很大的 限制，故目前主要应用在加工中的误差补偿、微量进给和精密调整等场合。 压电陶瓷驱动器(PzT)具有体积小、分辨率高及承载能力强等优点，使用Pzr 控制简单，易实现亚微米甚至纳米级的精度，且不产生热量和噪声。 2.2.1 压电陶瓷微位移器的原理、特点及应用 压电陶瓷微位移器是由多层压电陶瓷薄片，经过多层叠层技术制成的固态移动器，它能直接将电能转换成动能(机械位移)。压电驱动的工作原理是基于压电体具有逆压电效应： 即当压电体受电场作用时会产生形变。与其他形式的驱动相比，压电驱动具有的 最大特点和优点是为微米、纳米量级的位移或运动提供了新手段和新途径。同时， 压电驱动具有控制方便、位移分辨率高、频率响应好、不发热、推力大、无噪声、 外界干扰小等优点。但压电陶瓷本身存在着非线性、迟滞、蠕变等缺点，需要通 过一些措施来改变和补偿。压电驱动具有很大的发展前途，大多应用在高技术 领域，如光纤光学定位，自适应光学，生物工程细胞穿制，精密微定位，摄影， 摄像器材快门控制，光纤熔接机等。 2.2.2 电致伸缩陶瓷微位移器(以WTDS型为例) WTDS电致伸缩微位移器是由PLZT陶瓷材料(在电场作用下，该材料晶格定位引起介电驰豫而发生形变)，经叠层工艺制作而成的。它是一种高分辨电压控制微小应变的器件。其位移量是由叠层数和电场大小控制的。它具有工作电压低、分辨率高、响应快、滞后小、回零再现性好、无老化现象、稳定性好等突出优点。它是光学、机械加工、电子、航空、生物、医学、遗传工程和光纤通讯等领域中实现超精定位、超精加工、误差补偿、相位调制等功能的理想执行器件。该器件定位精度可达亚微米级，分辨率可达到几十纳米。
压电材料驱动器研究进展鲁明11S009078
先进功能材料课程论文 学院：材料学院 专业：材料学 学号：11S009078 姓名：鲁明 2012年5月20日
压电材料驱动器研究进展 鲁明 11S009078 摘要：作为新型功能材料驱动器家族中的重要成员，压电陶瓷在工业生产和日常生活中得到了广泛的应用。由压电陶瓷构成的精度高、控制方便、能耗低的驱动器，在精密伺服控制系统中具有独特的技术优势。详细阐明了压电驱动器的独特优点，概述了其结构类型与应用分类。在此基础上，综述了该驱动器研究与应用中的若干热点以及未来的发展趋势。 关键词：压电驱动器；精密控制；应用 简介： 压电驱动器以其尺寸小、线性好、控制方便、位移分辨率高、频率响应好、能耗低、无噪声等特点，己成为一种理想的微位移驱动装置，非常适合在精密定位及小负载、大转矩、高精度的机械传动装置等领域中应用。Et本的M．Asano，T．Matsuoka等人应用8块压电陶瓷片通过变换驱动时序和相位研制成了针型驱动器[1]。这种驱动器主要用来作为微型管道机器人的动力源。它可以实现精确的位移(0．5微米)，并有很快的移动速度(103mm／s)，其最大驱动力是0．02256N。德国Karlsrule大学用压电驱动器作为驱动单元研制成功的定位机器人[2]，可实现三自由度的运动，其运动精度为5nm。美国加利福尼亚大学R．S．Feairng 等人结合仿生学原理，研制了用于微飞行昆虫的振翅压电微驱动器[3]。该驱动器最大速度为0．9mm／s，最大步长为36m，最小步长0．142m。近年来，日本东京理工大学的JamesFirend 等人研制了体积为4mm×3mm×8．5mm的旋转振动压电微驱动器[4]，在87．1mN负载下，最大输出转矩0．1N·m。国内许多高校和科研机构也做了应用研究工作，但研究成果尚未实用化。 一结构类型 按驱动方式不同，压电驱动器可分为刚性位移驱动器和谐振位移驱动器。 刚性位移驱动器的驱动模式主要有多层式驱动器和单(双)晶片驱动器，此外还有Rainbow驱动器、Moonie驱动器和Cymbals驱动器等，几种模式在大小、质量、位移量及负载能力上均各有特点。 多层片式陶瓷驱动器(MLAS)是利用单片陶瓷电场作用下直接伸长变形，再通过多层叠加使总的变形量达到一个较大的数值。MLAS具有承载力大、响应快、位移可重复性好、体积效率高、电场控制相对简单等优点，缺点是位移量较小、电容高。 D33双晶片弯曲驱动器是由两片相同的沿厚度方向极化过的压电陶瓷片粘结在一起形成的，结构如图l所示。d单晶片弯曲驱动器结构与双晶片不同之处只是由金属代替了其中的一片陶瓷。将弯曲驱动器一端固定，构成悬臂梁结构，沿z轴方向施加电场，驱动器自由端发生弯曲变形[5]。 D33单晶片弯曲驱动器结构如图2所示。其中导电环氧树脂既起到电连结作用，又提高了驱动器的断裂韧性，从而使驱动器能承受很大的弯曲应力而没有机械损坏。d双晶片弯曲驱动器是用同样的压电陶瓷体代替了图2中的金属板。由于常用压电陶瓷的d值是d的2～2.2倍，所以这种结构的驱动器在相同电场强度作用时产生的位移量比d33弯曲驱动器要高得多。
压电陶瓷应用研究进展
压电陶瓷应用研究进展 程院莲,鲍 鸿,李 军,李小亚 (广东工业大学自动化学院,广东广州510090) 摘 要:阐述了压电陶瓷在振子、换能器及光电等方面的应用及近年来所取得的最新成果;给出了具体的最新应用实例。 关键词:压电陶瓷;超声换能器;压电驱动器 中图分类号:TN712+ 5 文献标识码:A 文章编号:1672-4984(2005)02-0012-03 Research progress in applications of piezoelectric ceramic C HENG Yuan -lian,BAO Hong,LI Jun,LI Xiao -ya (College of Automation,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510090,China) Abstract:The applications to the aspects such as piezoelectric resonators ,piezoelectric transducer,photo devices,and the newest research outcomes made in the recent years are expounded,some newest application examples are also given Key words:Piezoelectric ceramic;Ultrasonic transducer;Piezoactuator 收稿日期:2004-06-09;收到修改稿日期:2004-08-17基金项目:广东省教育厅科研基金项目资助(030058)作者简介:程院莲(1978-),女,硕士研究生,主要从事检测技术与自动化装置研究。 1 引 言 压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料,它具有压电效应。所谓压电效应是指由应力诱导出极化(或电场),或由电场诱导出应力(或应变)的现象,前者为正压电效应,后者为负压电效应,两者统称为压电效应。目前为止,压电陶瓷的这种压电效应已被应用到与人们生活密切相关的许多领域,遍及工业、军事、医疗卫生、日常生活等。可见压电陶瓷应用的研究意义非常重大。随着新工艺和新材料的出现,压电陶瓷应用日新月异,本文描述了一些压电陶瓷新应用成果。 2 压电陶瓷的广泛应用 压电陶瓷的应用十分广泛。大体说来,可分为频率控制、换能传感和光电器件等方面。2 1 压电陶瓷频率控制器件 压电频率控制器件有滤波器、谐振器和延迟线等,这类器件使用于道倍机、微机、彩电延迟电路等中。压电陶瓷片(压电振子)在外加交变电压作用下,会产生一定频率的机械振动。在一般情况下这种振动的振幅很小,但是当所加电压的频率与压电 振子的固有机械振动频率相同时会引起共振,振幅 大大增加。这时,交变电场通过逆压电效应产生应变,而应变又通过正压电效应产生电流,电能和机械能最大限度地互相转换,形成振荡。利用压电振子这一特点,可以制造各种滤波器、谐振器等,其频率稳定性好,精度高,适用频率范围宽,体积小,不吸潮,寿命长,特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性,所以目前已取代了相当大一部份电磁振荡器和滤波器,而且这一趋势还在不断发展中。2 2 压电换能器及传感器 压电陶瓷在交变电场作用下,会产生伸缩振动,从而向介质中发射声波。当交变电场的频率与压电陶瓷的固有机械频率相近时会产生共振,它能发出很强的超声波振动。因而可利用所产生的高强度超声波来改变物质的性质和状态,如超声清洗、超声乳化以及制作各种超声切割器、焊接装置及烙铁,对塑料甚至金属进行加工等。压电晶体产生的超声波在介质中传播,遇到障碍物时,大部分声能被折回形成回波,回波再被压电晶体接收转变成电信号,电信号的幅度与给定频率下的声信号的幅度成比例。根据此电信号的各种参量,可以进行超声医疗,对金属进行无损探测以及探测水下物体等。其中把声能转换为电能的换能器叫作接收器或水听器;把电能转换为声能的换能器叫作发射器。声纳就是这方面的一个广泛应用,有些声纳用同一只换能器来发射和接收声音;另一些则使用分开的发射器和水听器。其 第31卷第2期 2005年3月中国测试技术 C HINA MEASUREME NT TECHNOLOGY Vol 31 No 2Mar,2005
【CN209389958U】主动抑制寄生运动原理压电驱动器回退运动的装置【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920351683.3 (22)申请日 2019.03.20 (73)专利权人 唐金岩 地址 130000 吉林省长春市人民大街5988 号 (72)发明人 唐金岩 范昊寅 李涛 郭文鑫 杨晓峰 刘佳慧 黄虎 (74)专利代理机构 吉林长春新纪元专利代理有 限责任公司 22100 代理人 王怡敏 (51)Int.Cl. H02N 2/02(2006.01) (ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利 (54)实用新型名称主动抑制寄生运动原理压电驱动器回退运动的装置(57)摘要本实用新型涉及一种主动抑制寄生运动原理压电驱动器回退运动的装置，属于精密机械领域。装置包括基座、动子单元、驱动单元、预压力调整单元。动子单元安装在基座的凸台上；预压力调整单元通过螺钉固定在基座上；驱动单元通过螺钉安装在预压力调整单元上，分别用以实现动子的自由移动，初始间隙和预压力的调整以及主动抑制回退现象的协同运动生成。优点在于：可显著抑制回退运动，实现理想的步进运动，并能一定程度上消除系统非线性产生的影响，便于后续精密控制。在精密和超精密定位、精密测量、精密加工装配、生物遗传工程和材料表面性能检 测等领域有着广阔的应用前景。权利要求书1页 说明书4页 附图6页CN 209389958 U 2019.09.13 C N 209389958 U
权 利 要 求 书1/1页CN 209389958 U 1.一种主动抑制寄生运动原理压电驱动器回退运动的装置，其特征在于：包括基座（1）、动子单元、驱动单元、预压力调整单元，动子单元安装在基座（1）的凸台上，预压力调整单元通过螺钉固定在基座（1）上，驱动单元通过螺钉（8）安装在预压力调整单元上，分别实现动子的自由移动，初始间隙和预压力的调整以及主动抑制回退现象的协同运动生成。 2.根据权利要求1所述的主动抑制寄生运动原理压电驱动器回退运动的装置，其特征在于：所述的驱动单元包括驱动铰链（9）、驱动压电叠堆（7）、楔块a（4）、提升压电叠堆（3）、楔块b（2），所述驱动压电叠堆（7）和提升压电叠堆（3）分别通过楔块a（4）和楔块b（2）预紧安装在驱动铰链（9）中；通过给驱动压电叠堆（7）与提升压电叠堆（3）施加协同驱动电信号，实现主动抑制寄生运动原理压电驱动器回退运动的功能。 3.根据权利要求1所述的主动抑制寄生运动原理压电驱动器回退运动的装置，其特征在于：所述的动子单元由导轨（5）、滑块（6）组成，导轨（5）通过螺钉固定在基座（1）上，滑块（6）在驱动单元产生的驱动力作用下沿着导轨（5）直线移动。 4.根据权利要求1所述的主动抑制寄生运动原理压电驱动器回退运动的装置，其特征在于：所述的预压力调整单元包括粗调整机构（10）、螺钉（8），通过调整预压力调整单元，调节驱动单元与动子单元之间的初始间隙和预压力。 2
电动车驱动电机和控制技术综述
电动车驱动电机及其控制技术综述 摘要：简述了电动车驱动系统及特点，在此基础上详细分析并比较了电动车主要电气驱动系统，着重介绍了一种深埋式永磁同步电动机及其控制系统，最后简要概述了电动车电气驱动系统的发展方向。 1 概述 电动车是一种安全、经济、清洁的绿色交通工具，不仅在能源、环境方面有其独特的优越性和竞争力，而且能够更方便地采用现代控制技术实现其机电一体化的目标，因而具有广阔的发展前景。 现有电动车大致可以分为以下几个主要部分：蓄电池、电池管理、充电系统、驱动系统、整车管理系统及车体等。驱动系统为电动车提供所需的动力，负责将电能转换成机械能。无论何种电动车的驱动系统，均具有基本相同的结构，都可以分成能源供给子系统、电气驱动子系统、机械传动子系统三部分，其中电气驱动子系统是电动车的心脏，主要包括电动机、功率电子元器件及控制部分。如图1所示。 其中，电动车驱动系统均具有相同或相似的功能模块，如图2所示。 2 电动车电气驱动系统比较 电动机的类型对电气驱动系统以及电动车整体性能影响非常大，评价电动车的电气驱动系统实质上主要就是对不同电动机及其控制方式进行比较和分析。目前正在应用或开发的电动车电动机主要有直流电动机、感应电动机、永磁无刷电动机、开关磁阻电动机四类。由这四类电动机所组成的驱动系统，其总体比较如下表所示。 电动车电气驱动系统用电动机比较表 下面分别对这几种电气驱动系统进行较为详细地分析和阐述。 2.1 直流驱动系统
直流电动机结构简单，具有优良的电磁转矩控制特性，所以直到20世纪80年代中期，它仍是国内外的主要研发对象。而且，目前国内用于电动车的绝大多数是直流驱动系统。 但普通直流电动机的机械换向结构易产生电火花，不宜在多尘、潮湿、易燃易爆环境中使用，其换向器维护困难，很难向大容量、高速度发展。此外，电火花产生的电磁干扰，对高度电子化的电动汽车来说将是致命的。此外，直流电动机价格高、体积和重量大。随着控制理论和电力电子技术的发展，直流驱动系统与其它驱动系统相比，已大大处于劣势。因此，目前国外各大公司研制的电动车电气驱动系统已逐渐淘汰了直流驱动系统。 2.2 感应电动机驱动系统 2.2.1 感应电动机 电动车感应电动机与一般感应电动机相比较具有以下特征： （1）稳定运行时，与一般感应电动机工况相似。 （2）驱动电动机没有一般感应电动机的起动过程，转差率小，转子上的集肤效应不明显。 （3）运行频率不是50hz，而是远远在此之上。 （4）采用变频调速方式时，转速与极数之间没有严格对应关系。 为此，电动车感应电动机设计方面如下特点： （1）尽力扩大恒转矩区，使电动机在高速运转时也能有较高转矩。而要提高转矩，则需尽量减小定转子之间的气隙，同时减小漏抗。 （2）更注重电动机的电磁优化设计，使转矩、功率和效率等因素达到综合最优。 （3）减少重量、体积，以增加与车体的适配性。 2.2.2 控制技术 应用于感应电动机的变频控制技术主要有三种：v/f控制、转差频率控制、矢量控制。20世纪90年代以前主要以pwm方式实现v/f控制和转差频率控制，但这两种控制技术因转速控制范围小，转矩特性不理想，而对于需频繁起动、加减速的电动车不太适宜。近几年
基于虚拟仪器的压电微位移驱动器线性化研究
２００８年７月第４卷第３期 系统仿真技术 ＳｙｓｔｅｍＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊｕｌ．．２００８ Ｖ０１．４．Ｎｏ．３ 中图分类号：’ｒＭ２８２文献标识码：Ａ 基于虚拟仪器的压电微位移驱动器线性化研究 秦文罡，陈志超，吴威，高爱华 （西安工业大学光电工程学院，陕西西安７１００３２） 摘要：根据压电陶瓷的非线性特性，提出了一种采用离散电压标定和控制压电微位移驱动器线性化的方法。利用数模输出卡，输出不同步长的单个的离散电压，控制压电陶瓷伸长的速度，从而达到利用选取的电压值参数来控制压电陶瓷伸长速度的目的。选取恰当的电压值，可以使得压电驱动器在时间域上线性地伸长而达到线性化。设计基于Ｌａｂｖｉｅｗ的控制系统，并对线性化方法进行了原理分析和实验。实验结果表明，该系统可以有效地在０～３００Ｖ范围内使压电微位移驱动器的∞＃量与时间成线性关系，定位精度为１］ｔｉｍ。 关键词：压电驱动器；线性化；虚拟仪器 ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＬｉｎｅａｒｉｚａｔｉＯｎＯｆＰｉｅｚＯｅＩｅＣｔｒｉＣＡｃｔｕａｔｏｒ ＢａｓｅｄｏｎＶｉｒｔｕａｌｌｎＳｔｒＵｍｅｎｔ ＱｌＮＷｅｎｇａｎｇ．ＣＨＥＮＺｈｉｃｈａｏ．ＷＵＷｅｉ，ＧＡＯＡｉｈｕａ （ＳｃｈｏｏｌｏｆＯｐｔｏｅｌｅｅｔｒｏｎｉｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｌｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｌｌ７１００３２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｃｔｕａｔｏｒ’Ｓｎｏｎｌｉｎｅａｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ａｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｃ— ｔｕａｔｏｒ’Ｓｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｄｉｓｃｒｅｔｅｐｏｉｎｔｏｆｖｏｌｔａｇｅｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｄｉｇｉｔａｌ—ｔｏ—ａｎａｌｏｇ（ＤＡ） ｏｕｔｐｕｔｃａｒｄ，ｏｕｔｐｕｔｓｉｎｇｌｅｖｏｌｔａｇｅｗｈｉｃｈｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｔｅｒｖａｌ．Ｉｎｔｈｉｓｗａｙ，ｔｈｅｓｐｅｅｄｏｆｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｅ－ｒａｍｉｃ’Ｓｅｌｏｎｇａｔｉｏｎｃａｎｂｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙｔｈｅｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｓ．Ｉｔｃａｎｂｅｅｌｏｎｇａｔｅｄｌｉｎｅａｒｌｙｉｎｔｈｅｔｉｍｅｆｉｅｌｄ ｗｉｔｈｔｈｅｓｐｅｃｉａｌ ｖｏｌｔａｇｅｓａｄｏｐｔｅｄｂｅｆｏｒｅ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｔｅｓｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄ，ａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｎｄｐｒｏｇｒａｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅｔｏｌｉｎｅａｒｉｚｅｔｈｅｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｅ－ｒａｍｉｃｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆ０—３００Ｖ，ａｎｄｔｈｅｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙｉｎｃｌｕｄｉｎｇｌｏｗｃｏｓｔｗｉｔｈｕｎｉｖｅｒｓａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔａｎｄｈｉｇｈｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙｗｉｔｈ１ｈｉｌｌ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｃｔｕａｔｏｒ；ｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ；ｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ １引言 压电微位移驱动器是一种利用压电陶瓷逆压电效应制作的微位移器，广泛应用在微机电系统、超精密加工、微电子、光电子和生物工程等前沿学 基金项目：陕西省重点实验室开放基金资助项目 （ＺＳⅪ２００７０３）科领域。但是，由于压电陶瓷自身电压与伸缩量问的非线性，即不满足Ｓ＝扭线性关系［１。］，给驱动器精确定位带来误差，使驱动器转换信号失真。降低了其控制精度。因此必须采取适当措施，控制其非线性。由于现在各种牌号的压电陶瓷特性曲线各不相同，快速方便地对其进行线性化校正非常必要。用传统的方式制作的驱动电源∞再】，由于数据存储在电可擦写可编程只读存储器中， 万方数据
《驱动电机及控制技术》教学大纲
《驱动电机及控制技术》教学大纲 一、授课对象 本课程适用于汽车服务系新能源汽车制造与装配专业（中、高级）班三年制 二、课程学时 总学时108课时，6课时/周，1学期授完。 三、课程的任务和目的 本课程是中等职业学校电子技术应用与维修专业教材，是一门机电类专业课程。其任务是：使学生掌握常用电动机的结构及其控制方法，培养学生对常用电动机的维护、保养与检修的技能和解决实际问题的能力；对学生进行职业意识培养和职业道德教育，提高学生的综合素质与职业能力，增强学生适应职业变化的能力，为学生职业生涯的发展奠定基础。 本课程目的是：使学生能掌握电动类、制冷类日用电器中主要使用的三种电动机——单相异步电动机、直流电动机和单相串励电动机的结构、原理及应用，以及电动类、制冷空调类电器专用电动机的结构及其控制方法。熟悉对上述电动机进行维护、保养与检修。结合生产生活实际，培养学生对所学专业知识的兴趣和爱好，养成自主学习与探究学习的良好习惯，从而能够解决专业技术实际问题，养成良好的工作方法、工作作风和职业道德。 四、课程内容和要求 第一章：直流电动机 8课时 1．教学内容： 第一节：直流电动机的结构和分类 第二节：直流电动机的工作原理与运行特性 第三节：直流电动机的起动、反转和调速。 2．教学要求与建议：了解直流电动机的基本结构和分类，掌握直流电动机 的基本工作原理，理解直流电动机的起动、反转、调速的原理和方法，初步了解 直流电动机常见故障的检修方法。 第二章：单相异步电动机 10课时 1.教学内容： 第一节：异步电动机的结构和工作原理 第二节：单相异步电动机的分类 第三节：单相异步电动机的反转和调速 2．教学要求与建议：了解单相异步电动机的基本结构，掌握单相异步电动 机的基本工作原理，理解异步电动机的分类和起动方式，了解单相异步电动机的 反转、调速的原理和方法，初步了解单相异步电动机常见故障及其检修方法。
微动平台参考资料
摘要 微动平台的机构优化及其超精运动控制技术，是目前微/纳制造领域中的研究热点之一，具有广阔的应用前景。为此，本文在优化设计基于柔性铰链的二维微动平台本体结构，并分析其静/动力学性能的基础上，以高性能ATmega128微控制器为中心测控单元，PA85为功率放大模块，结合传统的PID控制技术，研发了一套数字式的二维微动平台驱动控制系统，并实现了系统的集成。研究的主要工作如下： 首先，提出了一个由压电陶瓷驱动器、柔性铰链平台机构、衍射光栅位移传感器和微控制器构成的二维微动平台的总体设计方案；并在此基础上设计了一个综合杠杆放大和柔性铰链机构的二维低耦合微动平台结构，其运动放大比为5，工作行程为100μm×100μm。然后，采用通用有限元软件ANSYS对优化后的平台进行了静力、动态特性和瞬态响应分析，验证了所设计二维平台的运动传递、静态和动态力学特性。 其次，针对二维微动平台的超精密控制要求，研制了由ATmega128微控制器、ADS8325模数转换模块、DAC8564数模转换模块组成的控制系统的硬件部分；并编制了微控制器与AD、DA模块进行SPI通讯以及与上位机串行通讯的接口程序，实现了PID控制运算模型；采用负反馈线性电压放大电路，将控制信号进行电压与功率放大后驱动压电陶瓷，进而控制微动平台运动。 最后，组装了二维微动实验平台，并进行了0.625Hz、5Hz、10Hz和20Hz的谐波轨迹的跟随实验，验证了论文所设计的二维低耦合微动平台及其控制系统的有效性和运动跟随性能。 关键词：微动平台；柔性铰链；ATmega128微控制器；控制
ABSTRACT Micro motion stage is one of the most hot research fields with broad prospect, of which the key technology is its mechanism and precision positioning control. The mechanism of a two-dimensional nano-manipulator is optimized and its static and dynamic performances are analyzed with FEM in ANSYS. Hence, the driving control system for this nano-positioning stage is developed and the integrated experimental platform is realized, applying ATmega128 as its central control unit and PA85 as power amplify unit and combining with the traditional PID control technology. The contents of this dissertation as below: First of all, the thesis proposes the overall scheme of the nano-positioning stage and designs a low coupling two-dimensional nano-manipulator having flexure hinges and lever mechanisms with magnifying ratio 5, of which the working stroke is 100μm×100μm. Besides, FEM analysis of the optimized nano-manipulator in ANSYS were performed to verify the parasitic motion suppressing effects and guarantee the work stoke in limited workspace, as while as its statistic and dynamic response characteristics. Moreover, for the precision positioning control of the nano-positioning stage, the thesis develops its hardware of this control system, consisting of ATmega128 MCU, ADS8325 A/D module, DAC8564 D/A module. Furthermore, the compiling of the SPI communication between the MCU and A/D, D/A module is realized, as while as the calculate model of PID control. The design adopts negative feedback high-voltage amplifier circuit to amplify control signal to drive the piezo actuator, so that the nano-manipulator can be positioned. Finally, based on the assembly experimental platform, the effectiveness and performance of the low coupling nano-positioning stage and its driving control system is verified through the experiment of tracking 0.625Hz, 5Hz, 10Hz and 20Hz harmonic signal. Key words: nano-positioning stage; flexure hinge; ATmega128 micro controller; control