压电陶瓷驱动器多轴耦合滞环动力学建模研究

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近几十年来,压电陶瓷驱动器作为定位平台在扫描隧道显微镜,原子力显微镜,微型机器人手臂等微/纳米测量以及制造领域得到了广泛的应用。压电陶瓷材料的逆压电特性赋予了其良好的电–位移特性,在高精度定位过程中有着传统伺服电机无法比拟的优势。但与此同时,压电陶瓷材料内部存在着磁滞,蠕变等复杂的非线性特性,在多轴平台中,轴与轴间也存在着复杂的耦合非线性,而且,对于高频运动过程,压电陶瓷平台的振动特性也会对运动精度产生影响。如何抑制这些复杂特性已成为一个亟待解决的问题。本文以多轴压电陶瓷驱动平台P-563.3CD为研究对象,搭建了一套压电陶瓷驱动平台实验系统,基于系统探索了驱动平台在开环工作条件下的磁滞滞环,蠕变,振动以及双轴的交叉耦合特性。值得指出的是,通过实验分析,本文揭示了压电陶瓷驱动平台双轴交叉耦合现象与X-Y轴相对空间位置变量间的时/空特性,即时/空交叉耦合特性。以Y轴对X轴的影响为例,向Y轴输入一恒定正弦激励信号,在不同X-Y轴相对空间位置处可以测得X轴的时/空交叉耦合数据。经过分析,在不同的空间位置,平台的交叉耦合现象展示出了不同的时/空动力学特性。随后,针对压电陶瓷平台单轴的磁滞滞环特性,本文将具有静态非线性模块与动态线性模块串联结构的集中参数Hammerstein模型应用到压电陶瓷驱动平台单轴磁滞滞环建模过程中,并基于奇异值分解(SVD)参数辨识方法对模型参数进行辨识。针对压电陶瓷驱动平台双轴联动情况下的时/空交叉耦合特性,本文进一步提出了分布参数Hammerstein模型,即将X-Y轴相对空间位置变量引入到集中参数Hammerstein模型中,揭示了时/空交叉耦合特性与X-Y轴相对空间位置的机理,同时对所提出模型的收敛性进行了数学证明。最后,本文设计了大量验证实验,对所提出的集中参数Hammerstein模型与分布参数Hammerstein模型进行实验验证,其建模误差分别低于3%和8%,展示出良好的建模效果。同时与广泛使用的Bouc-Wen模型和Preisach模型作对比,其建模精度分别提升65%和60%,进一步阐明了所提出模型的优越性。
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