面向惯性粘滑驱动的高动态压电驱动电源研究

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惯性粘滑驱动因具有运动速度快、定位精度高等优点,被广泛应用于跨尺度精密定位领域。在惯性粘滑驱动系统中,压电驱动电源输出驱动信号,驱动惯性粘滑平台进行快速运动和精密定位。但是,惯性粘滑驱动越来越需要具备高动态特性和高稳定性的压电驱动电源。通过分析国内外压电驱动电源的动态特性和稳定性研究现状,发现现阶段压电驱动电源在面向惯性粘滑驱动时,存在阶跃响应慢、稳定性差的问题。本文在这样的研究和应用背景下,针对惯性粘滑驱动对压电驱动电源的动态特性和稳定性的需求,进行高动态压电驱动电源的研究。首先,为了解决阶跃响应慢的问题,进行了高动态功率放大电路研究。根据惯性粘滑的驱动特性,设计了功率放大电路。通过深入研究中间级放大电路的充放电回路对动态性能的影响,提出了动态响应优化方法。该方法是通过优化功率场效应管的充放电回路,提高它的开关速度,进而提升功率放大电路的动态响应性能。然后,为了解决稳定性差的问题,进行高动态功率放大电路稳定性研究。通过分析功率放大电路的环路响应特性,发现功率放大电路易发生自激振荡,进而设计了稳定性补偿电路。该补偿电路包含三个RC支路,其作用是补偿环路响应特性,提高高动态功率放大电路的稳定性。接着,进行了面向惯性粘滑驱动的高动态压电驱动电源的系统实现研究。基于功率放大电路动态特性和稳定性的研究,进行功率放大电路的高动态参数设计和稳定性参数设计,并逐步设计了驱动电源系统原理图和PCB图,并制作了高动态压电驱动电源样机。最后,进行了面向惯性粘滑驱动的高动态压电驱动电源的实验研究,搭建了驱动电源实验系统,测试了驱动电源的动态响应特性和稳定性。在动态特性方面,驱动电源的阶跃响应时间Tup=40μs,具有高动态特性。在稳定性方面,驱动电源能稳定地输出Vp-p=150V的驱动信号,其相位裕度φm=80°,静态纹波电压Vr<3mV,具有高稳定性。当驱动电源应用于惯性粘滑驱动时,惯性粘滑的运动速度Vs从1mm/s提升到3.75mm/s,位移误差△X从280nm下降到20nm。因此本文研究的高动态压电驱动电源可以提升惯性粘滑驱动的运动速度和定位精度,对促进惯性粘滑驱动的发展具有实际意义。
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