"Повышение эффективности мехатронных пьезоэлектрических модулей оптоэлектронных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.05, кандидат наук Карев Павел Валерьевич

• Карев Павел Валерьевич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Карев Павел Валерьевич

Содержание

Реферат

Synopsis

Введение

1. Технические средства микроперемещений в

оптоэлектронных системах, возможности применения и

проблематика

1.1 Обзор и классификация мехатронных модулей оптоэлектронных

систем

1.1.1 Оптоэлектронные системы на карданном подвесе

1.1.2 Оптоэлектронные системы с функцией микросканирования

1.1.3 Многосегментные зеркала, деформируемые зеркала и

телескопы

1.1.4 Синхротроны

1.1.5 Ультразвуковые пьезоприводы

1.1.6 Пьезоэлектрические шторки

1.1.7 Угловые дефлекторы

1.2 Теоретические основы моделирования пьезоэлектрических

актюаторов

1.3 Проблемы использования пьезоэлектрических исполнительных

устройств

1.3.1 Нестабильность характеристик пьезоматериалов при

изменении температуры

1.3.2 Предельные характеристики пьезоактюаторов

мехатронных модулей

1.3.3 Потери в пьезокерамике под влиянием изменения

температуры и методы их компенсации

6

2. Разработка математической модели многослойного

пьезопакета мехатронного модуля в условиях изменения

температуры

2.1 Анализ и методика расчета параметров пьезоматериалов с

точки зрения влияния на них температуры

2.1.1 Исследование влияния температуры на параметры

пьезокерамики

2.1.2 Методика расчета параметров пьезоматериалов с точки

зрения влияния на них температуры

2.2 Вывод системы уравнений для построения математической

модели тонкопленочного многослойного пьезоактюатора

2.3 Алгоритм расчета параметров пакета многослойной

пьезокерамики в условиях изменения температуры

2.4 Алгоритм расчета коэффициентов передаточных функций

тонкопленочного многослойного пьезоактюатора в условиях

изменения температуры

3. Анализ и синтез алгоритмов управления мехатронными

пьезомодулями

3.1 Методика синтеза системы управления пьезоэлектрического

мехатронного модуля, функционирующего в условиях

изменения температуры

3.2 Техническое задание

3.3 Показатели эффективности разомкнутого пьезопривода при

различных температурах

3.4 Показатели эффективности замкнутого пьезопривода

3.5 Оценка эффективности применения ПИД-регулятора

3.6 Оценка показателей корректирующего звена последовательного

включения на основе полинома Баттерворта

3.7 Синтез корректирующего звена последовательного включения

на основе полинома Ньютона

7

3.8 Оценка эффективности корректирующего звена

последовательного включения на основе полинома Ньютона,

настроенного под изменение температуры

3.9 Оценка влияния гистерезиса на динамическую ошибку

синтезируемой системы

4. Математическое моделирование мехатронного модуля на

базе пьезоактюатора с гибкой рамкой

4.1 Методика оптимизации конструктивных решений

пьезоэлектрических модулей с механической редукцией с целью

расширения диапазона перемещений и демпфирования

собственных колебаний

4.2 Известные подходы к моделированию упругих рамок

пьезоактюаторов

4.3 Построение геометрической модели корпуса эллиптического

пьезоактюатора

4.4 Моделирование и вычисление показателей эффективности

системы с пьезоактюатором и усилителем

4.4.1 Разомкнутый пьезопривод с усилителем и пьезоактюатором213

4.4.2 Замкнутая система с усилителем и пьезоактюатором

4.4.3 Замкнутая система с усилителем и пьезоактюатором с

корректирующим звеном последовательного включения

на основе полинома Ньютона при 𝑇1 , 𝑇2 и 𝑇3

4.4.4 Замкнутая система с усилителем и пьезоактюатором с

корректирующим звеном последовательного включения,

настроенным для 𝑇2 , 𝑇3

Заключение

Список рисунков

Список таблиц

Список литературы

8

Благодарности

Приложение 1. Акты внедрения

Приложение 2. Публикации по теме диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «"Повышение эффективности мехатронных пьезоэлектрических модулей оптоэлектронных систем»

Реферат

Актуальность темы. Современные оптоэлектронные системы постоянно со­

вершенствуются и развиваются. Такие их характеристики как разрешающая

способность, полоса пропускания, качество получаемого изображения и др.

могут быть повышены при использовании в их составе систем коррекции волно­

вого фронта излучения (наклон, фокусировка), компенсации аберраций более

высоких порядков (кома, астигматизм), а также устройств модуляции световых

потоков. Все перечисленные системы и устройства выполняют свои задачи, пе­

ремещая в пространстве те или иные элементы оптических систем (зеркала,

линзы, диафрагмы и др.). Диапазон таких перемещений лежит в пределах от

единиц нанометров до десятков микрон.

Наряду с неоспоримыми достоинствами мехатронные пьезомодули обладают

и некоторыми недостатками, которые снижают эффективность их применения

в оптоэлектронных системах. В большинстве случаев это связано с физи­

ческой природой исполнительных пьезоприводов мехатронных модулей, с их

конструктивными особенностями, а также внешними возмущениями, особенно

тепловыми.

Таким образом, актуальность темы определяется повышением эффективно­

сти мехатронных модулей, а в итоге оптоэлектронных систем, под которым

понимается комплекс мероприятий направленных на стабилизацию основных

характеристик пьезоактюаторов и компенсацию влияния внешних (тепловых) и

внутренних (потери в пьезокерамике) возмущений путем применения специаль­

ных алгоритмов управления мехатронными модулями, а также оптимизацию

конструктивных характеристик актюаторов и пьезомодулей в целом.

Диссертационная работа посвящена исследованию возможности устранения

(компенсации) указанных факторов средствами автоматического управления

и путем оптимизации конструктивных решений пьезомодулей. Применение на

практике полученных результатов должно способствовать повышению эффек­

тивности пьезомодулей и оптоэлектронных систем в целом.

10

Степень разработанности темы. Производители мехатронных модулей

оптоэлектронных систем используют различные методы нивелирования вли­

яния температурных факторов таких как применение материалов с близким

коэффициентом температурного расширения, производство нормальноцентри­

рованных механизмов и применение таблиц поправочных коэффициентов,

зависящих от температуры. В этом контексте отдельную ценность представ­

ляют методы и алгоритмы синтеза пьезоактюаторов мехатронных модулей и

систем управления ими, учитывающие влияние температуры на параметры пье­

зокерамики.

Принимая это во внимание, в настоящей диссертационной работе предла­

гается алгоритм учета параметров пьезокерамики, наиболее подверженных

изменению температуры с целью синтеза системы управления, компенсиру­

ющей влияние температуры. Исследуется ряд регуляторов и определяются

показатели эффективности их работы: динамическая ошибка системы, быстро­

действие, перерегулирование. Исследуются: ПИД-регулятор, компенсирующее

звено последовательного включения на основе полинома Баттерворта 3-го

порядка и компенсирующее звено последовательного включения на основе

полинома Ньютона 3-го порядка. Предложена методика оптимизации конструк­

тивных решений мехатронного модуля с механической редукцией.

Цель. Цель работы состоит в повышении эффективности работы пьезоэлек­

трических мехатронных модулей оптоэлектронных систем путем применения

специализированных алгоритмов управления, компенсирующих влияние темпе­

ратурных эффектов и гистерезисных факторов, а также за счет оптимизации

конструктивных решений пьезоактюаторов.

Задачи. Для достижения цели диссертационной работы потребовалось ре­

шить следующие задачи:

– Исследование и разработка методики учета влияния внешних и внутрен­

них возмущений на динамику и точность позиционирования мехатронных

пьезоэлектрических модулей.

11

– Синтез системы автоматического управления пьезоэлектрическими ме­

хатронными модулями для улучшения статических и динамических по­

казателей качества.

– Выработка рекомендации по оптимизации конструктивных решений ме­

хатронных систем с пьезоактюаторами, работающими в условиях изме­

нения параметров для увеличения хода и демпфирования собственных

колебаний.

Научная новизна. При выполнении данной работы получены следующие

научные результаты:

– Выявлены основные параметры пьезокерамики, на существенное измене­

ние которых оказывает влияние температура окружающей среды, опреде­

лены допустимые диапазоны их изменения.

– Разработаны модели с учетом изменения параметров пьезокерамики при

воздействии температуры.

– Выработаны рекомендации по оптимизации геометрических характери­

стик конструктивных элементов модулей, способствующие повышению их

эффективности путем применения демпферов в определенных точках пье­

зодвигателя с целью уменьшения колебательности механической системы.

– Построена модель рамки корпуса пьезодвигателя, позволяющая оценить

коэффициент передачи пьезодвигателя при заданной прочности.

– Разработаны модели пьезодвигателя и усилителя с учетом изменения па­

раметров пьезокерамики при воздействии температуры.

– Произведен анализ показателей качества переходных процессов и ди­

намической ошибки работы пьезодвигателя в расширенном диапазоне

температур на основе ПИД регулятора и последовательных компенсато­

ров на основе полинома Баттерворта 3-й степени.

– Разработана математическая модель пьезоэлектрического мехатронного

модуля, произведен синтез последовательного компенсатора и проведено

компьютерное моделирование, по результатам которого определен рабочий

диапазон температур окружающей среды, в котором мехатронный модуль

удовлетворяет требованиям технического задания к системе управления.

12

– Произведена оценка эффективности применения регулятора на основе по­

линома Ньютона 3-ей степени с целью обеспечения устойчивого процесса

и заданной величины динамической ошибки при наличии гистерезиса.

Научные положения, выносимые на защиту.

– Алгоритм расчета параметров пакета многослойной пьезокерамики в усло­

виях изменения температуры.

– Методика синтеза системы управления пьезоэлектрического мехатронного

модуля, функционирующего в условиях изменения температуры.

– Методика оптимизации конструктивных решений пьезоэлектрических мо­

дулей с механической редукцией с целью расширения диапазона переме­

щений и максимального демпфирования собственных колебаний.

Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты, по­

лученные в диссертационной работе, имеют теоретическую и практическую

ценность и могут использоваться для повышения эффективности оптоэлектрон­

ных систем.

Предложенный алгоритм позволяет учесть параметры пьезокерами­

ки, наиболее подверженные влиянию температуры (раздел 2.3). Учет

таких изменений позволит производить мехатронные пьезоэлектрические моду­

ли более стабильные к воздействию температуры.

Разработанная методика синтеза системы управления пьезоэлек­

трического мехатронного модуля, функционирующего в условиях

изменения температуры (раздел 3.1), позволяет учесть изменения пара­

метров пьезоматериала под влиянием температуры. Предложенная методика

может быть использована как при разработке пьезокерамики, так и при раз­

работке пьезоактюаторов, работающих в заданном температурном диапазоне.

Предложенные методы настройки корректирующих звеньев могут быть исполь­

зованы для дополнительной оптимизации параметров управляющего сигнала

при перепадах температур. Вычисление минимальной динамической ошибки

(раздел 3.7 и 3.8) в конкретных приложениях позволяет уточнить требования

к другим элементам подсистемы, например, к повторяемости позиционирова­

ния линзы или зеркала мехатронного модуля. Получение системы с заданным

13

временем переходного процесса (раздел 3.7 и 3.8) позволяет получить опто­

электронную систему с заданным быстродействием. Апериодическая форма

переходного процесса позволяет обеспечить плавность хода, что имеет большое

значение в оптических системах. Использование разработанного последователь­

ного компенсатора обеспечивает качество переходных процессов в заданном

температурном диапазоне (раздел 3.7 и 3.8).

Предлагаемая методика оптимизации конструктивных решений пье­

зоэлектрических модулей с механической редукцией (раздел 4.1)

позволяет получить максимально возможный ход для данного пакета мно­

гослойной пьезокерамики с учетом упругости корпуса рамки двигателя при

заданной напряженности управляющего поля. Выбор материала, формы и гео­

метрических размеров демпферов позволяет повысить запас устойчивости и

снизить колебательность механической системы. Предлагаемая методика охва­

тывает все основные аспекты, которые нужно учесть при проектировании

мехатронного модуля с механической точки зрения.

Заключение диссертации по теме «Роботы, мехатроника и робототехнические системы», Карев Павел Валерьевич

ВЫВОДЫ

Пьезомеханизмы широко применяются в качестве электромеханических преобразователей

для высоконадежных применений. Для обеспечения надежной работы пьезокерамики в дина-

мическом режиме требуется обеспечить оптимальную преднагрузку пьезокерамики с помощью

внешней механической пружины. Разработанные пьезомеханизмы не требуют никаких допол-

нительных фиксирующих устройств при выводе на орбиту: механизм микросканирования и

сканирующее зеркало. Развивается применение пьезо механизмов в системах фокусировки ла-

зерных источников лидаров. Новый тренд – применение пьезо механизмов в криогенной среде.

Тензометрические датчики являются очень простыми и легкими в использовании для выпол-

нения грубых измерений. Но для того, чтобы получить преимущества от высокой точности и

высокой стабильности требуются знания в технологии их применения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Карев Павел Валерьевич, 2020 год

Список литературы:

1. Исполнительные устройства и системы для микроперемещений: учебное пособие / А.А.

Бобцов, В.И. Бойков, С.В.Быстров, В.В. Григорьев, П.В.Карев. – СПб.: Университет ИТМО,

2017 – 134 с.

2. Миниатюрные пьезоэлектрические механизмы для электрооптических и космических при-

менений / R. Le Letty, F. Barillot, H. Fabbro, F. Claeyssen, Ph. Guay, L. Cadiergues, Карев П.В. // г.

Красногорск: Контенант - 2016. - Т. 15. - № 1. - С. 67-72

3. Nanometric Linear Piezo-Actuator with Integrated Strain Gages for High Stability Positioning / T.

Porchez, F. Barillot, C. Belly / ACTUATOR 2016, 15th International Conference on New Actuators,

Bremen, Germany, 13–15 June 2016