Методи та система підвищеної ефективності керування п’єзоелектричним мікроманіпулятором
| dc.contributor.advisor | Лисенко, Олександр Миколайович | |
| dc.contributor.author | Омелян, Анатолiй Васильович | |
| dc.date.accessioned | 2023-03-13T10:51:21Z | |
| dc.date.available | 2023-03-13T10:51:21Z | |
| dc.date.issued | 2022 | |
| dc.description.abstracten | Anatolii Omelian Methods and system of increasing the efficiency of piezoelectric micromanipulator control. – Qualifying scientific work on the rights of the manuscript. Thesis for the degree of Philosophy Doctor, in specialty 172 “Telecommunications and Radio Engineering”. – National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2022. The dissertation is devoted to solving the actual and important scientific and applied problem of improving the control efficiency of a piezoelectric micromanipulator based on linear piezoelectric motors on standing acoustic waves with a rectangular resonator in the micro- and nanospeed ranges, which was achieved due to the further development and improvement of existing control methods piezoelectric micromanipulator, development of hardware and software solutions, their implementation and control systems based on them. Effectiveness here means the desired compliance with the following criteria: - a wide range of movement speed; - low vibration level; -accuracy of positioning; -maneuverability (accurate and quick reaction to the control command). The content of the dissertation research is presented in four sections, in which the main results of the work are presented and substantiated. The introduction substantiates the relevance of the dissertation work, formulates the goal and indicates the research tasks, describes the research methods, presents information about the scientific novelty and practical significance of the obtained results, their approval and publication of the work. The first section considers an analysis of the micromanipulation system, its design, and the main components. The main element of the micromanipulator was studied – a linear piezoelectric motor. Each element of the engine design is analyzed in detail to understand the functions it performs. Special attention is paid to the motor guide (carriage), which depends on the linearity of its movement and the working tool of the manipulator, as well as to the piezoelectric resonator, since understanding the processes that take place in it when various excitations (control signals) are applied makes it possible to determine ways to improve efficiency operation of the engine and the micromanipulation system as a whole. The principle of the formation of mechanical vibrations in a piezoelectric element, as well as the types of deformations that can be induced in it, are considered. We have considered the conditions under which the pusher ("tooth") of the piezoelectric resonator performs oscillating movements along the trajectory of the ellipse, and due to the frictional contact between the pusher and the carriage, linear movement of the carriage occurs. The second section present the angular stability control system of the linear piezoelectric motor (motor carriage), which provided measurement of its angular displacements Roll(x), Pitch(y) and Yaw(z). The results of the conducted research are presented, algorithmic and software solutions for image processing in the created system are presented, which ensured the measurement of the angular instability of the piezoelectric motor in real time, which made it possible to significantly reduce the time of the experiment. Presented of mathematical model of the movement of the working tool of the manipulation system under the influence of Pitch and Yaw angular deviations. The third section presents the mechanical oscillations of the piezoelectric resonator of the engine are modeled using the Comsol Multiphysics software complex. The form and nature of mechanical vibrations of a piezoelectric resonator when different modes of oscillations are excited in the resonators (namely, the first, second, and the resulting operating modes) are shown. The process of adjusting the frequency shift of the resonance curves of the first and second modes between each other to ensure the conditions for the occurrence of a shift between mutually perpendicular mechanical oscillations of the pusher (“tooth”) at the level of 90 by changing the dimensions of the length and width of the piezoelectric resonator is considered. The necessity of choosing the right electrical resonance peak of the motor during its control is substantiated. The fourth section provides the methods of controlling the piezoelectric motor were improved, which ensured an increase in the efficiency of its control, and as a result, of the piezoelectric micromanipulator as a whole. The results of research on the piezoelectric motor are given, namely: -resonance curves of engine modes (first, second and resulting); -dependence of the engine speed on the excitation frequency of the engine resonator; -start-stop loading characteristics of the engine (speed of engine acceleration and stopping) depending on the direction of movement and the applied load at a fixed frequency of excitation (X, Y and Z coordinates); -load characteristics of the engine depending on the direction of movement and the applied load (X, Y and Z coordinates); -the size of the motor step depending on the excitation frequency and the number of excitation periods; -load characteristics of the engine (step size when applying the load) in the step mode of operation depending on the number of excitation pulses (X, Y and Z coordinates). The developed software and hardware solutions for the implementation of the proposed improved methods of controlling the piezoelectric micromanipulator and the layout of the system based on them are presented, as well as the results of their research. The following research results were obtained in the dissertation work: 1.For the first time, an improvement of the method of controlling a piezoelectric motor with a rectangular resonator based on pulse width modulation (PWM) was proposed by minimizing the speed of the motor during its start and stop, which made it possible to reduce the noise and vibration level by 2-10 times when working in the micro speed range. 2.For the first time, an improvement of the piezoelectric motor control method was proposed, which provided a speed range control mode in the nanorange by using a fixed number of excitation pulses (up to 20 in a sequence) with regulation of the frequency of following these sequences, which was formed by a mechanical means of controlling a micromanipulator (joystick, trackball), which made it possible to increase control maneuverability by more than 2 times. 3.For the first time, an improvement of the method of increasing the positioning accuracy of the piezoelectric micromanipulator in automatic mode by avoiding overadjustments by changing the movement of the manipulator during continuous movement to a step mode of movement with subsequent stopping at the positioning point is proposed. This ensured an increase in positioning accuracy to the level of (5-10) microns. 4.A mathematical model of the movement of the working tool of the manipulation system under the influence of Pitch and Yaw angular deviations has been developed, which allows algorithmically compensating the deviation data to minimize the positioning error of the micromanipulator, taking into account the experimental data obtained during the study of the guide motors. 5.Based on the research of the characteristics of the piezoelectric motor, it was established that its resonance characteristic has two resonance peaks, while its speed should be controlled by adjusting the excitation frequency in the control zone, which is located on the right slope of the right resonance peak. 6.Simulation of mechanical vibrations of the piezoelectric resonator of the engine was performed, which allowed to confirm the necessity of choosing the right electrical resonance peak of the engine during its control. The following practical research new results were obtained: 1.Algorithmic and software solutions for the implementation of improved methods of controlling the piezoelectric micromanipulator / motor, which made it possible to achieve a speed control range of 140 mm/s - 0.05 mm/s, positioning accuracy with the encoder version (5-10) m and, as a result, on average, it increased the efficiency of the micromanipulator system in these parameters compared to existing solutions by 2 times. 2.Means of controlling the parameters of new piezoelectric motors, which allow measuring the characteristics of the piezoelectric resonator, investigating the accuracy of linear guide movements and measuring vibration effects when researching new methods of controlling the piezoelectric motor and, as a result, reducing the testing time by an average of 1.5 -2 times. 3.Stand of a piezoelectric micromanipulator control system based on the developed methods of controlling a linear piezoelectric motor with increased control efficiency by an average of 2 times, in particular: - range of movement speed – expansion to the level of (0.05-140) mm/s. -low vibration level – reduction of the level of vibration noise by 2-10 times depending on the operating speed range. -positioning accuracy – increasing the positioning accuracy to the level of (5- 10)m. -maneuverability – reducing the joystick response time from 10 ms to 5 ms, switching the engine to the mode of nanosteps (200-300) nm. The obtained practical results of the research can be used in the construction of systems that must perform accurate movement of objects in micro- and nanospace with high accuracy and speed. The new results obtained in the dissertation were applied at the enterprise "Lileya" LLC (Kyiv), which is confirmed by the relevant act dated 23.09.2022 on the implementation of the proposed methods of speed control, control of piezo motor parameters, dynamic control of linear parameters of micromanipulator guides and developed software Driver Rev.J, Rev.H in control systems of micromanipulator piezoelectric motors LPM-2M, LPM-5 and LPM-1. | uk |
| dc.description.abstractuk | Омелян А.В. Методи та система підвищеної ефективності керування п’єзоелектричним мікроманіпулятором. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 172 “Телекомунікації та радіотехніка”. – Національний технічний університет України “Київський полiтехнiчний iнститут iменi Ігоря Сiкорського”, МОН України, Київ, 2022. Дисертаційна роботи присвячена вирішенню актуальної та важливої науково-прикладної задачі підвищення ефективності керування п’єзоелектричним мікроманіпулятором на базі лінійних п’єзоелектричних двигунів на стоячих акустичних хвилях з прямокутним резонатором в мікро- та нанодіапазонах швидкостей, що досягнуто за рахунок подальшого розвитку і вдосконалення існуючих методів керування п’єзоелектричним мікроманіпулятором, розробки програмно-апаратних рішень, їх реалізації та системи керування на їх основі. Під ефективністю тут розуміється бажана відповідність наступним критеріям: -широкий діапазон швидкості руху; -низький рівень вібрацій; -точність позиціонування; -маневреність (точна та швидка реакція на команду керування). Зміст дисертаційного дослідження викладено у чотирьох розділах, в яких представлені та обґрунтовані основні результати роботи. У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету та вказано поставлені задачі дослідження, описано методи дослідження, представлено інформацію про наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, їх апробацію та публікації по роботі. У першому розділі проведено аналіз мікроманіпуляційної системи, її конструкції, а також основних компонентів. Досліджено основний елемент мікроманіпулятора – лінійний п’єзоелектричний двигун. Детально проаналізовано кожен елемент конструкції двигуна для розуміння функцій, які він виконує. Особливу увагу приділено направляючій двигуна (каретці), від якої залежить лінійність її руху та робочого інструменту маніпулятора, а також п’єзоелектричному резонатору, оскільки розуміння процесів, які відбуваються в ньому при прикладанні різних збуджень (сигналів керування), дало змогу визначити шляхи підвищення ефективності роботи двигуна та мікроманіпуляційної системи в цілому. Розглянуто принцип формування механічних коливань в п`єзоелектричному елементі, а також види деформацій, які можна збудити в ньому. Розглянуто умови, при яких штовхач (“зуб”) п’єзоелектричного резонатора здійснює коливальні рухи по траєкторії еліпсу та за рахунок фрикційного контакту між штовхачем і кареткою відбувається лінійний рух каретки. В другому розділі розглянуто систему контролю кутової стабільності лінійного п’єзоелектричного двигуна (каретки двигуна), яка забезпечила вимірювання його кутових переміщень Roll(x), Pitch(y) та Yaw(z). Представлено результати проведених досліджень, наведено алгоритмічні та програмні рішення для обробки зображень в створеній системі, які забезпечили вимірювання кутової нестабільності п’єзоелектричного двигуна в режимі реального часу, що дало змогу суттєво скоротити час проведення експерименту. Представлено математичну модель переміщення робочого інструменту маніпуляційної системи під впливом кутових відхилень Pitch та Yaw. В третьому розділі проведено моделювання механічних коливань п’єзоелектричного резонатора двигуна за допомогою програмного комплексу Comsol Multiphysics. Показано форму та характер механічних коливань п’єзоелектричного резонатора при збудженні в ньому різних мод коливань (а саме першої, другої та результуючої – робочої). Розглянуто процес регулювання зсуву частот резонансних кривих першої та другої мод між собою для забезпечення умови виникнення зсуву між взаємно перпендикулярними механічними коливання штовхача (“зуба”) рівною 90 шляхом зміни розмірів довжини та ширини п’єзоелектричного резонатора. Обґрунтовано необхідність вибору саме правого електричного резонансного піка двигуна при його керуванні. В четвертому розділі проведено удосконалення методів керування п’єзоелектричного двигуна, які забезпечили підвищення ефективності його керування, а як наслідок і п’єзоелектричного мікроманіпулятора в цілому. Наведено результати досліджень п’єзоелектричного двигуна, а саме: -електричні резонанси мод двигуна (першої, другої та результуючої); -залежність швидкості двигуна від частоти збудження резонатора двигуна; -старт-стопна навантажувальна характеристика двигуна (швидкість розгону двигуна і зупинки) в залежності від напрямку руху та прикладеного навантаження при фіксованій частоті збудження (Х,Y та Z координат); -навантажувальні характеристики двигуна в залежності від напрямку руху та прикладеного навантаження (Х,Y та Z координат); -величина кроку двигуна в залежності від частоти збудження та кількості періодів збудження; -навантажувальні характеристики двигуна (величина кроку при прикладенні навантаження) в кроковому режимі роботи в залежності від кількості імпульсів збудження (Х,Y та Z координат). Наведено розроблені програмно-апаратні рішення реалізації запропонованих удосконалених методів керування п’єзоелектричним мікроманіпулятором та макет системи на їх основі, а також результати їх дослідження. В дисертаційній роботі отримано наступні нові наукові результати дослідження: 1.Вперше запропоновано удосконалення методу керування п’єзоелектричним двигуном з прямокутним резонатором на основі широтноімпульсної модуляції (ШІМ) шляхом мінімізації швидкості двигуна при його старті та зупинці, що дозволило зменшити рівень шумів та вібрацій в 2-10 разів при роботі в мікродіапазоні швидкостей. 2.Вперше запропоновано удосконалення методу керування п’єзоелектричним двигуном, який забезпечив режим керування швидкістю в нанодіапазоні швидкостей за рахунок використання фіксованої кількості імпульсів збудження (до 20 в послідовності) з регулюванням частоти слідування цих послідовностей, яка формувалася механічним засобом керування мікроманіпулятором (джойстик, трекбол), що дозволило підвищити маневреність керування більше, ніж у 2 рази. 3.Вперше запропоновано удосконалення методу підвищення точності позиціонування п’єзоелектричного мікроманіпулятора в автоматичному режимі за рахунок уникнення перерегулювань шляхом зміни переміщення маніпулятора при безперервному русі до крокового режиму руху з подальшою зупинкою в точці позиціонування, що забезпечило підвищення точності позиціонування до рівня (5- 10) мкм. 4.Розроблено математичну модель переміщення робочого інструменту маніпуляційної системи під впливом кутових відхилень Pitch та Yaw, яка дозволяє алгоритмічно компенсувати дані відхилення для мінімізації похибки позиціонування мікроманіпулятора з врахуванням експериментальних даних, отриманих при дослідженні направляючих двигунів. 5.На основі дослідження характеристик п’єзоелектричного двигуна встановлено, що його резонансна характеристика має два резонансні піки, при цьому керування його швидкістю слід здійснювати шляхом регулювання частоти збудження в зоні керування, яка знаходиться на правому схилі правого резонансного піка. 6.Виконано моделювання механічних коливань п’єзоелектричного резонатора двигуна, що дозволило підтвердити необхідність вибору саме правого електричного резонансного піка двигуна при його керуванні. Отримано наступні практичні результати досліджень: 1.Розроблено алгоритмічні та програмні рішення реалізації удосконалених методів керування п’єзоелектричним мікроманіпулятором / двигуном, що дозволило досягти діапазон керування по швидкості 140 мм/с - 0.05 мм/с, точність позиціювання з енкодерною версією (5-10) мкм і, як наслідок, в середньому підвищило ефективність мікроманіпуляторної системи по цим параметрам у порівнянні з існуючими рішеннями у 2 рази. 2.Створено засоби контролю параметрів нових п’єзоелектричних двигунів, які дозволяють вимірювати характеристики п’єзоелектричного резонатора, досліджувати точність переміщень лінійних направляючих та здійснювати вимірювання вібраційних ефектів при дослідженні нових методів керування п’єзодвигуном та скоротити час тестування в середньому в 1.5-2 рази. 3.Створено макет системи керування п’єзоелектричним мікроманіпулятором на основі розроблених методів керування лінійним п’єзоелектричним двигуном з підвищеною ефективністю керування в середньому в 2 рази, зокрема: -діапазон швидкості руху – розширення до рівня (0.05-140) мм/с. -низький рівень вібрацій – зменшення рівня вібраційних ефектів в 2-10 разів в залежності від діапазону робочої швидкості. -точність позиціонування – підвищення точності позиціонування до рівня (5-10) мкм. -маневреність – зменшення часу відклику джойстику з 10 мс до 5 мс, переведення двигуна в режим нанокроків (200-300) нм. Отримані практичні результати дослідження можуть буди використані при побудові систем, які повинні виконувати точне переміщення об’єктів в мікро- та нанопросторі з високою точністю та швидкодією. Одержані в дисертації нові результати знайшли застосування на підприємстві ТОВ «Лілея» (м. Київ), що підтверджується відповідним актом від 23.09.2022 про впровадження запропонованих методів керування швидкістю, контролю параметрів п’єзодвигуна, динамічного контролю лінійних параметрів направляючих мікроманіпулятора та розробленого програмного забезпечення Driver Rev.J, Rev.H в системах керування мікроманіпуляторних п’єзоелектричних двигунів LPM-2M, LPM-5 та LPM-1. | uk |
| dc.format.page | 160 с. | uk |
| dc.identifier.citation | Омелян, А. В. Методи та система підвищеної ефективності керування п’єзоелектричним мікроманіпулятором : дис. … д-ра філософії : 172 Телекомунiкацiї та радiотехнiка / Омелян Анатолiй Васильович. – Київ, 2022. – 160 с. | uk |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/53613 | |
| dc.language.iso | uk | uk |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | uk |
| dc.publisher.place | Київ | uk |
| dc.subject | мікроманіпуляційна система | uk |
| dc.subject | п’єзоелектричний двигун | uk |
| dc.subject | точність | uk |
| dc.subject | маневреність | uk |
| dc.subject | низький рівень вібрацій | uk |
| dc.subject | методи керування | uk |
| dc.subject | micromanipulation system | uk |
| dc.subject | piezoelectric motor | uk |
| dc.subject | precision | uk |
| dc.subject | maneuverability | uk |
| dc.subject | low vibration level | uk |
| dc.subject | control methods | uk |
| dc.subject.udc | 621.3 | uk |
| dc.title | Методи та система підвищеної ефективності керування п’єзоелектричним мікроманіпулятором | uk |
| dc.type | Thesis Doctoral | uk |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Omelian_dys.pdf
- Розмір:
- 8.07 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
- Опис:
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 9.1 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: