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适用于xBPM的压电驱动精密定位平台研究

适用于XBPM的压电驱动精密定位平台研究

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作者：崔旭中国矿业大学

学位级别：硕士

历经四代发展,同步辐射光源已逐渐成为基础科学和工业应用等领域不可或缺的大科学装置。同步辐射光束线装置分布距离长且环节复杂,为精确测量x射线的相位变化获取高质量实验数据,先进光源对x射线束流的角度稳定性提出了极高要求。x射线... 详细信息

历经四代发展,同步辐射光源已逐渐成为基础科学和工业应用等领域不可或缺的大科学装置。同步辐射光束线装置分布距离长且环节复杂,为精确测量x射线的相位变化获取高质量实验数据,先进光源对x射线束流的角度稳定性提出了极高要求。x射线束流位置探测器（xBPM）是判定束流稳定性的关键参考,其可提供光束位置信息与强度实时数据,但受限于安装精度等原因,探测器中心与束流中心难以完全重合。为追求探测器的高定位精度与易调姿控制,本文设计了一种适用于xBPM的压电驱动精密定位平台,并对其静态和动态特性进行分析与研究,通过有限元仿真和样机测试综合评价性能,在此基础上开展多目标尺寸参数优化。研究内容主要包括:首先,采取堆叠式构型,确保各轴向独立运动,综合特殊环境与柔性机构需求选取不锈钢304材料,并以封装式压电促动器为驱动器。采用伪刚体模型和能量守恒法推导缺口型与簧片式柔性元件的刚度表达式,对比分析后选取柔性板簧构造位移传动和放大机构,其动作灵敏且减少应力集中。遵循设计指标并综合运动原理完成平台整体方案,非封闭式结构及真空适应性改进使精密定位平台既适用于通常环境也满足高真空度下的要求。其次,基于Bernoulli-Euler梁理论和结构矩阵法,建立双桥臂式位移放大机构的位移放大比、输入/输出刚度解析模型,明确结构几何参数对其运动性能的影响,综合伪刚体模型法及柔性单元串并联关系,推导平行位移传动机构的刚度解析公式。由前述解析模型和驱动器标称位移得出平台轴向输出位移理论值,并依据柔性梁静力学模型,表示出柔性机构内部最大应力。基于集中参数法和Lagrange运动微分方程,构建精密定位平台的固有频率解析模型,求解期望运动自由度的固有频率。然后,为直观反映压电驱动精密定位平台的性能,使用Solid Works软件建立三维模型,借助ANSYS Workbench软件进行平台的结构静力学分析,得出工作行程、刚度、耦合运动和最大应力值的仿真结果。通过模态分析得出平台前6阶的固有频率及振型,参考国内光源关于环境振动频率分布的测试结果,对所设计的定位平台抗振性做出评估,其可有效规避主振动频率,确保x射线束流位置探测器可靠运作。最后,试制精密定位平台的原型样机,搭建测试系统并确定实验参数,开展基本性能指标与精度性能指标测试。将工作行程与耦合位移测试值同仿真值对比,分析设计指标达成情况并确定误差范围,另对定位系统的闭环线性度、重复定位精度与位移分辨率进行评价分析。综合测试发现,样机符合预期运动形式,满足微纳定位精度与运动解耦的要求。依据理论模型,明确平台优化设计的变量、约束条件及目标函数,选择序列二次规划算法,在平台样机基础上进行约束非线性的多目标优化探索,使其更贴近工程中的多元化需求。该论文有图60幅,表17个,参考文献84篇。

关键词： x射线束流位置探测器精密定位平台柔性机构静动力学特性多目标优化

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基于ZYNQ的xBPM束斑稳定控制系统研究

基于ZYNQ的XBPM束斑稳定控制系统研究

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作者：李松中国矿业大学

学位级别：硕士

随着第四代同步辐射光源的积极建设及x射线实验精度的不断提高,对于束斑位置稳定性的要求也越来越高。束斑位置稳定性是同步辐射光束线的重要指标,也是用户获得高质量实验数据的前提。束斑位置稳定性受环境振动干扰较大,单纯的隔振措施... 详细信息

随着第四代同步辐射光源的积极建设及x射线实验精度的不断提高,对于束斑位置稳定性的要求也越来越高。束斑位置稳定性是同步辐射光束线的重要指标,也是用户获得高质量实验数据的前提。束斑位置稳定性受环境振动干扰较大,单纯的隔振措施并不能完全消除环境干扰,因此针对高精度束斑位置稳定控制开展相应研究,对先进同步辐射光源的建设、提高实验数据质量及实验效率具有重要意义。为满足高精度束斑位置稳定性的要求,本文设计了一种基于束斑位置的反馈控制系统以实现束斑位置的主动调节,在此基础上搭建实验测试平台对其进行实验测试及分析。论文的主要内容包括:首先,介绍x射线束流位置探测器(xBPM)及束斑稳定控制的国内外研究现状,确定控制系统的整体方案设计,利用xBPM实时探测束斑位置构建反馈回路。结合控制系统的实际使用场景及需求,对系统的软硬件部分进行功能分析,软件部分采用EPICS完成控制系统开发,硬件部分使用Zynq Ultra Scale+MPSo C、xBPM、皮安表等实现所需功能。其次,对控制系统硬件电路的整体结构进行分析,采取核心板加扩展板的方式完成系统硬件电路部分实现。基于系统硬件电路的功能需求明确了外设电路应具备的功能模块及接口,主要包括UART接口、以太网通信接口、电源模块等,并完成了各个功能模块及接口的原理图设计。随后,为满足IOC运行的环境要求,使用Peta Linux构建Linux系统并搭建EPICS开发环境、创建IOC。根据控制系统软件部分所需完成的功能进行IOC数据库的设计,主要功能包括电流数据采集、束斑位置坐标解算、建立PID控制器、下发电压控制指令等。为方便束斑稳定控制系统的使用及调试,利用CS-Studio/Phoebus工具开发了可视化的用户操作界面。最后,搭建实验测试平台,对束斑稳定控制系统开展性能测试。在测试之前,为了解实验环境的振动强度,搭建了加速度测量装置测量环境振动加速度。随后分别测试了在有无反馈控制的情况下束斑位置受环境机械振动干扰的影响,并记录束斑位置变化数据。测试结果表明,面对环境振动等因素导致的束斑抖动,引入反馈后,控制系统不仅能够有效抑制束斑受环境振动等干扰所导致的偏移与抖动,且能使束斑位置长时间保持在设定位置。本论文有图70幅,表12个,参考文献81篇。

关键词：束斑位置稳定 x射线束流位置探测器 ZYNQ EPICS IOC

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