基于位移放大的压电致动器设计与仿真

压电叠堆致动器广泛用于驱动智能变形装置,由于压电叠堆输出位移小,需要放大结构增大位移输出。设计了一种椭圆形位移放大结构,分析了椭圆长轴、壳体厚度、X方向位移和压电叠堆宽度等结构参数对Y方向的位移输出、应力强度和放大倍数等性能的影响规律,优化了结构参数,并制作了样品。测试数据表明,位移放大结构实现了5.3倍以上的位移放大;分析了放大结构在高频电压驱动下的瞬态响应,模拟了驱动信号频率对位移输出的影响,结果表明,在周期0.01 s的交变电压驱动下,结构的位移输出未出现失真。

压电致动器非线性特征的控制策略研究进展

压电致动器具有位移分辨率高、体积小、响应快、驱动负载能力强、可多自由度输出以及不受电磁干扰等优点,被广泛应用在微纳加工、微机电系统封装、生物医学以及航空航天等领域。然而,由于压电致动器自身存在的迟滞、蠕变等非线性特征,使得输出的稳定性以及精确度受到一定的影响,需采取恰当的控制策略解决上述问题。本文首先对压电致动器的非线性特征进行概述;其次,重点回顾了迟滞模型和蠕变模型的发展历程;然后,介绍了压电致动器的控制补偿策略及研究进展;最后对压电致动器控制技术的未来发展方向进行了讨论与展望。

基于压电致动器的水下柔性推进结构振动特性研究

压电纤维(Macro Fiber Composite,MFC)致动器因其柔韧性好、致动力大、防水性能优异等特点越来越受到人们的关注,并在智能传感/致动、能量采集、水下仿生机器人等领域得到了广泛的应用。本文旨在研究MFC驱动水下柔性结构的振动特性与动力学响应。计算得到MFC致动器驱动力,根据莫里森半经验公式推导得到流体附加惯性力和附加阻尼力。基于欧拉-伯努利梁理论、假设模态法和第二类拉格朗日方程,建立MFC致动的水下柔性结构耦合非线性动力学模型,采用谐波平衡法将非线性阻尼线性化。数值仿真和实验结果表明:粘贴了MFC致动器的柔性梁结构局部刚度增大,实测模态振型与仿真模态振型基本一致;受周围流体水动力的影响,MFC致动悬臂梁水下前两阶共振频率与动态响应下降明显;模型预测的幅频响应曲线与实测曲线吻合较好,证实了所建耦合动力学模型的有效性。本研究可为基于智能材料的水下仿生推进装置提供参考。

基于电荷泵的压电致动器迟滞非线性改善研究

压电致动器在精密定位、微纳米测量等领域得到了广泛的应用,然而迟滞和非线性现象严重影响了其定位精度和性能。虽然电荷驱动的方法可以降低大部分迟滞,但仍存在较为明显的残余迟滞,尤其是电压工作范围较大时,压电致动器的迟滞呈现增大的趋势。基于残余迟滞的分析和计算,提出了一种用于电荷泵驱动的残余迟滞改进方法,研究了校正参数的推导方法,改善了经典电荷泵驱动的迟滞非线性。通过实验发现,在驱动电压范围为0~100 V、驱动频率为0.1~2 Hz时,相比经典电荷泵驱动的2.79%迟滞,改进后的电荷泵驱动方法可以将迟滞进一步降低至0.47%以下,比经典的电荷泵驱动方法降低了83%左右。所提方法在精密测量等领域具有较好的应用价值。

具有大行程的步进型压电致动器研究综述

为了克服单个压电元件工作行程有限的不足,学者们提出了各种步进运动原理,并据此设计了各种结构的步进型压电致动器。重点介绍了步进型压电致动器的3种主要类型,即尺蠖型压电致动器、超声型压电致动器和粘滑型压电致动器,分别阐述了这3种压电致动器的运动原理和发展现状,指出了存在的问题与不足。

基于模态应变能分布的压电致动器/传感器位置优化遗传算法

由线弹性压电结构有限元动力方程推导压电智能结构振动控制方程;建立准确模拟层合压电结构动力行为的有限元模型。基于主结构模态应变能分布提出新的优化目标函数,将压电致动器/传感器位置编号作为优化变量,建立用离散变量表示的智能结构优化问题,并通过二进制编码的遗传算法(GA)求解。以四边固支复合层合压电智能板为数值算例,采用比例反馈控制,研究最优位置配置致动器/传感器智能结构目标模态的控制效果。数值结果表明基于模态应变能分布的遗传算法所得优化解振动控制效果较好。

压电致动器迟滞特性的多项式拟合建模

压电致动器具有响应速度快、功耗低、输出力大和定位精度高等优点,但是其迟滞特性给精确的微位移控制带来难度,为实现动静态特性理想的压电致动器控制,必须要针对其迟滞特性建模。对压电致动器的迟滞特性进行实验测试,在此基础上绘制其特性曲线,通过多项式拟合的方式求得满足给定精度下的特征曲线方程,完成对压电致动器迟滞特性的建模。同等输入量条件下,将实验测试结果与模型输出结果进行比较,结果表明:压电致动器静态模型误差均在1%左右,证明了该方法的有效性。

压电致动器Preisach模型的模糊插值算法及实现

为获得运算复杂度、速度、精度均较为理想的迟滞特性建模方法,便于微细精密运动的实时控制,提出了一种新的模糊插值算法。根据压电致动器迟滞特性曲线的几何特征,将其划分为上凸与下凹两类。利用相邻4个等分点的模糊插值模拟曲线的理想输出,分别给出该两类曲线的模糊插值方法。利用上述方法求取位移变化量,得到压电致动器Preisach模型的模糊插值算法。通过标准C语言完成了该算法并在ARM处理器三星S3C2410平台上进行了对比实验。结果表明:传统插值法误差为-0.512～0.073μm、标准差为0.184;压电致动器Preisach模型的模糊插值法误差为-0.347～0.094μm、标准差为0.139,该算法适于基于嵌入式处理器的实时精密控制。

实现压电致动器精密定位的模糊控制系统研究

针对压电精密定位系统的精度与实时性问题,提出一种适于压电精密定位系统的模糊控制方法,实现了压电致动器的迟滞特性和阶跃响应的实验建模。设计了压电致动器的模糊控制器,结合仿真结果,实现了基于32位嵌入式处理器S3C2410的压电精密定位模糊控制系统。测试结果表明:系统阶跃响应稳态误差小于0.1μm,调节时间在3ms以内,超调量小于20%;正弦响应误差范围为-0.24～0.20μm。

挠性结构振动控制中压电致动器/敏感器的优化配置

针对挠性结构的主动振动控制问题,给出了粘贴有若干压电片的挠性梁的数学模型。基于结构模态的可控可观性,提出一种压电致动器/敏感器同位位置的优化方法。该方法利用模态在可控可观性子空间上的正交投影来反映可控可观性的测度,并根据各阶模态在系统输出中的相对重要程度加权模态可控可观测性测度,由此得到致动器/敏感器的优化配置指标。通过数学仿证明了该优化方法的有效性。

智能梁压电致动器位置布置探讨

本文针对智能梁振动主动控制中 ,目前压电驱动器输出功率不足的缺点 ,通过振动模态理论和应变理论及能量观点 ,分析推导了智能梁中压电驱动器的最佳贴片位置 ,弥补了上述压电致动器的出力不足 ,提高了抑制控制效果 ,并通过实验验证了上述结论。

预压力对压电致动器位移和迟滞影响的分析

为适应微动隔振平台自适应控制的要求,提高系统响应速度和输出位移量,为隔振平台系统的执行元件—压电致动器设计预压装置,建立压电致动器模型,推出预压力与位移和迟滞的理论表达式。根据压电致动器受压状态试验,发现压电致动器的输出位移和迟滞量在受压下的变化与理论曲线基本吻合,在此基础上,进一步分析预压力对位移和迟滞量的影响机理。结果表明,位移量和迟滞的变化的根本原因是逆压电效应和压电系数随预压力的变化。

压电致动器辅助电阻点焊工艺实现及飞溅控制

电阻点焊是一种多物理场耦合且封闭不可见的金属成形过程,焊接过程中电流大且通电时间短,电极力与熔核区热熔化程度匹配不当,极易造成飞溅问题,影响表面成形并降低焊点强度.针对此问题,文中提出了一种压电致动器辅助电阻点焊的方法,利用压电致动器自身响应时间短、输出推力大的特点,将压电致动器辅助压力施加于焊接过程,实现电阻点焊过程中宏观静压力与压电致动器辅助快速动态可编程压力调节.结果表明,压电致动器在电阻点焊气缸宏观预紧力下可实现可控的压力输出,不同频率的振动可辅助加载于原始压力波形之上,在保持焊接参数不变的情况下,压电致动器的振动输入可有效改善熔核区热分布,实现对焊接飞溅的抑制并增大熔核直径,综合提升接头性能.

应用于智能机翼的压电致动器技术研究

该文针对新型智能机翼翼型变形控制的应用需求,研究了超临界翼型在产生微变形情况下的流谱结构及在10~500μm微变形条件下翼型的气动特性变化。研制出了用于智能机翼的压电陶瓷致动器：位移量为5~290μm,最大输出力为200N,满足智能机翼变形控制需求,验证了压电陶瓷致动器在智能机翼上应用的可行性。

高密度硬磁盘用小型压电致动器

利用宽度弯曲振动模式，制成了平面分割电极型片状压电致动器．分析、测试了致动器的位移－驱动电压特性和谐振频率．典型结果是１２Ｖ驱动电压下可获得０．４６μｍ的位移量，谐振频率为１０．７ｋＨｚ．

压电致动器双向电源研究

提出并研究了一种压电致动器电源，它可以实现对压电致动器的从负电压到正电压的双向电压作用，且作用电压可以很高并可不间断连续作用。该电源具有易于实现压电致动器输出自动控制和输出范围大的特点，适宜逆压电效应为基本原理的压电器件在以静态位移输出为主要目的的场合应用。文中论述和分析了这种电源的工作原理和电路实现方法，推导出理论计算公式，并给出了实验结论与应用情况。

电磁辅助压电致动器设计开发与性能测试研究

传统的压电致动器,受限于压电致动的小行程,通常只能测量较小的范围。研发了一种电磁辅助压电致动器,同时具备电磁式致动器长行程与压电式致动器高分辨率的特点,该致动器包含可动件、导引槽、挠性件、电磁铁、压电元件以及控制电路。首先调整挠性可调预压装置并设定电磁铁电流,使得电磁致动力处于最大静摩擦力与动摩擦力之间;再利用压电组件所产生的微震动,控制可动件与导引槽之间的接触情况在静摩擦与动摩擦之间切换,从而完成长行程(10 mm)且高分辨率(1.5μm)的往复运动。实验结果表明该致动器具备出色的定位能力。

压电致动器扑翼结构动力学仿真

采用传统扑动机构的微型扑翼,气动效率低、扑动能耗大。采用压电致动器的微型扑翼通过压电材料进行致动使机翼产生上下扑动,有效地将扑动机构和机翼两个主要系统进行集成,不仅节省重量,同时它具有任务变形自适应能力强、气动效率高和扑动能耗小的特点。通过PCL语言建立采用压电致动器的扑翼有限元模型,结合同尺寸扑翼气动力试验数据,进行采用压电致动器扑翼结构仿真。利用仿真结果研制采用压电致动器扑翼原理样机,研究表明,采用压电致动器后扑翼扑动频率得到明显提高,压电片可有效控制机翼的弯扭变形,有助于提高扑翼的气动效率。

压电致动器系统迟滞特性分析及影响

为了适应微动隔振平台自适应控制的要求,提高系统响应速度,对隔振平台系统的执行元件——压电致动系统进行了迟滞特性分析。为避免系统各部分间迟滞量混淆,将压电致动系统分为驱动电源和致动器两部分,首先根据Maison等效电路分析了驱动电压的迟滞量,然后综合考虑压电堆和机械结构的动态特性。在对压电致动器整体动态建模的基础上得出了系统输出位移-电压的迟滞量表达式,由表达式分析了影响迟滞的六个因素及影响。为高精度压电驱动系统的设计、控制系统的优化提供了依据。

用于微隔振平台的压电致动器设计与研究

为实现微隔振平台的自适应控制,选择具有驱动和传感功能的压电陶瓷设计了一种驱动器。从其本构关系出发,对单片压电陶瓷进行了分析,在此基础上建立了压电堆动态模型。设计出的压电致动器,不仅具有驱动与传感功能,而且具有简单、易加工等特点,然后通过试验研究,对压电致动器的预压进行了标定,并选择了合适的预压弹簧,完成了对致动器的成品化。最后对压电致动器的迟滞、线性、重复性进行了初步研究,为微隔振平台的控制打下了基础。