共振式压电驱动器分析及实验研究

推导了压电陶瓷等效刚度和驱动力的表达式.考虑胶层及预压弹簧的影响,将压电陶瓷简化为等效驱动力作用下的弹簧,设计了共振式压电驱动器.建立了共振式电驱动器的动力学模型,并进行了共振式压电驱动器原理性实验验证.实验与理论分析结果误差在10％以内,结果表明等效弹簧模型在低频范围内能够较为准确地模拟压电陶瓷的动力学特性.共振式压电驱动器可以显著放大压电陶瓷的位移,克服压电陶瓷输出位移小的缺点,有较为广阔的用途.     

微纳米压电陶瓷驱动器的迟滞特性建模

为了高精度地测量微纳米压电陶瓷的驱动特性,研究了一种基于最优模板尺寸的改进图像块匹配位移测量算法;结合Preisach模型,建立了压电陶瓷驱动器迟滞特性模型.首先,研究了不同模板尺寸对位移测量精度的影响,得到了基于标准模板的最优模板尺寸;然后,介绍了Preisach模型用于压电陶瓷驱动器迟滞建模的原理;最后,使用纳米平台系统验证了改进的亚像素模板匹配算法和迟滞特性建模方法的有效性和准确性.     

微纳米压电陶瓷驱动器的迟滞特性建模

为了高精度地测量微纳米压电陶瓷的驱动特性,研究了一种基于最优模板尺寸的改进图像块匹配位移测量算法;结合Preisach模型,建立了压电陶瓷驱动器迟滞特性模型.首先,研究了不同模板尺寸对位移测量精度的影响,得到了基于标准模板的最优模板尺寸;然后,介绍了Preisach模型用于压电陶瓷驱动器迟滞建模的原理;最后,使用纳米平台系统验证了改进的亚像素模板匹配算法和迟滞特性建模方法的有效性和准确性.     

压电陶瓷微位移驱动器在活塞仿形加工中的应用

分析了活塞仿形加工方法中存在的不足,提出了应用压电陶瓷微位移驱动器进行实时误差补偿,改善和提高活塞仿形加工性能的方案．针对压电陶瓷驱动器的非线性特性,给出了对其控制电压进行校正的方法．采用所提出的误差补偿方法能够有效提高活塞加工精度．     

压电谐波电机单级杠杆式位移放大机构的有限元分析

压电谐波电机是一种利用压电陶瓷驱动器、位移放大机构以及控制系统代替传统的波发生器的新型谐波电机.利用ANSYS软件对压电驱动器的单级杠杆式弹性铰链位移放大机构进行了有限元分析,得到了放大机构的变形及应力图,分析了影响位移放大倍数的因素以及改进措施.     

基于PZT-Si的MEMS微驱动器的设计与仿真分析

设计了一种基于PZT和Si的蟹爪型MEMS微驱动器,该具有结构简单,响应速度快,输出位移大的特点。为了进一步优化结构、提高使用性能寿命,本文根据微驱动器的结构特征,建立了直流电压下PZT蟹爪梁的的力-电耦合数学模型,得到了驱动电压与变形量的关系曲线。采用数值模拟方法开展了压电层材料、厚度等等参数对微驱动器驱动性能的影响研究,研究表明：相对于压电层厚度和输入电压的影响,压电材料性能是系统稳定性的主要影响因素。以弹性柔顺系数相对较低的“硬陶瓷”PZT-4作为压电层时,微驱动器的稳定性增强但驱动响应有所降低;而当选用弹性柔顺系数相对较大的“软陶瓷”PZT-5和PZT-5H作为压电层时,微驱动器的驱动效应增强而稳定性降低。在此基础上,对微驱动器的结构参数进行了优化分析,确定了蟹爪梁结构参数的最优组合, 为微驱动器的设计和改进提供了理论指导。     

压电陶瓷驱动的谐综合运动电子凸轮的试验研究

利用双悬臂梁式压电陶瓷驱动器作为主动件,与混频信号发生器、压电陶瓷功率放大器、激光位移传感器组合成电子凸轮系统.由信号发生器产生设定的包含多个特定频率分量的混频电压信号,经功率放大器放大后作用于压电陶瓷驱动器上,使其发生设定的谐综合特性的运动输出.试验结果表明,压电陶瓷驱动器的运动输出很好地实现了谐综合的特性.     

压电陶瓷驱动的谐综合运动电子凸轮的试验研究

利用双悬臂梁式压电陶瓷驱动器作为主动件,与混频信号发生器、压电陶瓷功率放大器、激光位移传感器组合成电子凸轮系统.由信号发生器产生设定的包含多个特定频率分量的混频电压信号,经功率放大器放大后作用于压电陶瓷驱动器上,使其发生设定的谐综合特性的运动输出.试验结果表明,压电陶瓷驱动器的运动输出很好地实现了谐综合的特性.     

基于PZT-Si的微机电系统微驱动器的设计与仿真分析

设计了一种基于PZT和Si的蟹爪型MEMS微驱动器,具有结构简单、响应速度快、输出位移大的特点。为了进一步优化结构、提高使用寿命,根据微驱动器的结构特征,建立了直流电压下PZT蟹爪梁的的力-电耦合数学模型,得到了驱动电压与变形量的关系曲线。采用数值模拟方法开展了压电层材料、厚度等参数对微驱动器驱动性能的影响研究,研究表明:相对于压电层厚度和输入电压的影响,压电材料性能是系统稳定性的主要影响因素。以弹性柔顺系数相对较低的"硬陶瓷"PZT-4作为压电层时,微驱动器的稳定性增强但驱动响应有所降低;而当选用弹性柔顺系数相对较大的"软陶瓷"PZT-5和PZT-5H作为压电层时,微驱动器的驱动效应增强而稳定性降低。在此基础上,对微驱动器的结构参数进行了优化分析,确定了蟹爪梁结构参数的最优组合,为微驱动器的设计和改进提供了理论指导。     

压电陶瓷驱动梁的变形分析及试验研究

利用逆压电效应可以研制各种驱动器．将片状的压电陶瓷(PZT)作为驱动器，对称地粘贴到梁的上下表面，在极性相反的外部电场的作用下，使驱动构件发生弯曲变形．在推导了粘贴有PZT压电驱动片梁的弯曲应变分布表达式的基础上，通过分析驱动片的纵横应变分布，提出了用横向定向加固的方法使压电陶瓷驱动元件表现出明显的正交异性，从而提高了压电驱动的效率，最后通过实验进行了对比验证．     

基于积分器的压电陶瓷自感知执行器研究

拟用压电陶瓷执行器自感知位移,省去外部传感器．从基本压电方程出发,推导出压电陶瓷执行器晶片上自由电荷中包含的执行器位移信息,进而提出了一种基于积分器电路的压电陶瓷执行器位移自感知方法．对压电陶瓷叠堆执行器设计了电压驱动电路,同时设计了获取自由电荷的积分器电路．基于此复合电路,执行器在执行的同时,可以感知其自身的位移．该方法使得自感知电路的调节和感知信号的获取变得容易,克服了电桥法自感知电路阻抗不易匹配的不足．实验结果表明,在不同的驱动电压波形、不同的驱动电压频率下,基于积分器的压电陶瓷自感知执行器均能够很好地获取执行器的位移信号．     

纳米级压电陶瓷微位移系统的研究

介绍了一种用于纳米磨削的新型微位移系统,该系统由压电陶瓷微位移工作台和计算机控制的专用驱动电源组成,系统精度与压电陶瓷致动器和控制系统密切相关。阐述了以压电陶瓷致动器为核心的微位移工作台和驱动电源的设计原理和设计特点,并用已研制成的高精度高分辩率微位移系统实现了陶瓷样件的纳米镜面磨制。     

用压电陶瓷实现精密工件台的微定位控制

以压电陶瓷微位移原理为基础，对精密驱动技术在精密定位工件台上的应用作了实验研究。设计了一个包括高压精密可调电源、压电微位移驱动器、作为反馈元件的光栅干涉仪、以及由ＩＢＭＰＣ机和单片机组成的控制系统。     

压电执行器位移自感知方法研究

在压电执行器闭环控制系统中,需要位移传感器提供位移反馈量．为了省略位移传感器,提出一种利用电子电路使压电执行器自感知其自身位移的方法．根据压电电荷几乎与位移成正比的特点,用电子电路获得驱动电荷,从电荷换算位移．提出了对压电执行器采取电压驱动和获取电荷为一体的复合驱动方法,高压运放输出作为高压驱动电源,电流积分器获得压电电荷．实验测量了带载和空载下压电双晶片和压电叠堆的自由位移,通过涡流位移传感器标定得到,双晶片位移自感知误差小于3．61％,叠堆位移自感知误差小于1．81％,实验测量了压电叠堆带载情况下的输出位移,结果表明可以用于带载位移自感知。     

基于单片机控制的压电陶瓷变压器驱动电源

以单片机及其控制电路为基础,设计了压电陶瓷变压器驱动电源,该电源为压电陶瓷变压器提供特定的振荡信号,根据压电陶瓷变压器的输出信号,适时调整输入频率,使其与压电陶瓷谐振频率一致,最大限度地保持了压电陶瓷的升压比,保证了压电陶瓷变压器的最大输出。实验数据表明,利用该驱动电源控制的压电陶瓷变压器,具有响应速度快,稳定性好,结构简单,调试方便,造价低廉,实用性强等特点,适用于压电陶瓷驱动器。     

压电陶瓷驱动器的滑模观测器反演控制

针对压电陶瓷驱动器中固有的迟滞非线性问题,设计基于滑模状态观测器的反演控制器对其进行输出跟踪控制。首先对压电陶瓷驱动的系统模型进行分析,将迟滞非线性部分视为有界干扰;在此基础上设计滑模状态观测器,对压电陶瓷驱动器的速度状态进行估计,整个系统仅需要测量输出位置信息。对采用滑模状态观测器的系统进行反演控制器设计,最后通过Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统是稳定的,系统中的所有信号是一致最终有界的。仿真结果表明了方法的有效性。     

压电材料非线性本构关系及有限元实施

通过对试验结果的分析 ,提出经过简化的压电陶瓷PZT 4的非线性本构关系 ,建立相应的有限元计算方法 .以多重复合式压电材料启动器为例 ,计算电荷载作用下的电畴翻转、反向极化和反向电致屈服等非线性响应 ,从而对压电材料启动器的工作特性有所了解 ,并对它的破坏机理的研究提供一些启示 .     

一种原子力显微镜中蠕变迟滞非线性特性补偿方案

压电陶瓷通常用于原子力显微镜(AFM)中的扫描器中,但是在无补偿开环控制中压电陶瓷在输入电压与输出位移之间表现出明显的迟滞和蠕变非线性特性,使得扫描所得图像失真.为此,针对原子力显微镜X轴的需求,采用了分步补偿的办法,先补偿蠕变特性而且可以简化迟滞补偿的算法,很大程度上减轻了图像的失真,使整个控制算法简单,无需复杂的运算,降低了对控制系统处理器的要求,降低设备成本.