基于电流控制的压电陶瓷驱动器

为了解决电压控制型压电陶瓷驱动器驱动压电陶瓷时存在的迟滞、蠕变和带宽窄的问题,设计了基于电流控制的压电陶瓷驱动器,利用压电陶瓷致动器位移与其所带电荷量间的线性关系,该驱动器通过控制压电陶瓷的充电电流和时间控制其位移量．在此基础上,提出了以分辨率换取稳定性的动态保持控制方法,采用该电流型驱动器,实现了开环下对压电陶瓷致动器的稳定、快速、高精度定位．实验结果表明,该驱动器驱动行程为10μm的压电陶瓷时,满行程带宽大于1．5kHz,重复定位精度小于4nm（0．4％）．     

压电叠堆位移放大致动器的动态特性

为了准确掌握压电叠堆位移放大致动器的动态特性,本文利用谐响应分析、阻抗测试法和动态投影栅线法对其进行分析研究。首先,使用ANSYS分析软件对放大机构的模态和位移随频率变化情况进行有限元分析。然后,运用压电陶瓷的阻抗测试法,对这一压电致动器的阻抗特性进行测量分析。最后通过动态投影栅线法对压电致动器的通放电位移状况进行测量分析。实验结果表明：位移放大机构的谐响应频率为1724Hz,能提供较大的输出力矩;压电致动器的谐振频率为8.3KHz左右,反谐振频率为8.75KHz左右,它的工作最快响应时间在0.3ms以内;它能在0.5ms内完成位移的突变,位移波动小于5um,且位移量随电压值呈线性变化;放电时的动态位移过程平稳。因此,这一压电致动器具有响应速度快,位移波动小、线性度好、精度高,输出力矩大等较好的动态响应特性,能被广泛应用于各种需要响应快、精度高、位移大的微位移控制驱动系统中,其应用前景值得期待。     

基于电荷泵的压电致动器迟滞非线性改善研究北大核心CSCD

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。     

伺服阀用超磁致伸缩致动器结构设计及输出位移建模

针对传统永磁偏置式超磁致伸缩致动器轴向偏置磁场均匀性较差的问题,设计了一种具有分布式永磁体偏置结构的阀用超磁致伸缩致动器;采用控制变量的方法,在限定超磁致伸缩致动器结构尺寸的条件下,通过改变超磁致伸缩棒的段数,对致动器偏置磁场进行仿真分析,并确定了最佳分布结构;基于磁阻理论、J-A模型、二次畴转模型及振动理论知识建立了阀用超磁致伸缩致动器的输出位移模型,并通过Matlab中lsim函数对致动器的阶跃响应及谐波响应进行了数值求解;为验证结构设计的合理性和模型的准确性,搭建了该致动器的试验系统,并进行了阶跃响应及谐波响应试验;结果表明:所设计的阀用超磁致伸缩致动器阶跃响应时间可达2.37 ms,在20 Hz到200 Hz的驱动频率范围内,试验结果与模型计算结果基本吻合,证明了模型的准确性。     

高线性度的二维无耦合纳米压电位移系统设计

设计了一套具有高线性度的二维无耦合纳米压电位移系统。提出了一种多个压电陶瓷同步线性操作的电荷控制方案,设计采用基于非线性反馈控制和相似控制相结合的具有接地配置功能的压电控制器。控制器中引入了T型电阻网络,使电容较小的压电致动器能够进行低频线性操作。并对压电陶瓷驱动的位移平台进行了机械结构设计,平台采用嵌套式串联结构来避免耦合位移。通过解析法和ANSYS Workbench有限元仿真两方面对位移平台进行了刚度及位移分析。搭建了一套干涉位移测量系统,对压电位移台的位移、耦合误差及线性度进行了验证测试。实验结果表明:系统满行程内二维位移台的耦合误差最大仅为0.098%,可以将迟滞不对称引起的剩余轨迹偏差减小到0.79%,两个压电陶瓷间的最大轨迹偏差仅为行程范围的0.23%,理论分析和实验验证了所设计多压电电荷控制器的可行性,且系统可有效抑制耦合位移并使定位精度得到明显提高。     

基于光控压电混合驱动悬臂梁独立模态控制

本文提出利用镧改性锆钛酸铅（PLZT）的光电效应,将PLZT作为电动势源来驱动压电作动器,从而实现光控板壳结构的振动控制。基于光控压电等效电学模型建立了光控压电混合驱动的数学模型,并进行了实验验证。为了实现光控悬臂梁的独立模态控制,针对悬臂梁结构,设计了正交模态传感器/作动器表面电极形状函数。提出PLZT与压电作动器正/反接控制的激励策略,并结合速度反馈定光强控制的控制算法,利用Newmark-β法对不同光照强度下悬臂梁的动态响应进行了数值仿真分析。分析结果证明了本文所设计的模态传感器/作动器及针对光控压电混合驱动提出的控制策略的正确性。     

北京大学工学院在压电材料领域取得突破性进展

正工学院力学与工程科学系李法新课题组在压电材料领域取得突破性进展,他们提出了一种周期正交的极化方法,将目前最常用的PZT压电陶瓷中的非线性畴变应变变得可逆,实现了约0.6%的超大致动应变,是传统PZT压电陶瓷的4倍。压电陶瓷致动器具有响应速度快、位移精度高、控制方便(电控)、体积小等优势,一直在致动器领域占据着主导地位。目前应用的压电致动器主要由锆钛酸铅(PZT)陶瓷制     

MEMS变形镜用PZT厚膜致动器阵列的制备及性能表征

提出了一种基于锆钛酸铅(PZT)压电厚膜致动器阵列驱动的MEMS微变形镜,建立了该微变形镜的结构模型,分析了其结构中各层厚度对其性能的影响.PZT压电厚膜是通过基于PZT压电陶瓷体材料的湿法刻蚀技术制备的,刻蚀液为1BHF2HCl4NH4 Cl4H2O.以数字锁相方法测试了压电厚膜的介电性能,在100 kHz以下时,其介电常数和介质损耗分别优于2400和3%.利用悬臂梁方法测试了压电厚膜的也.横向压电系数,约为-250 pm/V.制备了4×4阵列的压电致动器阵列.采用激光多普勒测试压电致动器的电压位移曲线,在100 V的电压驱动下致动器的变形量大约为2.2/μm;测试了致动器的频率响应,其谐振频率高于100 kHz;致动器刚度大,带负载能力强.     

用于双探针原子力显微镜的定位平台的设计及实验验证

针对双探针原子力显微镜的需求,设计了一种提供精确位移的大行程定位平台。采用柔性铰链和压电陶瓷致动器分别作为定位平台的导向机构和驱动机构。在 X、Y和Z轴运动方向通过并联机构实现独立位移。对定位平台进行数学建模,分析和计算定位平台的工作刚度和固有频率,并进行了有限元仿真分析。以电容传感器作为位移测量单元构建了定位平台实验装置,并进行了实验验证。实验结果表明:定位平台在X与Y轴方向上拥有 110μm 的行程,分辨率为5nm,在Z轴方向上拥有45μm的行程,分辨率为5nm。     

含压电致动器的四结点矩形复合材料夹层板单元

依据Hoff型夹层板理论以及纤维增强型复合材料和压电致动器的本构关系,首次建立了每个结点具有7个位移自由度的含压电致动器的四结点矩形复合材料夹层板单元。数值算例表明,方法具有良好的计算精度。     

一种弯曲型压电堆作动器的设计及在振动控制中的应用

提出了一种弯曲型压电堆作动器并将其应用于悬臂梁主动振动控制中。新型作动器由一个压电堆和一个 型金属底座和一个预压螺钉组成。该作动器的通过底座对压电堆纵向变形的约束而使底座弯曲变形产生作动弯矩。推导了新型作动器的输出作动弯矩计算公式,并将其应用于悬臂梁振动控制中,采用热弹比拟方法结合状态空间理论建立了带新型压电作动器的悬臂梁振动控制系统状态空间方程。分别应用正位置反馈（Positive position feedback,PPF）和神经网络预测（Neural network predictive,NNP）控制方法设计了主动振动控制系统。闭环仿真结果表明,采用本文提出的新型压电堆作动器控制悬臂梁的一弯模态位移响应,应用PPF控制其幅值可降低57%,应用NNP控制其幅值可降低92%。     

用于MEMS变形镜的双电极压电厚膜致动器

提出了一种用于MEMS变形镜的双电极驱动的压电陶瓷（PZT）厚膜致动器．采用有限元方法分析致动器变形时的应力分布情况,优化了内外圈电极尺寸,制作了61单元六边形分布的致动器阵列．测试结果表明,致动器在100V工作电压下的;中程约为6．6μm,谐振频率为58kHz,位移迟滞为8％～9％,通过采用单边电压一位移曲线的策略有效降低了位移迟滞,并进一步提出了分时驱动的电路方案．     

《压电堆作动器微振动控制平台控制效果评估与控制力效率分析》

微振动控制平台可安装在楼层上来消减源自地面的振动,在振动控制实验中,地面的激励无法复现,使用实验中测得的地面激励,计算隔振平台与楼层固连情况下的响应,用计算和实测平台响应的速度谱评价振动控制效果;根据实测的结构响应和压电堆作动器的力平衡方程计算作动器的实际输出力,与实测数据的对比表明,所用方法可较好地模拟作动器输出力;对比作动器输出的有效控制力和产生的电场力,讨论作动器控制力的效率。     

湿度响应致动器的研究进展和展望

本文总结了近几年湿度响应致动器的研究进展,从湿度响应致动器分类和驱动原理出发,主要讨论了响应性材料和致动器结构设计,对湿度响应材料目前的发展现状和存在的关键科学难点进行了系统的总结,旨在为具有新颖功能的智能微型致动器提供新的设计思路。多刺激响应、可编程,多功能和驱动-传感-控制一体化等多学科交叉研究方向将是未来湿度响应致动器研究新的突破点。     

离子聚合物金属复合材料电致动模型研究

离子聚合物金属复合材料（ionic polymer-metal composites,IPMC）是一种新型电致形变高分子材料,具有广阔应用前景。为了有效描述IPMC的形变规律,基于IPMC致动原理提出了一种电致动模型。建立了阶梯电压下IPMC膜内水合阳离子的力平衡方程,由水合阳离子的浓度分布及水分子的扩散计算得出水分子的浓度以及含水量分布,结合实验所确定的含水量和应变的关系从而确定IPMC沿厚度方向的应变分布。该计算方法适用于不同形状的IPMC致动器。以悬臂梁IPMC致动器为例,通过应变分布计算得到IPMC致动器在阶跃电压下的输出弯矩和相应的位移响应,模拟结果与实验结果的瞬时响应规律高度一致,证明该模型正确。该模型的建立为IPMC结构驱动一体化设计奠定了坚实的基础。     

新型纳米级微位移致动器的设计

磁致伸缩型微位移致动器通常采用多晶或孪晶结构材料作为驱动单元 ,由于晶界和孪晶界对畴壁的移动具有阻碍作用 ,其低场下的位移输出较小 ,调控精度受到较大影响。采用Tb Dy Fe单晶材料可以有效解决这一问题 ,本文介绍了采用这一单晶材料设计的新型高精度微位移致动器以及致动器的结构和数控电源     

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(10mm)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。     

基于压电驱动的自感知振动抑制研究

提出一种压电自感知电荷驱动方法,研究用同一压电元件在抑制振动的同时又能感知振动状态。该方法控制电路简单,在智能结构中易于实现,且电路调节方便,振动抑制效果好。将该方法应用于悬臂梁的一阶振动抑制,悬臂梁自由端振幅可被抑制约达90%。实验结果表明,该方法在驱动压电元件致动的同时可感知结构的运动状态,有望应用于诸如扫描探针显微镜、智能结构监测与控制等领域中。     

振动控制中压电作动器非线性的补偿方法研究

在周期振动的自适应控制中,压电作动器的非线性特性会产生高次谐波,激发高阶模态振动。为抑制压电作动器的高次谐波激励,同时结合自适应振动控制的特点,提出一种新的作动器非线性补偿方法。该方法将作动器的非线性与结构的动态特性部分融合,用正交多项式从输入输出信号中拟合静态非线性及其逆变换,计算过程简单,数值稳定性高。在控制通道中,通过逆变换对控制信号进行预处理,使得补偿后的输入输出具有线性系统的特征,而输入输出之间的相位差完全由自适应算法进行补偿。实验结果表明,所给出的补偿方法能够抑制高次谐波,并改善了振动控制效果。     

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。