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。     

基于正逆压电效应的高能效振动半主动控制方法

基于同步开关阻尼（Synchronous Switch Damping,SSD）技术的压电振动半主动控制方法主要利用控制电 路中的同步开关和等效LC振荡电路,实现压电电压的同步翻转,使得压电驱动力始终和结构振动速度同相位, 用较低的能耗高效地抑制结构振动。然而常见的压电驱动元件如压电叠堆、压电纤维复合材料等,其允许工作 电压变化范围是不对称的,采用对称翻转的SSD技术难以充分利用压电元件的机电转化性能。提出了一种基于 双向压电效应的SSD技术,通过对压电电压上翻时注能、下翻时吸能的操作,最大化控制系统能效,并充分匹配 压电元件的机电转化潜能。介绍了所提SSD方法的工作原理,推导了非对称翻转条件下结构的振动衰减模型, 实现了非对称翻转SSD控制电路,并通过实验进行了验证。研究结果表明,所提SSD方法可以通过控制注能开 关占空比及吸能电路等效负载自适应地调节压电电压的上、下翻转因子,最终实现高能效的结构振动衰减 效果。     

TiO2含量对压电纤维复合材料抗拉及驱动应变性能的影响

采用粘稠塑性加工方法制备了锆钛酸铅方形压电纤维复合材料, 研究了环氧树脂中不同TiO₂含量对压电纤维复合材料的电学阻抗、抗拉及驱动应变性能的影响。结果表明: 环氧树脂中TiO₂含量不同, 压电纤维复合材料的谐振频率不同。压电纤维复合材料的抗拉强度及纵向自由应变值均随着环氧树脂中TiO₂含量增大先增加后减小。环氧树脂中TiO₂含量为3wt%的压电纤维复合材料的抗拉强度达到了77.50 MPa, 且在驱动电压为-500 V~+1500 V时, 其纵向自由应变值达到了1783.7 με。当环氧树脂中TiO₂含量从3wt%增大至5wt%时, 压电纤维复合材料的抗拉性能和驱动应变性能均有所降低。在不同的外加驱动频率下, 压电纤维复合材料表现出不同的驱动应变能力。随着频率的增大, 压电纤维复合材料的纵向自由应变幅度表现出明显降低, 当频率超过5 Hz后, 其纵向自由应变值略有减小。     

压电陶瓷阀在真空磁控反应溅射中的特性

在制备不锈钢-氮化铝(SS-AlN)金属陶瓷集热管的真空磁控溅射镀膜线上,采用PCV25型压电陶瓷阀作为反应气体氮气N2流量输出的驱动元件,实现反应溅射AlN反馈控制.研究了不同环境温度下压电阀偏置电压Vo对N2输出流量Q的影响.实验研究表明,在Vo先增加再减少的过程中,Q相应变化呈现迟滞特性.同时,该迟滞特性受压电阀工作的环境温度影响,环境温度越低迟滞特性越明显.例如与40℃相比,当环境温度为25℃时,压电阀的阈值电压小,饱和电压大,有效工作范围宽,且在压电阀有效工作范围内,N2输出流量Q随偏置电压Vo变化速率小.结合压电陶瓷阀的特性,优化设置反应溅射反馈控制参数,在高于30 kW的溅射功率下,实现反应溅射AlN工艺稳定,制备厚度约为70nm的AlN薄膜在可见光和太阳光范围内吸收几乎为零.     

基于谐波平衡法的双稳态压电发电系统非线性振动特性研究

研究双稳态压电发电系统非线性振动特性。通过谐波平衡法计算获得系统幅频响应方程,分析不同非线性系数、阻抗参数与激励对系统幅值解影响,随激励频率、幅值的变化,双稳态压电发电系统幅值解存在跳跃、多解现象,调节非线性系数及阻抗参数可使不稳定区域范围最小;研究外加激励对功率影响,随非线性系数及阻抗参数的增加,输出功率先增加后减小,通过调节磁化强度与负载阻抗可使系统输出功率最大;通过实验所得频率电压响应曲线及电阻功率响应曲线,验证系统非线性分析结果。可为双稳态压电发电系统工程应用提供理论依据。     

环境温度对压电纤维复合材料性能的影响

针对压电纤维复合材料在航天、航空领域的应用,研究极端环境温度对复合材料性能的影响.首先制备了基于锆钛酸铅(PZT)陶瓷的压电纤维复合材料,然后测试环境温度对压电纤维复合材料电学阻抗、自由应变、驱动性能和力学性能的影响.结果表明,环境温度对压电纤维复合材料的阻抗相位角差值有显著影响.随着环境温度的升高,压电纤维复合材料的...     

1-3型压电纤维复合材料结构参数对驱动性能的影响

采用有限元方法对1-3型压电纤维复合材料(Macro-fiber composites,MFC)建立微机电模型,讨论了交叉指形电极关键尺寸、两相结构尺寸对驱动性能的影响.结果表明:分支电极中心距P一定时,取较大的分支电极宽度w可得到较大的自由应变和夹持应力;当分支电极宽度w不变时,随p/w的增加,自由应变增加而夹持应力减小;采用交叉指形电极结构可使1-3型压电纤维复合材料具有较高的横观各向异性,横向效应系数可提高2.3倍.较小的聚合物层厚度a、纤维截面尺寸c有助于提高压电纤维复合材料的驱动性能,较小的纤维间聚合物宽度b有助于提高压电纤维复合材料的自由应变,但夹持应力则相应降低.     

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．     

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％）．     

纤维厚度和体积分数对压电纤维复合物应变性能的影响

实验制备了不同纤维厚度和体积分数的压电纤维复合物, 并在0.1 Hz的激励电压下测试了压电纤维复合物的自由应变性能和驱动性能, 研究复合物典型结构参数对其性能的影响。实验发现, 随着压电纤维厚度增加, 复合物自由应变和顶端位移下降, 1000 V激励电压下, 纤维厚度为200 μm样品纵向自由应变为665 με, 驱动Mylar膜产生的顶端位移为1.9 mm, 而纤维厚度为300 μm和400 μm样品的纵向自由应变仅为纤维厚度为200 μm样品的23.2%和11.7%, 顶端位移为纤维厚度为200 μm样品的45.8%和19.0%。压电纤维复合物具有驱动正交异性, 横向自由应变、纵向自由应变以及横向效应系数随着纤维体积分数的降低而减小, 纤维体积分数为74%的复合物其横向自由应变和纵向自由应变分别为体积分数为59%样品的2.04倍和1.72倍, 横向效应系数也从0.519减小到0.451。     

迟滞与蠕变耦合压电系统的建模及补偿方法

为了准确地描述压电驱动定位平台复杂的非线性特性，在经典Hammerstein结构模型基础上串联分数阶算子，提出了一种耦合迟滞、动力学和蠕变的非线性数学模型。其中该模型的蠕变、迟滞非线性特性分别采用分数阶算子和PI模型来描述；机械动力学特性使用二阶离散传递函数表示。此外，考虑了耦合模型的参数辨识问题，并通过压电驱动定位试验平台对所提耦合模型进行了验证。在1～100 Hz的正弦波输入电压信号作用下，与不考虑蠕变特性的Hammerstein结构模型相比，该耦合模型在均方根误差指标降低了27%以上，相对误差指标下降了约50%。该试验结果充分表明了所提耦合模型的有效性。在模型建立的基础上设计了逆蠕变和迟滞模型对系统进行前馈补偿，并结合PID控制算法对系统的性能进行调节。仿真结果验证了该复合控制方案在低频和混合频率输入信号下具有良好的跟踪效果。     

力电多场鼓包法测定PZT铁电薄膜的横向压电系数

为表征Pb(Zr_(0.52)Ti_(0.48))O_3(PZT)薄膜的横向压电性能,以纯力场鼓包测试模型和铁电薄膜材料压电方程为基础,推导了PZT铁电薄膜的力电耦合鼓包本构模型。采用溶胶-凝胶法制备了PZT铁电薄膜,并通过化学腐蚀法获得PZT薄膜鼓包样品。在外加电压为0~14V的条件下进行鼓包测试。结果表明,在纯力场作用下,PZT薄膜的弹性模量和残余应力分别为91.9GPa和36.2MPa;随着电压从2V变化到14V,PZT薄膜的横向压电系数d31从-28.9pm/V变化到-45.8pm/V。本工作所发展的力电耦合鼓包测试技术及力电耦合鼓包本构模型为评价铁电薄膜材料的横向压电性能提供了一种有效的分析方法。     

压电陶瓷片迟滞补偿建模及悬臂梁主动控制研究

为增强压电悬臂梁振动控制效果,提出一种基于最小二乘法的逆迟滞补偿控制算法。在不同电压下对压电陶瓷片位移进行实测,应用最小二乘法对其迟滞环进行多项式拟合建模,并利用压电片逆迟滞补偿模型对控制电压进行补偿。通过悬臂梁振动主动控制试验系统研究PID控制器在有、无逆迟滞补偿时的控制效果。结果表明:经过PID逆迟滞补偿后的主动控制效果比传统PID提高10.083%。因此,该逆迟滞补偿方法能够有效增强压电陶瓷片的主动控制效果,对于压电悬臂梁振动主动控制具有重要参考价值。     

基于迟滞观测器的压电堆补偿控制

压电堆具有反应速度快、能量密度高等特点被广泛应用于精密仪器的作动装置.然而,压电堆输出位移与驱动电压之间存在的迟滞效应会严重影响控制精度.为了补偿迟滞效应带来的影响,提升控制效果,提出了一种基于滑模变结构理论的类Luenberger迟滞观测器,观测器的设计不仅考虑到了模型中的不确定因素,还可在一定程度上减小外部扰动带来...     

基于压电‒弹性‒流体耦合的压电喷墨打印研究

目的 通过研究双极性梯形波的时间参数和电压幅值对液滴喷射的影响，确定合适的驱动波形，旨在避免卫星液滴出现的同时提高压电喷墨打印头液滴喷射的速度。方法 利用ANSYS Workbench平台仿真分析压电喷墨过程，对压电–弹性–流体双向流固耦合模型和两相流模型进行分布结构分析，根据液滴状态及喷射速度优化驱动波形。结果 最终确定双极性梯形波的时间参数为4、14、4、20、4 μs，电压幅值为15 V和35 V，加载该驱动波形，液滴喷射平均速度达3.1 m/s，且液滴状态较好，无卫星液滴出现。结论 驱动波形的时间参数和电压幅值对压电喷墨打印头喷射液滴的速度和卫星液滴的控制有一定的影响，通过对驱动波形进行优化可以提高压电喷墨打印头喷射液滴的质量。     

一种细长形非共振式压电直线电机结构优化设计EI北大核心CSCD

设计出一款基于桥式放大机构的细长形非共振压电直线电机,该电机尺寸为29 mm×5 mm×3.5 mm,论述了其工作原理,建立了物理模型并基于能量守恒原理推导出位移放大机构放大倍数的数学模型,通过仿真和试验验证了数学模型的正确性。根据数学模型得出了影响电机力学性能的各种结构参数,进而对结构参数进行了优化,最后研制出优化后的样机,并对优化前后的样机力学性能进行试验对比。试验结果显示,当两个驱动信号相位差为90°时,电机的输出驱动力达到最大;优化后的电机在峰值驱动电压为140 V、偏置电压为70 V、保持力为2.2 N的情况下,电机空载最高转速从6.69 mm/s线性增加到7.67 mm/s,速度载荷特性比优化前有明显的提升。研究结果表明,通过建立正确的数学模型能有效分析出影响电机性能的关键结构参数,改进后的电机力学性能得到显著提升。     

排列–浇铸法制备柔性压电纤维复合驱动器

设计了该压电纤维复合驱动器的结构,包括叉指电极板、粘结层和压电纤维复合层三部分。采用排列–浇铸法制备了柔性的层状压电纤维复合驱动器。测试了铌锌锆钛酸铅(PZN-PZT)陶瓷的电学性能及力学性能,理论推导了压电纤维复合材料的压电性能,并采用基于LabVIEW的动态应变系统测试了驱动器的应变性能。结果表明,PZN-PZT陶瓷的压电常数d33为520 pC/N,居里温度Tc为320℃,弹性柔顺系数s33为20.5×10–12m2/N。压电纤维复合材料的理论压电常数d33为509 pC/N,d31为–156 pC/N。在300 V正弦交变电压作用下,驱动器可以产生100με的纵向应变和58με的横向应变,即纵横向伸缩分别可达3.6和1.7μm,说明该驱动器具有较高的机电性能。     

新型旋转式压电惯性电机振子的冲击振动分析

新型旋转式压电惯性电机,是一种利用压电双晶片振子作为驱动元件,利用锯齿波作为激励电信号产生惯性冲击力的旋转电机。本文研究压电惯性电机振子在pzt元件激励下的冲击受迫响应。推导出了压电陶瓷片两端电压响应方程,以及压电振子梁的冲击受迫响应方程。分析了激励信号频率对振子梁端部响应的影响规律。同时,分析了不同激励信号占空比情况下振子梁端部响应变化规律,以及结构参数对电机驱动力矩的影响规律。分析了提高电机驱动力矩的有效途径。     

腔高对压电液压驱动器性能的影响

为满足大行程、高输出力精密驱动及振动控制的需求,设计了压电叠堆隔膜泵驱动的压电液压驱动器并进行了试验.利用实际液体可压缩的特性,建立了压电液压驱动器理论分析模型,分析了液体体积模量以及压电泵腔高对其输出性能的影响规律.结果表明,其他结构参数确定时压电液压驱动器输出能力随液体体积模量的减小而降低,并存在最佳腔高使其输出能力最大.利用尺寸为4 mm×4 mm×80 mm的压电叠堆制作了泵腔直径30 mm、高度分别为0.3 mm、0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm、1.3 mm的压电泵,用于驱动尺寸为20×100 mm3的液压缸.以水为工作介质,在电压150 V、频率60～400 Hz条件下测试了驱动器的输出速度及驱动力.工作频率为300 Hz时,腔高0.6 mm(最佳值)时的输出速度为13.2 mm/s,分别为腔高0.3 mm和1.3 mm时的1.1倍和2.28倍;工作频率为80Hz时,腔高0.3 mm(最小腔高)时的驱动力为105 N,是腔高1.3 mm时驱动力的2.3倍,说明选取合理的泵腔高度可有效提高驱动器的输出性能.     

压电喷墨驱动器特性研究及参数优化

目的 研究压电驱动器结构参数对其驱动性能的影响,并对其结构进行优化,为进一步研究压电喷墨的喷射特性奠定基础.方法 总结近年来压电喷墨印刷技术的研究现状,利用有限元数值模拟软件Comsol Multiphysics建立压电驱动器的数值模型,分析压电薄膜PZT、SiO2振动板和Parylene保护层这3个部分的结构尺寸对压电驱动器位移的影响规律,并且利用正交试验方法确定压电驱动器主要部件的最优尺寸.结果 压电驱动器的结构尺寸对其振幅有较大影响,不同的结构组合可以得到不同的压电驱动器位移.在压电薄膜与振动板宽度之比为0.7,振动板宽度为140μm,保护层厚度为0.7μm,振动板厚度为0.9μm,压电薄膜厚度为1μm时,驱动器位移达到最大.结论 通过对压电驱动器的结构尺寸进行优化,可使驱动器位移达到最大,从而使其驱动性能最优.