基于光-压电的非接触式弹性圆环独立模态控制

在接近紫外波长的高能光束均匀照射下,极化的镧改性锆钛酸铅(PbLaZrTi,PLZT)铁电陶瓷具有反常的光生伏特效应,即在两极间会产生很高的电压。利用此电压信号来驱动层合于柔性板壳结构的压电作动器,可以实现对柔性板壳结构的非接触式控制。为实现弹性圆环的非接触式独立模态控制,利用模态展开技术及振型函数的正交性设计余弦状正交模态作动器,并利用PLZT产生的电压来驱动层合于圆环上的聚偏二氟乙烯(Polymeric polyvinylidene fluoride,PVDF)压电模态作动器。在控制策略上采用速度反馈的定光强控制,通过模态速度符号来调节压电作动器与PLZT的连接方向,以实现作动器产生控制力的正/负切换。采用Newmark-β法对弹性圆环在不同光强下的动态响应进行数值仿真分析。仿真结果表明,在PLZT产生的电压信号的驱动下,压电作动器对系统产生的驱动力随光照时间成指数倍增加,且光照强度越大控制效果越好。     

光驱动压电作动器用于薄壳振动控制策略的研究及可行性验证

为提高薄壳结构工作性能,突破现有的结构振动控制方法局限性,采用新材料PLZT,开启了利用光电压驱动压电作动器的新研究。现对利用光驱动压电作动器方法用于薄壳振动控制进行了研究,设计其控制策略,并通过试验研究验证了所设计的控制策略的有效性和光驱动压电作动器方法用于薄壳振动控制的可行性。     

双向驱动压电作动器结构设计

为了实现叠层压电作动器双向驱动、提高作动行程的目的,设计了利用三角位移放大原理的双向驱动压电作动器。分析了作动机构的运动及放大机理,建立了作动器的输出位移的理论模型和有限元静力模型。样机输出特性试验结果显示:压电作动器的位移放大倍数达5.45,与有限元仿真得到的放大倍数5.71以及解析计算得到的5.76倍相对偏差分别是4.77%和5.69%;驱动器在幅值为200 V正弦电压的激励下,作动行程达105.5μm,作动行程与电压幅值具有很高的线性度(相关程度R2=0.997),且有很高的重复精度;作动器的输出特性受频率影响较小,频率每升高10 Hz,作动振幅减小0.04μm;放大机构的迟滞效应相比单个叠层压电陶瓷有很大改善,迟滞回线中心对称。该结构实现了较大行程、双向对称驱动的目的,适用于需要往复驱动特性对称的应用场合。     

新型压电作动器驱动的直线电机驱动电源研究

基于压电作动器的大容性负载特性,通过电路匹配分析提出了基于直流升压变换器和谐振驱动控制电路;根据压电作动器驱动偏压要求,设计偏压电路使输出电压在-20~100 V之间;采用微处理器和D触发器设计驱动信号产生电路;将设计的驱动电源用于双作动器驱动的压电直线电机,电机运转平稳,电路功耗小,通过匹配不同的电感实现了宽频范围驱动.     

一种错位旋磁激励压电俘能器

为解决现有旋磁激励压电俘能器动磁铁与定磁铁正对激励时易发生碰撞的问题,提出一种错位旋磁激励的压电俘能器,并进行了磁力耦合仿真分析以及动磁铁转速/径向激励距离/压电振子端部附加质量等对俘能器发电性能影响的测试试验。结果表明:动定磁铁错位配置可实现压电振子的有效激励,且存在多个使输出电压出现峰值的最佳转速;径向激励距离对最佳转速无影响,但对峰值电压影响较大,正/负向分别存在不同的最佳激励距离使峰值电压最大;附加质量及动磁铁数量对俘能器性能影响较大,随着附加质量增大,各阶最佳转速降低、电压峰值增大;随着动磁铁数量增加,最佳转速的阶数、转速值及其所对应的电压值都依次减小。     

尺蠖式压电线性作动器设计及实验研究

针对空间环境下小型抓取操作机构对新型作动器的使用需求,考虑压电作动器具有耐温范围宽、无电磁干扰及断电自锁等特点,仿照昆虫尺蠖的行走方式设计一种新型压电线性作动器。首先,利用柔性铰链式位移放大机构放大压电陶瓷（Pb-Zr-Ti,简称PZT）叠堆的输出位移,以增大线性作动器的移动步长及对导轨的夹紧变形量,将多个压电陶瓷叠堆器件分为3组,分别作为尺蠖式压电线性作动器的2个夹持单元和1个推进单元的激励源,以获得较大的驱动力并进一步增大作动器的移动步长;其次,借助有限元仿真分析软件,研究压电陶瓷叠堆力电耦合行为的预测方法,并实验验证该方法的可行性;然后,简化柔性铰链式位移放大机构,提出放大倍数的数值分析方法,对位移放大机构在压电陶瓷叠堆作动方向上的刚度进行仿真分析,并验证放大倍数的数值分析方法的准确性;最后,基于设计的线性作动器开展实验研究。结果表明：位移放大机构对压电陶瓷叠堆输出位移的放大倍数为7.3,处于理论值与仿真值之间;在激励电压频率为5 Hz时,作动器的最大空载移动速度为413 μm/s;作动器的最大推动力为16 N,对应的驱动速度为19 μm/s。以上研究结果能为小型抓取操作机构的智能驱动提供技术支持。     

用于光阑的旋转型驻波压电作动器

为了驱动光阑实现对光束的控制和调节,提出一种新型的旋转型驻波压电作动器。现有压电作动器中,性能稳定的多为单一振子复合模态工作方式,要求各工作模态频率差小,除了对加工精度要求高之外,由于工作磨损对各模态频率影响不同,工作模态的频率差增大,使作动器的性能和效率下降。针对这一问题和光阑的工作特点,研制了一种新型的旋转型压电作动器。该作动器利用两个相同结构杆形压电振子的同形模态,经摩擦驱动光阑活动环转动,达到调节光阑孔径的目的。原理样机实验表明:当预压力为8N时,在驱动电压为200V_(p-p)～400V_(p-p)范围内,作动器的旋转速度与电压成正比,最大的逆时针旋转速度为75.36rad/min,最大的顺时针运动速度为62.8rad/min;在驱动电压为400V_(p-p)下分辨率可以达到0.34mrad。该压电作动器满足了光阑光束控制的要求,具有结构简单、响应快速、调速平稳和精度高等优点。     

冗余度柔性机器人复模态振动主动控制

研究了具有压电作动器与应变传感器的冗余度柔性机器人的振动主动控制问题；建立了受控系统的状态空间表达式；获得了压电作动器的实际控制电压，并根据连杆中点的应变信号对受控系统的状态进行了近似估计。仿真算例表明，该方法可以显著改善受控系统的动力学性能。     

基于压电作动器的直线电机及其高效驱动

由于传统的压电作动器驱动易造成严重发热、波形欠佳以及处理速度要求较高等问题,本文提出了一种新型的基于压电作动器的非共振型直线电机及其驱动方式.为满足作动器大容性负载特性及其驱动器对高频率的需求,通过电路匹配分析,提出了直流升压变换器和谐振变换的驱动方案,设计了偏压电路使输出驱动波形满足作动器驱动电压的要求.采用傅里叶变...     

菱形微位移压电作动器输入输出杂交建模

针对某定位装置,研究了一种新型菱形微位移压电作动器,该压电作动器由压电堆、菱形位移放大机构以及柔性铰链组成。菱形微位移压电作动器的核心驱动部件为压电堆,由于压电材料的迟滞特性,菱形压电作动器具有非线性迟滞特性。为了消除迟滞对压电作动器在后续控制中的影响,发展了一种Preisach杂交建模的方法,该方法在传统Preisach模型的基础上,有效结合了Preisach离散模型和支持向量机(support vector machine,简称SVM),建立了微位移压电作动器输入输出杂交模型。试验结果表明,SVM有效解决了因1阶滞回曲线数量不足而导致Preisach模型精度低的问题,同时与传统Preisach模型相比,杂交建模能更准确地描述迟滞特性,具有更高的精度。     

用于驱动履带的夹心式压电作动器的动力学特性

提出一种夹心式压电作动器,用于直接驱动履带以构成小型履带式行星探测移动系统。压电作动器由变截面夹心式压电振子以及对称设置在其两端的两个圆环部分组成。压电作动器在两相具有π/2相位差的电信号驱动下激励出两相正交工作模态并在圆环处呈现两相在空间上具有π/2相位差的面内弯曲振动,耦合形成沿圆环周向旋转的行波,圆环表面质点做微幅椭圆运动,经摩擦作用驱动履带运动。利用有限元法对压电作动器进行了结构设计和动力学特性分析,并通过测振试验进行验证:1模态试验结果表明压电作动器的两相试验工作模态频率差为16 Hz,满足行波在圆环部分形成的要求;2通过谐响应试验得到了圆环表面质点在一个周期内的椭圆运动轨迹,与仿真结果相吻合。构建压电作动器驱动的可进行双向运动的履带移动系统,瞬态特性试验结果表明:1履带移动系统具有快速响应特性;2履带移动系统的瞬时运动速度呈周期性变化。     

宏纤维复合材料MFC作动器迟滞非线性分析与补偿方法研究

作为一种新型的压电纤维复合材料作动器,宏纤维复合材料MFC(Macro fiber composite)具有响应迅速、机电换能效率高、封装完备和环境适应性强等特点,广泛应用于工程结构的振动、主动变形控制的领域。然而压电材料所固有的迟滞非线性特性直接影响着作动器的控制精度和驱动效果。构造MFC作动器驱动的悬臂梁结构的试验系统,建立基于试验数据的PI(Prandtl-Ishlinskii)和修正PI迟滞模型,进而开展针对主动控制的迟滞逆补偿模型研究。通过试验对这两种模型的准确性和逆补偿的有效性进行比较,结果表明修正的PI迟滞模型对MFC作动器的迟滞非线性特性具有良好的补偿结果,修正的PI逆模型的拟合位移是未进行电压补偿控制的2.14倍,是PI逆模型补偿控制的1.56倍。所发展的修正PI迟滞模型研究方法可以推广到其他压电材料迟滞行为的模拟。     

气动系统换向冲击压电俘能特性

为充分利用气动系统管路产生的压力冲击,提出了一种基于压电材料的正压电效应压电俘能器,搭建了基于该俘能器的实验测试系统,研究了气体压力、换向时间对该俘能器俘能特性的影响。结果表明,在气体动载荷激励下,压电俘能器内的压电片产生了弯曲形变,俘能电压与形变变化密切相关;气体压力值增大时,峰值电压、峰值功率升高;而随着换向时间的改变,峰值电压、峰值功率未有显著变化。     

直线电机式悬架作动器性能分析及参数优化

针对现有悬架作动器输出力小、效率较低、响应速度慢等不足,设计出了一种精度高、输出力大、响应迅速的直线电机式悬架作动器。利用有限元软件Ansoft分析了悬架作动器的电磁场分布情况;结合该有限元模型制作了悬架作动器样机,并对其进行了力学特性试验,验证了模型的正确性;同时,研究了齿槽开口系数大小对作动器性能的影响,获得了作动器输入电压、运行速度、最大拉伸长度与电磁力之间的关系曲线,分析了输入激励对作动器响应特性的影响规律。结果表明:作动器齿槽开口系数应控制在0.25~0.75之间;电磁力随着输入电压的升高而增大,随着运行速度的增加而减小,最大拉伸长度不宜超过35 cm,输入电压的增加会降低作动器响应速度。     

摩擦驱动型压电叠堆直线电机的工作机理

以一种典型的摩擦驱动型压电叠堆直线电机结构为例,对摩擦驱动型压电叠堆直线电机的振动摩擦驱动机理进行研究.结合电机系统的振动脱离模型,分析了电机定子与动子脱离的力学条件,进而分析电机结构参数和工作参数对椭圆运动和振动脱离性能的影响.对原理样机进行了试验研究,结果表明,压电叠堆的激励电压、激励频率和电机的预压力对电机的振动脱离性能有显著影响.     

摩擦驱动型压电叠堆直线电机的工作原理

以一种典型的摩擦驱动型压电叠堆直线电机结构为例,对摩擦驱动型压电叠堆直线电机的振动摩擦驱动机理进行研究。结合电机系统的振动脱离模型,分析了电机定子与动子脱离的力学条件,进而分析电机结构参数和工作参数对椭圆运动和振动脱离性能的影响。对原理样机进行了试验研究,结果表明,压电叠堆的激励电压、激励频率和电机的预压力对电机的振动脱离性能有显著影响。     

拉压负载下的大推力压电直线作动器

为解决压电直线作动器在受到拉力和压力负载时的驱动问题,本文提出了一种双向压电直线作动器。该作动器主要采用双向螺旋箝位原理,实现双向大推力作动。结构上,将两个压电叠堆对称布局,梯形丝杠螺母组成螺旋箝位,匹配二者驱动时序实现压力和拉力下的驱动。为研究双向尺蠖驱动机理,设计了双向螺旋箝位机构和作动器总体结构;而螺旋箝位作为尺蠖驱动的关键因素,为了准确地表达箝位的可靠性,研究了力矩电机与柔性联轴器及压电叠堆的匹配关系,并通过ANSYS软件对箝位功能进行了仿真分析。设计加工的样机机身总长为233mm,最大外径为63mm,质量为1.1kg。搭建样机的测试系统,试验表明:该作动器的最大输出力可达190N,最高速度可达2.58mm/s,行程为60mm。     

圆筒型非接触式压电作动器的设计与试验研究

 提出了一种基于超声悬浮和驱动的非接触式压电作动器,该作动器中的转子呈完全悬浮状态。转子的悬浮由兰杰文换能器提供,自身旋转与定位由圆筒型定子提供。通过分别对换能器和定子的压电陶瓷片施加电压,使得换能器悬浮端面激发出一阶弯曲振动模态,而定子激发出两相B(0,3)驻波并合成一高声强行波,进而诱发高声强声场来驱动转子。分别建立了非接触式压电作动器中兰杰文换能器和定子的有限元模型,对换能器和定子进行了分析、设计、扫频以及定频试验,确定了结构方案, 最后加工、制造了样机。搭建了整个样机的测试系统,对其悬浮和驱动特性进行了分析,测得转子转速可达4261r/min。结果表明转子在近声场的作用下成功地实现了完全悬浮式的高速旋转。      

非共振型压电电机驱动的大行程精密定位旋转平台的建模和实验

针对目前光波导封装使用的精密定位平台行程小,结构与控制系统复杂的问题,提出了非共振型压电电机驱动的大行程精密旋转定位平台。该平台通过压电电机的连续作动和步进作动两种工作模式来满足大行程和高精度要求。首先对该精密旋转定位平台进行动力学建模,确定了系统运动方程。然后,分析其作动机理,研究影响旋转平台转速的不同因素。最后,实验研究该精密旋转定位平台的速度、步距、分辨率与负载特性,确定平台连续作动与步进作动的驱动方式。实验结果表明,在直流偏置为60V,峰峰电压为120V,频率为180 Hz的正弦波电压激励下,该精密旋转定位平台最大转速可达47 963.2μrad/s,分辨率和最大负载分别为3μrad和60g。与现有的大行程精密定位旋转平台相比,设计的平台具有行程大,精度高,结构简单,稳定可控,且装配调试方便,易于批量化生产等优势。     

双足压电直线作动器结构优化与实验

为提高双足压电直线作动器的有效驱动,增强作动器中二级杠杆微位移结构和柔性铰链的放大能力,对作动器的结构参数进行优化。首先,对二级杠杆微位移机构的放大倍数进行理论计算,基于ANSYS完成作动器定子作动仿真过程;其次,通过仿真分析发现,在作动器定子中综合使用直圆型柔性铰链和直梁型柔性铰链,会使作动器定子放大倍数得到优化,最优铰链参数对应的放大倍数为8.131;最后,制作了该作动器样机并进行了定子驱动足振幅测试,两驱动足的振动相对稳定。实验结果表明,驱动足I,II的位移振幅在60和63μm的上下范围浮动,与实际相符合。与现有的压电直线作动器相比较,该作动器结构简单,易于安装调试,具有大振幅驱动和运行稳定等特点。