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壓電驅動(dòng)器電壓及其頻率對驅動(dòng)速度的建設
0、引 言
壓電陶瓷是一種可實(shí)現機械能與電能互相轉換的功能材料，具有結構簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，作為微操作器驅動(dòng)中的主流材料，已被廣泛應用于航空、航天飛行器的精密制導、激光陀螺、自適應光學(xué)、精密機械加工、自動(dòng)控制、半導體集成、生物醫學(xué)工程等技術(shù)領(lǐng)域[1?4]。壓電陶瓷驅動(dòng)器的控制通常采用PI或PID控制器[5]。文獻[6]針對含有壓電智能結構的柔性機械臂，提出了基于模糊PID融合控制理論的柔性機械臂振動(dòng)主動(dòng)控制方法，搭建了懸臂梁和平面1R、2R柔性機械臂實(shí)驗裝置，并設計了相應的控制系統，通過(guò)實(shí)驗實(shí)現了柔性機械臂振動(dòng)的主動(dòng)控制。采用Preisach控制模型是壓電陶瓷控制的有效方法之一，但是采樣數據的不穩定性仍然會(huì )對控制過(guò)程帶來(lái)較大的影響和誤差。為進(jìn)一步提高在實(shí)現過(guò)程中的定位控制精度及穩定性，文獻[7]將積分分離PID控制應用于壓電陶瓷定位過(guò)程，達到了預期的控制精度和效果。但由于PI或PID控制器的控制參數需要進(jìn)行反復調試才能確定，因此控制器的設計是一項耗時(shí)的工作。為縮短控制參數的調試時(shí)間，了解壓電陶瓷驅動(dòng)器的工作特性，特別是研究驅動(dòng)電壓對驅動(dòng)器運行的影響十分必要[8]。
文獻[9]針對一種新型的可直線(xiàn)運動(dòng)的壓電陶瓷驅動(dòng)器，通過(guò)實(shí)驗對其性能進(jìn)行了測試，給出了驅動(dòng)電壓及其頻率與驅動(dòng)器速度的關(guān)系曲線(xiàn)。由于曲線(xiàn)都是通過(guò)將離散的實(shí)驗數據點(diǎn)連接起來(lái)得到的，因此忽略了相鄰兩個(gè)數據點(diǎn)之間頻率與驅動(dòng)器速度的真實(shí)關(guān)系以及不連續點(diǎn)的存在性。其次，由于實(shí)驗數據必然存在的誤差，文獻[9]只是根據顯然不在同一直線(xiàn)上的三個(gè)數據點(diǎn)連成的折線(xiàn)，斷言驅動(dòng)電壓與驅動(dòng)器速度基本成線(xiàn)性關(guān)系，而未對驅動(dòng)電壓與驅動(dòng)器速度成線(xiàn)性關(guān)系給出確定的結論。為給出精確的頻率與驅動(dòng)器速度關(guān)系曲線(xiàn)，并確定驅動(dòng)電壓與驅動(dòng)器速度的關(guān)系，本文將從壓電陶瓷的應力應變關(guān)系出發(fā)，導出壓電驅動(dòng)器位移的微分方程，由此獲得驅動(dòng)電壓及其頻率與驅動(dòng)器速度關(guān)系的解析表達式，并根據這些表達式研究壓電驅動(dòng)器電壓及其頻率對驅動(dòng)速度的影響。
1、壓電片位移的數學(xué)模型
壓電片的坐標如圖1所示，電壓或電場(chǎng)沿[y]軸方向穿過(guò)其表面后，在[x]軸方向產(chǎn)生應變和應力，驅動(dòng)前面的載荷直線(xiàn)運動(dòng)。應力應變關(guān)系為[9]：
[σc=Ecεc-d31Vtc]
其中[σc]是壓電片產(chǎn)生的應力，[Ec]是壓電片的彈性模量;[εc]是壓電片的應變;[d31]是與施加在壓電片上的電場(chǎng)相關(guān)的壓電常數;[V]是沿[y]軸方向施加的電壓;[tc]為壓電片的厚度 (沿[y]軸方向)。
圖1 壓電陶瓷的坐標
若定義[V=0]時(shí)壓電片前面的位置為坐標原點(diǎn)，則壓電片的應變[εc]可以表示為[εc=xL，]其中[L]為壓電片沿[x]軸方向的長(cháng)度。壓電片的應力[σc]用于使載荷產(chǎn)生加速度，因此[σc=md2xdt2，]其中[m]為載荷質(zhì)量與壓電片垂直于[x]軸方向一面的面積的比值。于是應力應變關(guān)系可以表示為：
[md2xdt2+EcLx=Ecd31Vtc]
或
[md2xdt2+nx=pV] (1)
式中：[n=EcL]，[p=Ecd31tc]。
2、電壓與速度的關(guān)系
微分方程(1)相應的齊次方程的通解為：
[x=c1sin(λt)+c2cos(λt)]
式中：[λ=nm。]利用常數變易法，設微分方程(1)的通解為：
[x=c1(t)sin(λt)+c2(t)cos(λt)]
其中[c1(t)，c2(t)]是滿(mǎn)足方程組：
[c′1(t)sin(λt)+c′2(t)cos(λt)=0c′1(t)cos(λt)-c′2(t)sin(λt)=pλmV]
的待定函數。解上述方程組得：
[c′1(t)=pλmVcos(λt)c′2(t)=-pλmVsin(λt)]
因此：
[c1(t)=pλm0tVcos(λt)dt+c1c2(t)=-pλm0tVsin(λt)dt+c2]
[x=c1sin(λt)+c2cos(λt)+pλmsin(λt)0tVcos(λt)dt-pλmcos(λt)0tVsin(λt)dt=c1sin(λt)+c2cos(λt)+pλm0tVsin[λ(t-t)]dt]
[x=c1λcos(λt)-c2λsin(λt)+pm0tVcos[λ(t-t)]dt]
利用初始條件[x(0)=0，][x(0)=0]得[c1=c2=0]，因此：
[x=pλm0tVsin[λ(t-t)]dt]
令[V=Asin (ωt)，]其中[A]為電壓幅值，[ω]為電壓的頻率，則：
[x=pλm0tAsin(ωt)sin[λ(t-t)]dt=pA2λm0t[cos((ω+λ)t-λt)-cos((ω-λ)t+λt)]dt](2)
當[ω≠λ]時(shí)，由式(2)得：
[x=pA2λmsin(ωt)+sin(λt)ω+λ-sin(ωt)-sin(λt)ω-λ=pAλmωsin(λt)-λsin(ωt)ω2-λ2]
當[ω=λ]時(shí)，由式(2)得：
[x=pA2λm0t[cos(2λt-λt)-cos(λt)]dt=pA2λmsin(λt)+sin(λt)2λ-tcos(λt) =pA2λ2msin(λt)-pA2λmtcos(λt)]
因此：
[x=pAωm(ω2-λ2)(cos(λt)-cos(ωt))，ω≠λpA2mtsin(λt)，ω=λ] (3)
由于：
[limω→λpAωm(ω2-λ2)(cos(λt)-cos(ωt))=pAωtsin(ωt)2mω=pAtsin(ωt)2m]
因此等式(3)給出的壓電陶瓷速度[x]在[ω=λ]處為可去不連續點(diǎn)，采用等式(3)的定義之后在區間[(0，+∞)]內是連續的，而且，對于任何確定的時(shí)間[t]和頻率[ω(2π)，]它與輸入電壓的幅值成線(xiàn)性關(guān)系。
3、頻率與速度的關(guān)系
對于任何確定的時(shí)間[t，]由于式(3)給出的曲線(xiàn)是一條連續曲線(xiàn)，因此在曲線(xiàn)：
[x=pAωm(ω2-λ2)(cos(λt)-cos(ωt))]
上找出有限個(gè)[ω≠λ]的點(diǎn)，只要這些點(diǎn)足夠稠密，連接這些點(diǎn)的曲線(xiàn)就可以反映頻率與速度的關(guān)系。
以邊長(cháng)為[L=]0.1 m的正方體壓電陶瓷為例，設
[Ec=6.6×1010][Nm2，][d31=24.5×10-12][mV，][tc=0.1]m，[A=10，]并設載荷重量為1 kg，則可以求得：
[m=100，][n=EcL=66×1010，][p=Ecd31L=16.17，][λ=nm]=81 240。
固定[t=1，]頻率與驅動(dòng)器速度的關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示。
圖2 頻率與驅動(dòng)器速度的關(guān)系
曲線(xiàn)達到峰值的頻率為：
[λt(2π)=12 936 Hz]
對于不同的時(shí)間[t，]曲線(xiàn)達到峰值的頻率將發(fā)生改變。隨著(zhù)時(shí)間[t]的增大，曲線(xiàn)的波動(dòng)頻率[t(2π)]也將增大。
4、結 論
綜上所述，對于任何固定的時(shí)間[t]，壓電驅動(dòng)器的速度與輸入電壓的幅值成線(xiàn)性關(guān)系;頻率與驅動(dòng)器速度的關(guān)系是一條幅值不斷變化的連續余弦曲線(xiàn)，曲線(xiàn)的峰值在[λt(2π)]處達到，余弦曲線(xiàn)的頻率為[t(2π)。]隨著(zhù)時(shí)間[t]的增大，曲線(xiàn)的峰點(diǎn)逐步遠離縱坐標軸，余弦曲線(xiàn)的頻率也將增大。
由圖2可以看出，電壓頻率與驅動(dòng)器速度的關(guān)系是比較復雜的，通過(guò)一些實(shí)驗數據點(diǎn)根本無(wú)法找到曲線(xiàn)的極值點(diǎn)，特別是隨著(zhù)時(shí)間[t]的增加余弦曲線(xiàn)的頻率也逐步增大，在同樣的頻率區間內極值點(diǎn)也逐步增加。借助應力應變關(guān)系導出的解析式，可以準確地反映驅動(dòng)器速度隨頻率的變化過(guò)程，克服實(shí)驗數據測量干擾對實(shí)驗結論的影響。通過(guò)實(shí)驗數據對應力應變關(guān)系式中的參數進(jìn)行辨識，再利用經(jīng)參數辨識后的應力應變關(guān)系式研究壓電驅動(dòng)器電壓及其頻率對驅動(dòng)速度的影響是一個(gè)需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題
參考文獻
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[3] SUN D， MILLS J K， SHAN J J， et al. A PZT actuator control of a single?link flexible manipulator based on linear velocity feedback and actuator placement [J]. Mechatronics， 2004， 14(4)： 381?401.
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