實驗名稱：壓電驅(qū)動器輸出力遲滯效應研究

研究方向：壓電陶瓷驅(qū)動器能提供微米級的行程，有高速響應、體積小、高工作帶寬的優(yōu)點，因此壓電陶瓷驅(qū)動器廣泛應用在高精度系統(tǒng)的部件當中。由于壓電陶瓷驅(qū)動器遲滯現(xiàn)象的影響，且遲滯現(xiàn)象隨輸入電壓的頻率增大而更加明顯，當工作頻率在較大范圍變化時，遲滯現(xiàn)象會嚴重影響控制精度。

壓電陶瓷驅(qū)動器由于極化過程的影響，其遲滯非線性是材料本身的固有特性，這種非線性會造成控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的下降，難以確定合適的控制參數(shù)，嚴重時會造成控制系統(tǒng)不穩(wěn)定的嚴重后果。對于壓電陶瓷的遲滯特性非線性建模及控制方法的研究，一般需要對遲滯現(xiàn)象建立精確模型。由于遲滯現(xiàn)象的復雜性和多樣性，遲滯現(xiàn)象的建模及控制是一項極其困難的工作，國內(nèi)外學術界暫時還沒有一統(tǒng)的遲滯模型。研究者們基本從兩個方面對遲滯現(xiàn)象進行建模研究，一是基于物理原理出發(fā)，通過應力、應變、磁感應強度、電場強度等物理量推導壓電材料輸入電壓與輸出位移之間的關系，如Jiles-Atherton模型?；谖锢碓韥斫⑦t滯模型難度高，且不同的壓電材料表現(xiàn)出的遲滯現(xiàn)象也各不相同，基于物理原理推導出的遲滯模型只適用于一種遲滯材料，缺乏一般性；第二種方法是基于遲滯現(xiàn)象建立遲滯模型，基于現(xiàn)象的模型不關心遲滯現(xiàn)象出現(xiàn)的物理原理，只針對遲滯現(xiàn)象進行數(shù)學建模，應用范圍更加廣泛。

實驗目的：分析壓電驅(qū)動器的輸出力特性

測試設備：壓電驅(qū)動器、ATA-308功率放大器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡、上位機

實驗過程：實驗過程如圖1-1所示，首先利用上位機控制數(shù)據(jù)采集卡給出激勵信號，經(jīng)過ATA-308功率放大器后信號施加給壓電陶瓷，壓電力傳感器采集壓電驅(qū)動器輸出力產(chǎn)生電荷信號，電荷信號經(jīng)過電荷放大器中的積分電路和調(diào)理電路最終轉換為電壓信號，此時同步采集輸入電壓信號和輸出力信號用于分析壓電驅(qū)動器的輸出力特性。

圖1-1實驗原理框圖

實驗結果：壓電驅(qū)動器在非線性特征由遲滯現(xiàn)象，蠕變現(xiàn)象和振動組合成，其中遲滯現(xiàn)象占據(jù)主導作用。遲滯現(xiàn)象在壓電驅(qū)動器中不僅表現(xiàn)在輸入電壓與輸出位移上，在輸入電壓與輸出力也表現(xiàn)出遲滯現(xiàn)象。輸出力大小不僅與輸入電壓的當前值有關，而且與輸入電壓之前的極值有關，這種行為相當于壓電驅(qū)動器記錄了之前的歷史極值，因此這種現(xiàn)象稱為遲滯現(xiàn)象的記憶特性。

在實驗平臺同步采集壓電陶瓷驅(qū)動器的輸入電壓和輸出力信號，如圖1-2a)所示，而輸入電壓與輸出力的關系如圖1-2b)所示。當輸入電壓為衰減正弦波時，在電壓-輸出力曲線圖中表現(xiàn)為多個大小不一的遲滯環(huán)。該實驗中電壓-輸出力曲線，說明輸出力的值與當前是處于電壓上升階段還是電壓下降階段有關，同時與壓電驅(qū)動器之前輸入電壓的極值相關。該實驗驗證壓電驅(qū)動器在電壓-輸出力關系表現(xiàn)出了和在電壓-位移關系同樣的遲滯現(xiàn)象，它是一種多值映射關系，且遲滯現(xiàn)象具有記憶特性。遲滯現(xiàn)象具有記憶特性的同時，還表現(xiàn)出了擦除特性(Wiping-out)與一致特性(Congruency)。

圖1-2遲滯現(xiàn)象的記憶特性

功率放大器推薦：ATA-308C功率放大器

圖：ATA-308C功率放大器指標參數(shù)

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審核編輯 黃宇