压电作动器

摘要： 针对目前压电微位移控制系统中普遍存在的模型非线性、系统复杂或不稳定等缺点,提出了一种基于压电迟滞对称性及单向单回路循环的微位移线性控制系统。首先利用压电迟滞效应中回路正调曲线与逆调曲线之间的轴对称性质,使二个性能一致的压电位移作动器位于回路的对称点,其迟滞非线性效应得以相互抵消,从而使其总的位移输出与输入驱动电压呈线性关系;其次,在控制策略的选择上,为避免因次级回路的出现而导致的复杂性与不稳定性,并保证压电系统的输出精度,位移调节过程中仅采用一个确定的主回路,且二个位移作动器均按此主回路的单向逆时针方向调节;依据所提出的模型和算法,进行了实验验证,并对误差进行了分析与补偿;结果表明模型位移输出精度达到nm级,最大误差15 nm,平均误差约0 nm;同时该模型还具备结构简单、计算量小、易于实现、输入与输出为线性关系等优点。

摘要： 针对垂尾模型低阶模态抖振响应的主动控制问题,设计鲁棒控制器对次级通道进行反馈式阻尼补偿,建立了多模态的RFxLMS控制器,采用宏纤维复合材料压电作动器,开展了垂尾抖振响应压电主动控制的地面模拟试验.试验结果表明,RFxLMS控制器具有收敛速度快、控制效果好的优点,并且相比于单独的FxLMS控制器或鲁棒控制器,对垂尾抖振响应具有更好的控制效果.进一步开展了垂尾抖振响应主动控制的风洞试验.结果表明,RFxLMS控制器在多个试验工况下均有稳定的控制效果,并提升了控制系统的性能,垂尾抖振受控响应的RMS值比无控响应的RMS值降低了39.7％～48.1％.

摘要： 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的影响.根据反步滑模控制理论设计了一个基于迟滞补偿系统的跟踪控制器,控制器在设计过程中考虑到了观测器的迟滞补偿误差,且具有一定的鲁棒性.通过仿真及试验验证,证明了所设计的控制系统能够良好地对压电堆实施跟踪控制,且控制效果优于传统控制器.

摘要： 提出了一种惯性式多自由度压电作动器,该作动器利用梁的面内二阶弯振和面外二阶弯振作为工作模态,以锯齿波作为激励电信号,依靠转子的惯性力,克服滑动摩擦力驱动转子绕Z轴和α,β,γ轴旋转.分析了惯性式多自由度压电作动器的驱动机理,并利用Comsol Multiphysics 5.3a对压电振子进行了分析,确定了压电振子的工作模态.实验样机的机械特性实验结果表明,作动器绕Z轴和绕α,β,γ轴旋转的最优工作频率分别为46.8 kHz和80.1 kHz.在电压有效值为60 V的条件下,作动器绕Z轴旋转的最高转速可达162 r/min,堵转扭矩可达1 mN·m;绕α,β,γ轴旋转的最高转速分别可达305 r/min,310 r/min和300 r/min,堵转扭矩可达2 mN·m.作动器绕α,β,γ轴旋转的角度范围可达±36°.惯性式多自由度压电作动器结构紧凑,极大地减小了现有多自由度压电作动器的体积,可应用于姿态调整、类人机器人眼球和精密指向系统等领域.

摘要： 为了有效抑制结构的变形和振动,提出一种新型的拱形压电作动器.利用卡式第二定理推导该作动器的输出力表达式,并与建立的有限元模型进行对比,证明理论分析的正确性.由理论分析和数值模拟可知:该作动器的输出力和输出力矩与驱动电压成正比,在0～200 V区间内可以保持线性输出;跨度越大,输出弯矩越大,对悬臂梁的振动和变形的衰减效果也就越好,并且拱形装置的弹性模量比悬臂梁的弹性模量大时,作用效果越好.数值算例证明,使用该作动器可以有效抑制结构的变形和振动.

摘要： 针对现有临床上所用的圆窗激振式人工中耳作动器存在的低频增益不足,与圆窗膜尺寸不匹配及初始压力不可控的问题,结合人耳解剖结构,设计了一款带有弯张放大器的新型压电作动器。为了辅助设计该作动器,建立了作动器有限元模型及作动器-人耳耦合力学模型。基于该模型,对作动器弯张放大器、支撑弹簧、耦合杆端面的关键参数进行了优化分析。通过实验对所设计的压电作动器的频响特性、总谐波失真进行测试。结果表明,所设计的压电作动器工作频带宽,低频性能优越;最大谐波失真仅为2.36%,满足助听装置清晰度要求。

摘要： 为了进一步拓展压电式挠性驱动的研究和大包角挠性驱动机理,该文提出了一种用于挠性驱动的双足压电作动器。压电作动器结构为带有两圆柱驱动足的方形截面梁,在驱动足外圆柱面加工螺旋槽,既保证了挠性丝与驱动足的充分接触,又使挠性丝缠绕多圈时不会相互影响。根据设计思路,使用ANSYS有限元分析软件建立压电作动器的有限元模型,并确定其合适的工作模态。结果表明,利用有限元分析可得到压电作动器的两同频正交二阶弯曲模态的固有频率为27.8 kHz。通过理论分析与数值模拟探索了正压力及包角大小对驱动效果的影响,并在一种旋转直线超声电机振子上验证其可行性。

摘要： 设计了一种由压电作动器驱动的微操作机构.基于柔顺机构原理设计了桥式位移放大机构,以改善压电作动器的输出位移.利用伪刚体法和Euler-Bernoulli柔性梁理论建立微操作机构的静力学模型,并通过Lagrange方法推导出其动力学方程,进而获得机构的自然频率.借助于差分进化算法进行柔性铰链几何尺寸优化,并与计算机有限元仿真分析进行交叉验证.最后,实验验证了所提出微操作机构能够获得位移放大倍数为9.8和行程为180 μm;在基于观测器PID控制下,机构位移均方根误差和最大位移误差分别为0.071、0.128μm.本文提出的微操作机构具有精度高、鲁棒性强的运动效果.

摘要： 针对机械转子式陀螺仪对支承和高转速的特定要求,设计出一种兰杰文振子和压电圆盘复合驱动的定子,从而在定子振动输出面获得足够振幅的行波运动,实现对球转子的超声近场非接触支承和高速驱动.对圆盘定子进行了结构动力学设计,使其工作频率与兰杰文振子频率基本一致.样机模态实验表明复合定子频率一致性较好.通过悬浮高度和转速测试发现,转子悬浮稳定,转速与驱动频率有关,在200 V激励电压下的共振频率附近可获得最大转速3880 r/min.

摘要： 为辨识压电作动器在应用过程中的率相关迟滞特性,采用基于最小二乘支持向量机理论对压电作动器进行建模,并引入粒子群算法对模型的参数进行优化.模型以当前及历史输入电压、历史输出位移组成的向量作为模型的输入,而以当前的输出位移作为模型的输出进行训练.最后,通过仿真结果和实验结果对比发现,本文建立的压电率相关迟滞模型平均误差为0.0208μm,最大误差为0.4290μm比Bouc-Wen模型精度高,验证了本文建模方法的可行性.

摘要： 为实现压电作动器动态无功补偿的目的,本文提出了一种基于变压器的无源可控电抗器的新方案.通过对变压器T型等效电路的端口等效阻抗方程分析可知,当变压器负载阻抗变化时,变压器的等效并联感抗会发生变化,从而实现变压器一次侧阻抗可调.增加变压器原副边电感值,可以增加变压器的等效并联电阻,从而减小可控电抗器损耗.理论和实验结果证明此新方案的正确性.

摘要： 基于改进的Prandtl-Ishlinskii模型(MPI模型)和模糊树辨识方法，提出了一种压电作动器率相关迟滞非线性的建模方法。首先基于MPI模型建立压电作动器的静态迟滞模型.然后，固定模型外层算子权值不变，根据不同输入速率信号下作动器入输出实验数据，得到对应的内层算子权值。利用模糊树方法辨识出模型内层算子的权值与输入信号速率之间非线性映射关系.建模结果与实验数据比较表明该模型能够较好的逼近作动器的率相关迟滞非线性特性.

摘要： 本文基于蠕动式运动原理研制了一种新型压电作动器，可提供双向变步长的大位移。并设计了含有高电压驱动装置的实验系统，建立了作动器的动力学模型。采用MATLAB Simulink 软件对作动器的动力学特性进行了仿真计算，仿真分析结果和实验测试结果吻合良好。

摘要： 基于压电智能材料和复合材料层合板有限元理论,建立了含分布式压电作动器的复合材料层合板模型;分析了该层合板在内外表面存在温差的情况下的热变形;研究了使用压电作动器对热变形区域进行形状修复的问题;并通过参数讨论了压电作动器的位置和施加电压大小对于层合板热变形形状修复效果的影响。

摘要： 考虑直升机旋翼与空气流体的耦合作用,得出旋翼在流固耦合作用下的振动响应特性.基于压电效应,在旋翼前三阶模态变形最大处布置压电片作为控制输入的作动器,由旋翼振动控制方程结合最优控制理论,同时考虑输出能量与振动控制效果,得到旋翼振动控制的闭环控制反馈增益矩阵;最后将反馈控制律作用于旋翼得到流固耦合环境下旋翼的控后振动响应,控制后的振动结果表明旋翼振动有所降低、桨毂载荷减小,说明振动控制律的有效性.

摘要： 本文设计了一种新型的角度定位并联平台,该装置核心驱动部位为三个压电位移输出筒,能获得一个平动和两个转动自由度.装置中压电作动筒能限制压电堆的横向位移,从而确保竖直方向精确位移输出.同时对定位装置输出动平台运动学模型的正、逆问题进行了分析推导,并对驱动筒的电力学性能进行了分析.最后对指向机构的定位追踪问题进行了仿真,结果表明压电作动器在电压改变精度内可实现平台预期的单步调整精度,在电压许可范围内可满足最大指向定位范围.

摘要： 本文研究圆柱壳的静态控制.首先定义压电应力组成成分,推出压电片应力方程.采用经典弹性理论的三角级数解法,得到外力作用下圆柱壳的内力、弯矩和位移,根据Kirchhoff&Love薄壳理论,得到弹性柱壳的应变.推出通电时作动器对弹性圆柱壳的控制内力和弯矩方程.建立静力控制模型.得到外加电场与静力共同作用时柱壳的控制内力及弯矩.运用弹性薄壳理论的弹性方程,推出控制位移.与均布载荷作用时无压电作动器的弹性柱壳的位移相比较,得到电场对圆柱壳的静力控制效果.

摘要： 本文对柔性双连杆机械臂的位置主动控制进行研究。首先给出系统的动力学方程，然后采用非线性解耦反馈控制方法分别得出系统大范围运动运动方程和柔性臂的动力学方程，最后采用机械臂逆动力学方法和LQR方法分别设计大范围运动控制律和压电作动器控制律。仿真结果显示，文中控制方法能够有效地控制机械臂到达指定位置，并且柔性臂的弹性振动得到抑制。

摘要： 本文对柔性悬臂板主动控制中作动器的优化位置进行研究，其中作动器采用压电形式，优化算法采用粒子群方法，指标函数采用基于能量的可控Gramian优化配置准则。仿真结果显示，粒子群优化算法能够有效地对作动器的优化位置进行计算，尤其适用于多个作动器的位置优化问题。

摘要： 本文对柔性悬臂梁主动控制中的多时滞问题进行研究,其中控制律采用离散最优控制方法进行设计,作动器采用压电形式.首先得出含有多时滞项的控制模态状态方程,然后对方程进行离散化和一种特殊的状态变量增广,得到形式上不含有时滞项的标准差分方程.连续形式的性能指标函数也通过离散化转换成增广状态变量的函数.最优控制律可针对该增广形式的标准状态方程进行设计.在所得出的时滞控制律中,除了包含有当前步的状态反馈,还包含有前若干步控制的线性组合.仿真结果显示,时滞有可能引起控制系统的失稳,而本文中的时滞处理方法能够取得良好的控制效果,而且有可能取得比无时滞控制设计更好的控制效果.

摘要： 一种压电粗纤维和压电堆的尺蠖式作动器及作动方法，该作动器由压电粗纤维、弧形板、菱形环、压电堆、销钉和外部框架组成；压电粗纤维粘贴于弧形板上，弧形板两端通过销钉分别与一个菱形环连接；菱形环长轴间放置压电堆，压电堆未通电时，菱形环短轴两端与外部框架紧密接触，处于钳位状态；对两个压电堆和压电粗纤维有序地通、断电，两个菱形环按顺序解除钳位或钳位于外部框架，压电粗纤维和弧形板一起弯曲尺蠖式移动，以此实现双向步进式输出力和位移；本发明作动器，具有断电钳位，柔软耐用，体积小，重量轻的特点。

摘要： 一种压电粗纤维和压电堆的尺蠖式作动器及作动方法，该作动器由压电粗纤维、弧形板、菱形环、压电堆、销钉和外部框架组成；压电粗纤维粘贴于弧形板上，弧形板两端通过销钉分别与一个菱形环连接；菱形环长轴间放置压电堆，压电堆未通电时，菱形环短轴两端与外部框架紧密接触，处于钳位状态；对两个压电堆和压电粗纤维有序地通、断电，两个菱形环按顺序解除钳位或钳位于外部框架，压电粗纤维和弧形板一起弯曲尺蠖式移动，以此实现双向步进式输出力和位移；本发明作动器，具有断电钳位，柔软耐用，体积小，重量轻的特点。

摘要： 内含光电编码器的旋转式惯性压电作动器及作动方法，该作动器由外壳、输出轴、作动件、轴承、码盘、光电检测组件及印制板组成；外壳底座经轴承安装有输出轴，该输出轴的中下部一体加工有大截面的圆盘，圆盘下表面粘贴有码盘，码盘下方是固定于底座上表面的光电检测板和印制板，三者构成光电编码器；内部过盈配合有压电堆的第一作动件和第二作动件固定于外壳内侧壁面，两者关于所在平面上输出轴的轴心点成中心对称分布，第一作动件和第二作动件的底部加工有摩擦足，该摩擦足紧压于圆盘上表面；本发明结构新颖，钳位可靠，具有实时测量输出角度的功能，能够高效稳定地实现双向旋转。

摘要： 一种可断电保持位移的压电作动器及分时驱动的作动方法，该作动器包括壳体，位于壳体内部的通过底部螺钉连接的带输出杆的菱形环，菱形环内部长轴上装配有多个压电堆，连接于壳体上的上盖；上盖包含通孔，菱形环长轴端部的输出杆通过上盖通孔与外部结构连接；在作动器断电位移保持区间内，当输出杆缩进时，分别依次对每个压电堆施加负向电压达到U1，后降为0V，可保持位移d1，当需要可保持位移d1增大时，需增大负向电压U1；当输出杆伸长时，分别依次对每个压电堆施加正向电压达到U2，后降为0V，可保持位移d2，当需要可保持位移d2增大时，需增大正向电压U2。本发明为断电位移保持、高精度作动提供了有效的解决方案。

摘要： 本发明提供了一种压电作动器、压电作动器控制系统及控制方法，包括：桥式放大机构、压电叠堆、压电传感器、紧固件和控制器；所述桥式放大机构为轴对称的中空框架结构，所述桥式放大机构的两侧具有对称设置的一组弹性臂；所述桥式放大机构的中间设置有定位槽，所述压电叠堆安装在所述定位槽中，并通过所述紧固件将所述压电传感器和所述压电叠堆一起压紧在所述定位槽中，所述压电叠堆的伸缩驱动所述桥式放大机构产生振动输出；所述控制器与所述压电叠堆和所述压电传感器信号连接。本发明集成度高，引入桥式位移放大机构，提高了压电作动器的驱动行程。使用反馈控制算法抑制了压电作动器的迟滞现象，提高了压电作动器的输出位移的精确度。

摘要： 一种基于二自由度压电作动器的精密工作台，本申请工作台面的两侧各有一个侧板，所述工作台面两侧的侧板下方各有一个滚子滑轨，滚子滑轨的槽内放有滚子，滚子滑轨两端弯折部与侧板外壁相连，固定套筒固定在工作台面底部，固定套筒内有压力传感器，压力调节螺钉穿过工作台面抵住压力传感器后端，振子顶部有固定轴，固定轴通过键安装在过固定套筒底部的插孔内，振子的四个弯折端的下方有对应的驱动足，压紧螺钉穿过压盖将成对的压电陶瓷片固定安装在对应振子的弯折端的斜面上。本申请工作台基于二自由度压电作动器，单个压电作动器即可输出二自由度驱动力，并且移动台只需一个，结构简单紧凑，具有非常好的应用前景。

摘要： 内含光电编码器的旋转式惯性压电作动器及作动方法，该作动器由外壳、输出轴、作动件、轴承、码盘、光电检测组件及印制板组成；外壳底座经轴承安装有输出轴，该输出轴的中下部一体加工有大截面的圆盘，圆盘下表面粘贴有码盘，码盘下方是固定于底座上表面的光电检测板和印制板，三者构成光电编码器；内部过盈配合有压电堆的第一作动件和第二作动件固定于外壳内侧壁面，两者关于所在平面上输出轴的轴心点成中心对称分布，第一作动件和第二作动件的底部加工有摩擦足，该摩擦足紧压于圆盘上表面；本发明结构新颖，钳位可靠，具有实时测量输出角度的功能，能够高效稳定地实现双向旋转。

摘要： 本发明公开了含力与位移双传感的直线式压电作动器及其作动方法，该作动器自上而下由质心位于同一直线的力传感部件，位移传感部件，作动部件组成，力传感部件由限位层、力传感柔性帽、力霍尔元件、永磁体及磁铁支撑架构成，位移传感部件由位移霍尔元件，与力传感部件共用的永磁体与磁铁支撑架构成，作动部件由圆柱外壳、调节螺钉、弹性钳位单元、椭圆环、压电堆、作动块构成；力传感部件螺纹固接于圆柱外壳，位移霍尔元件粘接于作动部件上方；本发明结构紧凑，断电锁止，钳位力可调节，采用比例式线性霍尔传感器感知输出力与位移，基于惯性式作动原理，利用非对称锯齿波驱动电压，可在三种负载工况下产生直线位移输出。

摘要： 本发明公开了一种可双向驱动的X型结构共振式压电作动器及其作动方法，该作动器包括驱动轨道以及关于运动方向轴线对称的X型结构，及一组压电驱动元件。作动器以单相的正弦电压进行激励，激起驱动足的一阶共振模态，拨动驱动轨道以实现大行程直线驱动。作动器正向、负向驱动足具有不同的刚度特性，可以通过改变单相信号的频率选择激起某一方向驱动足的模态，以实现驱动方向的控制。相比于其他压电材料驱动的共振式作动器，本发明具有结构简单、驱动信号简单，易于微型化的特点。

摘要： 一种基于二自由度压电作动器的精密工作台，本申请工作台面的两侧各有一个侧板，所述工作台面两侧的侧板下方各有一个滚子滑轨，滚子滑轨的槽内放有滚子，滚子滑轨两端弯折部与侧板外壁相连，固定套筒固定在工作台面底部，固定套筒内有压力传感器，压力调节螺钉穿过工作台面抵住压力传感器后端，振子顶部有固定轴，固定轴通过键安装在过固定套筒底部的插孔内，振子的四个弯折端的下方有对应的驱动足，压紧螺钉穿过压盖将成对的压电陶瓷片固定安装在对应振子的弯折端的斜面上。本申请工作台基于二自由度压电作动器，单个压电作动器即可输出二自由度驱动力，并且移动台只需一个，结构简单紧凑，具有非常好的应用前景。