弯振复合型压电驱动器的激励方法与实验研究

发布时间：2017-11-03 00:05

  本文关键词：弯振复合型压电驱动器的激励方法与实验研究

  更多相关文章： 压电驱动器 弯振复合型 激励方法 热耦合特性 专用电源

【摘要】：压电驱动器以其能量密度大、定位精度高、响应速度快、电磁兼容性好等优点可以应用到航天、精密机械等一些具有特殊要求的场合。在多种类型的压电驱动器中,弯振复合型压电驱动器通过将相互正交的弯振模态进行合理的组合,避免了模态特征频率简并带来的众多问题。为了使弯振复合型压电驱动器具备更高的机电耦合效率和更好的机械输出特性,本文以其激励方法为出发点,设计了五种不同激励方法下的弯振复合型压电驱动器,来对比分析哪种激励方法可以使弯振复合型压电驱动器具有更优良的特性。本文首先确定了弯振复合型压电驱动器的新构型,该构型采用压电陶瓷夹心式结构,利用压电陶瓷的d33工作模式以提高机电耦合效率,其横截面形状均为圆形,可以保证两正交的同阶弯振模态特征频率的一致。接着,分析了弯振复合型压电驱动器的致动原理,推导出了驱动足处质点的椭圆轨迹,并确立了该构型驱动器的五种激励方法,分别为半片压电陶瓷激励、整片两极化分区陶瓷单电极激励、整片两极化分区陶瓷双电极激励、整片四极化分区陶瓷双电极激励和整片四极化分区陶瓷四电极激励。然后根据弯振复合型压电驱动器的工作性能需求确定了各部分的材料。最后建立了弯振复合型压电驱动器的等效电路模型,并对其导纳圆进行了推导和参数分析,得出了等效电路模型参数的计算公式,为后续的实验部分提供了理论指导。在理论分析的基础上,本文利用ANSYS软件对五种激励方法下的弯振复合型压电驱动器建立了有限元参数化模型,利用模态分析得到了所需的二阶弯振模态,调节结构参数使其特征频率达到35k Hz左右,确定出了最终的结构参数,并验证了该对称结构使得水平和竖直方向上二阶弯振模态的特征频率一致,也验证了固定座与法兰之间的薄壁环可以大大减少法兰的夹持对压电驱动器特征频率和振动模态的影响。接着进行了谐响应分析和瞬态分析,分别得到了五种激励方法下弯振复合型压电驱动器的机电耦合效率和驱动足质点的振动轨迹。最后研究了整片压电陶瓷中未极化区域宽度对弯振复合型压电驱动器特征频率、机电耦合效率和驱动足质点振幅的影响。仿真结果表明:整片四极化分区陶瓷激励的方法为最优。根据仿真中确定好的结构参数研制出了五个不同激励方法下的弯振复合型压电驱动器,五个压电驱动器具有一致的外形尺寸,利用阻抗分析仪对它们进行了阻抗特性测试,测量出各自的阻抗频率曲线和导纳圆,得到了等效电路模型参数值,并进行了阻抗匹配;利用激光测振仪对它们进行了模态振型测试,得到了各自在水平方向和竖直方向上的振速响应曲线和所需的二阶弯振模态,以及共振频率;进行了热耦合特性测试,得到了空载运行时的温升特性,运行温度对各自驱动足振幅的影响以及对各自阻抗特性的影响;搭建了实验平台,分别测得五个样机的机械输出特性和带载运行时的温升特性;针对这五种不同激励方法研制出了专用的激励电源,利用示波器观测了专用电源的输出电压信号的波形、幅值和频率值,并利用实验平台测试了在该专用电源的激励下五个弯振复合型压电驱动器的机械输出特性。
【关键词】：压电驱动器 弯振复合型 激励方法 热耦合特性 专用电源
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN384
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义10-11
• 1.2 压电驱动器的国内外研究现状及分析11-17
• 1.2.1 国外研究现状11-13
• 1.2.2 国内研究现状13-16
• 1.2.3 国内外文献综述简析16-17
• 1.3 本文的主要研究内容17-19
• 第2章 弯振复合型压电驱动器的激励方法与电学模型19-28
• 2.1 引言19
• 2.2 压电驱动器的基本结构与激励方法19-24
• 2.2.1 弯振复合型压电驱动器的基本结构19-20
• 2.2.2 弯振复合型压电驱动器的致动原理分析20-22
• 2.2.3 弯振复合型压电驱动器的激励方法22-24
• 2.3 压电驱动器的电学模型24-26
• 2.4 本章小结26-28
• 第3章 不同激励方法下驱动器的振动特性研究28-39
• 3.1 引言28
• 3.2 压电驱动器的模态与结构参数分析28-32
• 3.3 压电驱动器的谐响应分析32-34
• 3.4 压电驱动器驱动足振动轨迹分析34-36
• 3.5 压电陶瓷未极化区参数影响分析36-38
• 3.6 本章小结38-39
• 第4章 不同激励方法下驱动器的实验研究39-65
• 4.1 引言39
• 4.2 压电驱动器实验样机的研制39-41
• 4.2.1 压电驱动器零件的加工40-41
• 4.2.2 压电驱动器的装配41
• 4.3 阻抗特性测试与阻抗匹配41-44
• 4.3.1 阻抗特性测试41-43
• 4.3.2 阻抗匹配43-44
• 4.4 模态振型测试44-46
• 4.5 热耦合特性测试46-52
• 4.5.1 空载运行的温度 -时间特性测试46-50
• 4.5.2 运行温度对压电驱动器驱动足振幅的影响50-51
• 4.5.3 运行温度对压电驱动器阻抗特性的影响51-52
• 4.6 驱动特性测试52-57
• 4.6.1 机械输出特性测试52-54
• 4.6.2 带载运行的温度 -时间特性测试54-57
• 4.7 专用激励电源的研制57-63
• 4.7.1 专用电源设计仿真57-60
• 4.7.2 专用电源性能综合测试60-63
• 4.8 本章小结63-65
• 结论65-67
• 参考文献67-71
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果71-73
• 致谢73

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本文编号：1133745