實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：MFC致動(dòng)的柔性臂構(gòu)件系統(tǒng)搭建

　　測(cè)試目的：搭建MFC致動(dòng)的柔性臂構(gòu)件試驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)試得到了柔性臂構(gòu)件的末端變形位移與MFC致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電壓之間的雙極性非對(duì)稱(chēng)遲滯特性。基于經(jīng)典PI模型，通過(guò)疊加一系列不同權(quán)重、不同閾值的雙邊死區(qū)算子，建立描述MFC致動(dòng)器的雙極性非對(duì)稱(chēng)性遲滯特性的改進(jìn)PI遲滯模型，提高其遲滯模型非對(duì)稱(chēng)的逼近能力。在描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性方面，采用離散傳遞函數(shù)模型描述系統(tǒng)線性動(dòng)態(tài)特性，并與準(zhǔn)靜態(tài)改進(jìn)PI遲滯模型串聯(lián)組成組合模型，即壓電柔性臂系統(tǒng)。最后，通過(guò)最小二乘法辨識(shí)得到改進(jìn)PI遲滯正、逆模型，離散傳遞函數(shù)模型的特征參數(shù)，并對(duì)所提出的組合模型進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明其有效性。

　　測(cè)試設(shè)備：高壓放大器、直流電源、傳感器控制器、激光位移傳感器、致動(dòng)器等。

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

　　圖1：MFC結(jié)構(gòu)示意圖

　　MFC結(jié)構(gòu)組成示意如圖1所示。MFC結(jié)構(gòu)中環(huán)氧樹(shù)脂的加入提升了整個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)的柔韌性、可靠性和變形能力，而指交叉電極的排布方式大幅提高了壓電材料的應(yīng)變致動(dòng)效率。對(duì)比傳統(tǒng)的壓電陶瓷片而言，MFC的變形和驅(qū)動(dòng)能力顯著增強(qiáng)。因此，MFC致動(dòng)器是柔性結(jié)構(gòu)主動(dòng)變形、驅(qū)動(dòng)控制及振動(dòng)抑制的理想元件。

　　為了測(cè)試MFC致動(dòng)器的致動(dòng)性能，搭建MFC壓電柔性臂構(gòu)件試驗(yàn)系統(tǒng)，采用環(huán)氧樹(shù)脂膠水將兩片MFC致動(dòng)器對(duì)稱(chēng)地粘貼在鋁基柔性臂構(gòu)件根部的左右表面。測(cè)試過(guò)程中，PC機(jī)通過(guò)USB總線將MFC致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)傳輸?shù)蕉嗖矍度險(xiǎn)SBCompact-DAQ機(jī)箱，然后經(jīng)D/A模塊轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)高壓放大器放大后施加到MFC壓電柔性臂上，MFC致動(dòng)器在壓電材料逆壓電效應(yīng)下實(shí)現(xiàn)柔性臂變形位移的精密驅(qū)動(dòng)。水平安裝在柔性臂構(gòu)件末端的激光位移傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)構(gòu)件的變形位移，傳感器檢測(cè)位移經(jīng)控制器調(diào)理為模擬電壓信號(hào)，然后傳輸?shù)角度朐跈C(jī)箱中的D/A模塊，最后經(jīng)機(jī)箱和USB總線傳輸?shù)絇C機(jī)中。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)基于Lab-VIEW平臺(tái)完成。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

　　圖3：MFC致動(dòng)器的遲滯特性曲線

　　MFC致動(dòng)器的工作電壓范圍為－500～+1500V，故測(cè)試過(guò)程中選取電壓峰峰值分別為400V、600V及800V，頻率為0．1Hz的正弦波驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)施加到MFC致動(dòng)器上，得到柔性臂構(gòu)件的末端變形位移與驅(qū)動(dòng)電壓之間的關(guān)系如圖3(a)所示；不同頻率在相同的輸入電壓下，壓電柔性臂遲滯呈現(xiàn)遲滯的率相關(guān)，如圖3(b)所示。

　　試驗(yàn)結(jié)果表明：MFC致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓和柔性臂構(gòu)件變形位移之間存在著嚴(yán)重的遲滯現(xiàn)象，不同激勵(lì)電壓下得到遲滯環(huán)的初載曲線基本重合。隨著激勵(lì)電壓幅值的增大，遲滯現(xiàn)象愈加明顯。在峰峰值電壓800V的正弦激勵(lì)下，柔性構(gòu)件位移的最大遲滯誤差達(dá)50.6%。值得注意的是，在MFC致動(dòng)器的雙極性驅(qū)動(dòng)電壓作用下，柔性臂構(gòu)件的正、負(fù)向變形位移存在著明顯的偏置現(xiàn)象，且偏置隨著驅(qū)動(dòng)電壓幅值增大而變大。在±400V無(wú)偏置電壓驅(qū)動(dòng)下，柔性梁構(gòu)件正、負(fù)向位移之間的偏置誤差達(dá)24.4%。

　　高壓放大器推薦：ATA-7015

　　圖：ATA-7015高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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