基于积分器的压电陶瓷自感知执行器研究

    0　引　言

    自感知执行器是利用某些功能材料的双向可逆变换效应,使执行器在执行的同时又具有感知的功能.它是一种功能集成的器件,相对于传感器和执行器的结构集成,其优越性在于^[1、2]:①传感器的测试点和控制信号的作用点是同一点,可实现真正的同位控制;②系统附加质量减少,响应速度加快,性能提高;③系统结构大大减小,重量大大减轻,有利于进一步向MEMS方向发展;④省掉了独立传感器,可降低成本.自感知执行器的缺点是信号处理难度加大、解耦方法的复杂度提高.

    实现自感知执行器的技术关键是实现感知信号同控制信号的分离. Dosch等提出的基于电桥电路的自感知方法^[3]是目前被大多数研究者所采用的信号分离方法.其原理是将压电陶瓷自感知执行器作为一个桥臂,同其他3个桥臂——参考电容、串联阻抗一同构成电桥,当电桥平衡后,感知电压便可从控制电压中分离出来,使输出仅与感知电压有对应关系.电桥法大多被用于悬臂梁的振动主动控制,以抑制梁的振动^[4～7].电桥法在实际应用中存在如下难点:压电陶瓷晶片并非理想的绝缘体,而是存在一定的漏电阻,从而产生漏电流,静态或低频情况下漏电流将破坏电桥的平衡,而电桥的平衡被破坏,将使控制系统的稳定性变差,无法发挥自感知执行器的优越性;同驱动电压相比,感知电压很小,这使电桥法实现起来较难.

    本文提出一种基于积分器电路的压电陶瓷执行器位移自感知方法,以使自感知电路的调节和感知信号的获取变得容易,克服电桥法自感知电路阻抗不易匹配的不足,并应用于静态或低频情况下.

    1　压电陶瓷执行器位移自感知原理

    本文所研究的压电陶瓷执行器的边界条件为机械自由、电学短路,结构形式为叠堆型.叠堆型压电陶瓷执行器的输入和输出均为3方向.这样,该执行器的机电输入输出特性可用第一类压电方程表示为^_[8]

式中:S₃为压电陶瓷执行器在3方向所产生的应变;D₃为压电陶瓷执行器在3方向所产生的电位移;s^E33为电场强度E= 0,C(C表示常数)时的弹性柔顺常数,即短路弹性柔顺常数;ε^T33为应力T= 0,C时的介电常数,即自由介电常数;d33为压电应变常数.

    当压电陶瓷执行器驱动负载(如工作台)时,其输出应变与输出电位移相对于空载时只是按一定的比例缩小^[9].于是,式(1)、(2)可简化为

    S₃=ad₃₃E₃            (3)

    D₃=bε^T₃₃E₃              (4)

式中a、b为比例系数.