用于自适应可展结构的压电式智能主动杆

　　智能主动杆是自适应可展结构中的重要部件。建立智能主动杆的数学模型是设计自适应可展结构的关键问题之一[1,2]。智能主动杆设计主要包括作动器、传感器、控制器和主体结构的设计。压电叠层作动器是主动元件的关键部件,用来产生作动力和轴向运动。

　　从20世纪80年代起开始了智能主动杆的研究,并进行了飞行实验[2]。Anderson等[3]对压电和电致动主动杆进行了总结,并介绍了用于CSI研究计划的第二代压电主动杆; Umland等[4]研制了低电压驱动的主动杆;李俊宝等[5]设计了一种用于桁架结构的主动杆。

　　本文介绍了一种用于空间可展结构的智能主动杆的设计及初步的实验研究。

　　1　智能主动杆设计原理

　　1.1　压电叠层作动器设计原理

　　压电陶瓷材料具有正逆压电效应,可用于制造智能主动杆中的作动器。在需要较大控制行程时,单片压电陶瓷的微位移量有限,应采用多片叠加构成压电陶瓷叠层。压电叠层中的压电陶瓷片之间一般采用电极串联或并联形式。由于并联形式可以获得较大的微位移行程,用较低的控制电压可获得较大的位移量,因此本文采用电学并联式设计压电叠层作动器。

　　图1为在其厚度方向(3轴方向)极化的薄片型压电陶瓷模型。

　　假定所有的应力和电场限于3轴方向,可将压电陶瓷片的本构关系简化为[6,7]

式中:T3和S3分别为压电片中的沿3轴方向的应力和应变;E3为加在压电片中3轴方向上的电场;d33和cE33为压电陶瓷的压电常数和恒电场下的弹性常数。

　　可推出压电陶瓷的作用电压Vin、输出力F和变形位移δ之间的关系:

式中:A和b分别为压电陶瓷片截面积和厚度;n为压电陶瓷片层数。

　　在自由状态下压电叠层作动器的伸长量δ为

式(3)是设计直线位移式压电作动器的基本公式。

　　1.2　压电叠层作动器的等效电路

　　压电叠层作动器可等效为电容负载,对于包含有n个独立叠片(电学上并联、机械串联)的作动器,其总电容C0为

　　C0对压电叠层作动器的位移输出特性、输出力特性、相位特性、工作频带和功耗等都会产生影响。压电主动元件需要采用前置电压放大器进行驱动,电压放大器可视为一电压源,其输出有内部阻抗。压电叠层作动器并不是纯容性负载,有漏电电阻存在,产生能量损失。压电叠层作动器与电压放大器系统,等效电路模型如图2所示。

　　若电压放大器提供的电压为V0,内阻为ri,略去压电叠层作动器的固有电感,将压电叠层作动器视为漏电电阻R0和电容负载C0并联等效电路,得到压电叠层作动器两端的驱动电压为