ATA-308C功率放大器调控压电驱动器输出力迟滞行为的机理研究-电子发烧友网

实验名称：压电驱动器输出力迟滞效应研究

研究方向：压电陶瓷驱动器能提供微米级的行程，有高速响应、体积小、高工作带宽的优点，因此压电陶瓷驱动器广泛应用在高精度系统的部件当中。由于压电陶瓷驱动器迟滞现象的影响，且迟滞现象随输入电压的频率增大而更加明显，当工作频率在较大范围变化时，迟滞现象会严重影响控制精度。

压电陶瓷驱动器由于极化过程的影响，其迟滞非线性是材料本身的固有特性，这种非线性会造成控制系统稳定性的下降，难以确定合适的控制参数，严重时会造成控制系统不稳定的严重后果。对于压电陶瓷的迟滞特性非线性建模及控制方法的研究，一般需要对迟滞现象建立精确模型。由于迟滞现象的复杂性和多样性，迟滞现象的建模及控制是一项极其困难的工作，国内外学术界暂时还没有一统的迟滞模型。研究者们基本从两个方面对迟滞现象进行建模研究，一是基于物理原理出发，通过应力、应变、磁感应强度、电场强度等物理量推导压电材料输入电压与输出位移之间的关系，如Jiles-Atherton模型。基于物理原理来建立迟滞模型难度高，且不同的压电材料表现出的迟滞现象也各不相同，基于物理原理推导出的迟滞模型只适用于一种迟滞材料，缺乏一般性；第二种方法是基于迟滞现象建立迟滞模型，基于现象的模型不关心迟滞现象出现的物理原理，只针对迟滞现象进行数学建模，应用范围更加广泛。

实验目的：分析压电驱动器的输出力特性

测试设备：压电驱动器、ATA-308功率放大器、电荷放大器、数据采集卡、上位机

实验过程：实验过程如图1-1所示，首先利用上位机控制数据采集卡给出激励信号，经过ATA-308功率放大器后信号施加给压电陶瓷，压电力传感器采集压电驱动器输出力产生电荷信号，电荷信号经过电荷放大器中的积分电路和调理电路最终转换为电压信号，此时同步采集输入电压信号和输出力信号用于分析压电驱动器的输出力特性。

图1-1实验原理框图

实验结果：压电驱动器在非线性特征由迟滞现象，蠕变现象和振动组合成，其中迟滞现象占据主导作用。迟滞现象在压电驱动器中不仅表现在输入电压与输出位移上，在输入电压与输出力也表现出迟滞现象。输出力大小不仅与输入电压的当前值有关，而且与输入电压之前的极值有关，这种行为相当于压电驱动器记录了之前的历史极值，因此这种现象称为迟滞现象的记忆特性。

在实验平台同步采集压电陶瓷驱动器的输入电压和输出力信号，如图1-2a)所示，而输入电压与输出力的关系如图1-2b)所示。当输入电压为衰减正弦波时，在电压-输出力曲线图中表现为多个大小不一的迟滞环。该实验中电压-输出力曲线，说明输出力的值与当前是处于电压上升阶段还是电压下降阶段有关，同时与压电驱动器之前输入电压的极值相关。该实验验证压电驱动器在电压-输出力关系表现出了和在电压-位移关系同样的迟滞现象，它是一种多值映射关系，且迟滞现象具有记忆特性。迟滞现象具有记忆特性的同时，还表现出了擦除特性(Wiping-out)与一致特性(Congruency)。