弯振复合型压电驱动器的激励方法与实验研究

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1、硕士学位论文弯振复合型压电驱动器的激励方法与实验研究RESEARCHONTHEEXCITINGMETHODSANDEXPERIMENTSFORPIEZOELECTRICACTUATORUSINGBENDINGHYBRIDMODES王鼎汶哈尔滨工业大学2016年6月国内图书分类号：TP211学校代码：10213国际图书分类号：681.5密级：公开工学硕士学位论文弯振复合型压电驱动器的激励方法与实验研究硕士研究生：王鼎汶导师：陈维山教授副导师：刘英想教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2016年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedInde

2、x:TP211U.D.C:681.5DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONTHEEXCITINGMETHODSANDEXPERIMENTSFORPIEZOELECTRICACTUATORUSINGBENDINGHYBRIDMODESCandidate：WangDingwenSupervisor：Prof.ChenWeishanAssociateSupervisor：Prof.LiuYingxiangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：Mechat

3、ronicsEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文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

4、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

5、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35kHz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

6、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-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文电路模型参数值，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

7、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