電壓放大器在壓電陶瓷驅動器空間抑振實驗中的應用

　　實驗名稱：基于壓電陶瓷驅動器的空間抑振實驗

　　實驗原理：以抑振系統樣機z旋轉自由度為例，如圖a所示，當上活動板受到繞z軸力矩M33z作用時，將產生傾角θ33z，該傾角的大小和方向取決于M33z的大小和方向。當M33z為正時，θ33z為正，由于壓電陶瓷只能輸出推力，所以此時應當對1號壓電陶瓷驅動器(PZT1)施加電壓將該傾角進行補償使上活動板回到水平位置；反之，當M33z為負時，θ33z也為負，此時應當對1號壓電陶瓷驅動器(PZT3)施加電壓將該傾角進行補償使上活動板回到水平位置因此，雖然只是對單自由度進行控制，但卻是一個二輸入二輸出系統，其輸入為M33z，θ33(實際實驗中測得的是線位移)，輸出是PZT1和PZT3的電壓，這兩個壓電陶瓷驅動器在同一時間只有一個能通電輸出。

圖a：系統抑振原理圖（z旋轉自由度為例）

　　抑振系統實驗原理框圖如圖b所示，上位機使用LabVIEW進行數據采集程序開發和模糊自整定PI控制算法編寫，下位機使用NICRIO9038(內置模擬電壓輸入模塊為NI9205和NI9215)進行四路位移傳感器和六維力傳感器數據讀取和采集，上位機和下位機之間通過Ethernet進行通訊。直流伺服電機產生外力矩作用在抑振系統樣機上使之產生一定幅值的偏轉，六維力傳感器實時采集該外力矩的大小和方向，四路位移傳感器實時檢測該偏轉角度對應的位移，并通過NIcRIO9038實時進行采集，經過適當前處理和相應控制算法運算得到對應位置壓電陶器驅動器應當輸出的電壓值，通過Ethermet傳輸給上位機程序，上位機程序將該電壓值通過USB通訊方式傳輸給ATA-2161電壓放大器，最終作用在抑振系統樣機壓電陶瓷驅動器上，將該偏轉值進行糾正，從而實現振動主動抑制的目的。

圖b：抑振系統實驗原理框圖

　　測試設備：上位機、ATA-2161電壓放大器、NIcRIO9038、位移傳感器、力傳感器、作動系統樣機

　　實驗過程：

　　(1)10Nm動態外力矩抑振實驗

　　通過動態力矩加載裝置對機構分別施加幅值約為10Nm(峰峰值約20Nm)，頻率分別為0.5Hz,1Hz,2Hz的動態力矩,得到的系統抑振性能結果如圖c所示。需要注意的是，由于所使用的直流伺服電機性能受限，產生的動態力矩并不是理想的隨時間按照正弦變化力矩，存在一定程度的失真和偏置，但是由于本實驗為抑振實驗，因此基本不存在影響。

圖c：10Nm動態外力矩抑振實驗(a)0.5Hz外力矩(b)1Hz外力矩(c)2Hz外力矩

　　(2)20Nm動態外力矩抑振實驗

　　同樣地，通過動態力矩加載裝置對機構分別施加幅值約為20Nm(峰峰值約20Nm)，頻率分別為0.5Hz，1HZ，2Hz的動態力矩，得到的系統抑振性能實驗測試結果如圖d所示。

圖d：20Nm動態外力矩抑振實驗(a)0.5Hz外力矩(b)1Hz外力矩(c)2Hz外力矩

　　實驗結果：綜合分析，可以得知本課題所設計的抑振系統所能抑制的最大頻率外力矩不超過2Hz。如果要獲得較好的抑振效果，較為理想的工況應該是外力矩幅值小于20Nm時，頻率小于1Hz，此時可以獲得高于64%的振動抑制率。同時，在小于2Hz的相同頻率下,外力矩幅值為10Nm時的抑振效果好于外力矩幅值為20Nm時的，這表明當外力矩幅值較小時，抑振效果也相對更好。

　　實驗結果同時表明，在外力矩在正負值之間切換時，抑振效果較差，猜測這和所使用的控制策略有關。由于控制單自由度的兩根壓電陶瓷驅動器的作動是依靠外力矩的方向來控制的，在這個階段力矩的變化速度較快，并且由于所使用的傳感器精度受限。因此當外力矩方向發生改變時，系統需要一定時間進行切換，不能很快達到最佳效果，這在外力矩頻率提高后凸顯的尤為明顯。

圖：ATA-2161高壓放大器指標參數

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