電壓放大器在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器空間抑振實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

　　實(shí)驗(yàn)名稱：基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的空間抑振實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)原理：以抑振系統(tǒng)樣機(jī)z旋轉(zhuǎn)自由度為例，如圖a所示，當(dāng)上活動(dòng)板受到繞z軸力矩M33z作用時(shí)，將產(chǎn)生傾角θ33z，該傾角的大小和方向取決于M33z的大小和方向。當(dāng)M33z為正時(shí)，θ33z為正，由于壓電陶瓷只能輸出推力，所以此時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)1號(hào)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(PZT1)施加電壓將該傾角進(jìn)行補(bǔ)償使上活動(dòng)板回到水平位置；反之，當(dāng)M33z為負(fù)時(shí)，θ33z也為負(fù)，此時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)1號(hào)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(PZT3)施加電壓將該傾角進(jìn)行補(bǔ)償使上活動(dòng)板回到水平位置因此，雖然只是對(duì)單自由度進(jìn)行控制，但卻是一個(gè)二輸入二輸出系統(tǒng)，其輸入為M33z，θ33(實(shí)際實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的是線位移)，輸出是PZT1和PZT3的電壓，這兩個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器在同一時(shí)間只有一個(gè)能通電輸出。

圖a：系統(tǒng)抑振原理圖（z旋轉(zhuǎn)自由度為例）

　　抑振系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理框圖如圖b所示，上位機(jī)使用LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)采集程序開(kāi)發(fā)和模糊自整定PI控制算法編寫(xiě)，下位機(jī)使用NICRIO9038(內(nèi)置模擬電壓輸入模塊為NI9205和NI9215)進(jìn)行四路位移傳感器和六維力傳感器數(shù)據(jù)讀取和采集，上位機(jī)和下位機(jī)之間通過(guò)Ethernet進(jìn)行通訊。直流伺服電機(jī)產(chǎn)生外力矩作用在抑振系統(tǒng)樣機(jī)上使之產(chǎn)生一定幅值的偏轉(zhuǎn)，六維力傳感器實(shí)時(shí)采集該外力矩的大小和方向，四路位移傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)該偏轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)的位移，并通過(guò)NIcRIO9038實(shí)時(shí)進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)適當(dāng)前處理和相應(yīng)控制算法運(yùn)算得到對(duì)應(yīng)位置壓電陶器驅(qū)動(dòng)器應(yīng)當(dāng)輸出的電壓值，通過(guò)Ethermet傳輸給上位機(jī)程序，上位機(jī)程序?qū)⒃撾妷褐低ㄟ^(guò)USB通訊方式傳輸給ATA-2161電壓放大器，最終作用在抑振系統(tǒng)樣機(jī)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器上，將該偏轉(zhuǎn)值進(jìn)行糾正，從而實(shí)現(xiàn)振動(dòng)主動(dòng)抑制的目的。

圖b：抑振系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理框圖

　　測(cè)試設(shè)備：上位機(jī)、ATA-2161電壓放大器、NIcRIO9038、位移傳感器、力傳感器、作動(dòng)系統(tǒng)樣機(jī)

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

　　(1)10Nm動(dòng)態(tài)外力矩抑振實(shí)驗(yàn)

　　通過(guò)動(dòng)態(tài)力矩加載裝置對(duì)機(jī)構(gòu)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(dòng)態(tài)力矩,得到的系統(tǒng)抑振性能結(jié)果如圖c所示。需要注意的是，由于所使用的直流伺服電機(jī)性能受限，產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)力矩并不是理想的隨時(shí)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(shí)驗(yàn)為抑振實(shí)驗(yàn)，因此基本不存在影響。

圖c：10Nm動(dòng)態(tài)外力矩抑振實(shí)驗(yàn)(a)0.5Hz外力矩(b)1Hz外力矩(c)2Hz外力矩

　　(2)20Nm動(dòng)態(tài)外力矩抑振實(shí)驗(yàn)

　　同樣地，通過(guò)動(dòng)態(tài)力矩加載裝置對(duì)機(jī)構(gòu)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(dòng)態(tài)力矩，得到的系統(tǒng)抑振性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖d所示。

圖d：20Nm動(dòng)態(tài)外力矩抑振實(shí)驗(yàn)(a)0.5Hz外力矩(b)1Hz外力矩(c)2Hz外力矩

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：綜合分析，可以得知本課題所設(shè)計(jì)的抑振系統(tǒng)所能抑制的最大頻率外力矩不超過(guò)2Hz。如果要獲得較好的抑振效果，較為理想的工況應(yīng)該是外力矩幅值小于20Nm時(shí)，頻率小于1Hz，此時(shí)可以獲得高于64%的振動(dòng)抑制率。同時(shí)，在小于2Hz的相同頻率下,外力矩幅值為10Nm時(shí)的抑振效果好于外力矩幅值為20Nm時(shí)的，這表明當(dāng)外力矩幅值較小時(shí)，抑振效果也相對(duì)更好。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)表明，在外力矩在正負(fù)值之間切換時(shí)，抑振效果較差，猜測(cè)這和所使用的控制策略有關(guān)。由于控制單自由度的兩根壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的作動(dòng)是依靠外力矩的方向來(lái)控制的，在這個(gè)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(dāng)外力矩方向發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)需要一定時(shí)間進(jìn)行切換，不能很快達(dá)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(biāo)參數(shù)

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