42214

ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА

Лабораторная работа

Физика

Целью работы является изучение математических моделей и исследование характеристик исполнительного устройства построенного на основе пьезоэлектрического двигателя микроперемещений. Исполнительные устройства на основе пьезоэлектрических двигателей ПД позволяют получить субмикронную 107108м точность позиционирования в диапазоне перемещения до 103м и при этом обеспечить полосу пропускания свыше 1кГц. На основании приведенных выше уравнений может быть составлена структурная схема пьезоэлектрического исполнительного устройства см.

Русский

2013-10-27

1.9 MB

21 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11

ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО

УСТРОЙСТВА

Цель работы. Целью работы является изучение математических моделей и исследование характеристик исполнительного устройства, построенного на основе пьезоэлектрического двигателя микроперемещений.

Методические рекомендации. До начала работы студенты должны получить от преподавателя вариант задания. К выполнению работы допускаются студенты, рассчитавшие параметры математической модели и составившие схему моделирования. Лабораторная работа рассчитана на 2 часа.

Теоретические сведения. Исполнительные устройства на основе пьезоэлектрических двигателей (ПД) позволяют получить субмикронную (10-710-8м) точность позиционирования в диапазоне перемещения до 10-3м и при этом обеспечить полосу пропускания свыше 1кГц. Основные области применения подобных устройств — оптоэлектронные приборы, прецизионные станки, микроэлектронная промышленность.

Работа пьезоэлектрических двигателей основана на принципе обратного пьезоэлектрического эффекта — способности пьезоэлектрических кристаллов изменять свою форму или размеры под действием внешнего электрического поля. На рис.11.1 представлены различные конструкции ПД. Составной ПД (рис.11.1а) представляет собой набор тонких пьезокерамических шайб, соединенных посредством спекания или склейки. На поверхность пьезокерамических шайб нанесены электроды, параллельно подключенные к источнику напряжения. Двигатели такого типа при диапазоне перемещения порядка 10-5м обеспечивают высокие усилия и могут перемещать значительные массы нагрузки. Увеличение диапазона перемещения (до 10-3м) при снижении максимальных усилий можно получить при использовании биморфных ПД. В основу их конструкции положена склейка двух пьезокерамаческих пластин, работающих на поперечном эффекте. Пластины электрически соединены таким образом, что при подаче управляющего напряжения одна из них удлиняется, а другая укорачивается, что приводит к изгибу биморфа и, в случае консольного закрепления двигателя (см. рис.11.1б), к отклонению его свободного конца.

Рис.11.1  Конструкции пьезоэлектрических двигателей

Для управления ПД необходимо высокое напряжение, максимальное значение которого составляет 200500 В. Такое напряжение на двигатель подается с высоковольтного усилителя (ВУ).

Математическая модель ПД. Будем рассматривать исполнительное пьезоэлектрическое устройство как упругую механическую систему с одной степенью свободы. В этом случае математическая модель может быть получена на основе уравнения баланса сил в пьезодвигателе:  

,

где — усилие упругой деформации ПД, — усилие, вызванное обратным пьезоэффектом,   — динамическое усилие в ПД,  — демпфирующее усилие, обусловленное механическими потерями,  — внешнее воздействие,   перемещение,  — коэффициент упругости, — коэффициент обратного пьезоэффекта,  — напряжение на электродах ПД,  — масса перемещаемой нагрузки,  — коэффициент демпфирования.

Коэффициент упругости зависит от типа конструкции, материала и геометрических размеров пьезоэлектрического двигателя. Для составного ПД, работающего на растяжение - сжатие, коэффициент упругости определяется по формуле

,

где — модуль упругости (модуль Юнга), — площадь сечения двигателя, в направлении, перпендикулярном действующей силе, — длина двигателя.

Управление ПД осуществляется от ВУ, при этом сам ПД является емкостной нагрузкой. В этом случае ВУ описывается апериодическим звеном первого порядка

,

где  — коэффициент усиления ВУ,  — максимальное напряжение ПД, — максимальное напряжение управления,  — постоянная времени ВУ,  — выходное сопротивление ВУ,  — емкость ПД. На основании приведенных выше уравнений может быть составлена структурная схема пьезоэлектрического исполнительного устройства (см. рис.11.2). Кроме пьезоэлектрического двигателя и высоковольтного усилителя на данной схеме с помощью пропорциональных звеньев с передаточными функциями, ,  и  представлены измерительные устройства. Эти коэффициенты передачи должны быть определены так, чтобы обеспечить соответствие максимального значения измеряемого сигнала уровню 10 В на выходе измерительного устройства.

    

Рис.2 Структурная схема пьезоэлектрического исполнительного устройства

Порядок выполнения работы

Изучить математические модели пьезоэлектрического исполнительного устройства и для заданного варианта (см. табл.11.1) рассчитать их параметры. При этом учесть, что максимальное напряжение, подаваемое на ПД , а максимальное напряжение управления .

Собрать схему моделирования и получить графики переходных процессов для измеренных значений ,, ,  при  Н и . Время моделирования должно быть выбрано таким, чтобы обеспечить наилучшее представление переходного процесса.

Исследовать влияние массы нагрузки  на вид переходных процессов. Диапазон изменения массы нагрузки:  от заданного значения. По временным диаграммам необходимо определить время переходного процесса , величину перерегулирования   и установившееся значение .

Исследовать влияние  на вид переходных процессов, увеличивая исходное значение постоянной времени в 2, 4 и 6 раз. Определить время переходных процессов , величину перерегулирования  и установившееся значение . Рассчитать значения корней характеристического уравнения для всех сочетаний параметров.

Получить графики переходных процессов по возмущению для измеренных значений ,  при , соответствующей заданному варианту и  для различных значений коэффициента упругости, составляющих   и .

Содержание отчета

Схемы моделирования.

Передаточные функции двигателя.

Графики результатов моделирования и данные, полученные по этим графикам.

Асимптотическая логарифмическая амплитудно-частотная характеристика исполнительного устройства.

Выводы

Вопросы к защите лабораторной работы

Какая размерность коэффициента передачи математической модели ПД?

На какую величину перемещается нагрузка при ?

Какие параметры математической модели влияют на частоту собственных колебаний ПД?

Каким образом на переходные процессы влияет постоянная времени ВУ? Как вы это объясняете?

Как связан коэффициент упругости двигателя с его размерами?

Выведите передаточную функцию .

В чем отличие конструкции составного и биморфного ПД, и как это влияет на их характеристики?

         Таблица 11.1

Варианты задания (в вариантах 16 приведены параметры составного ПД, а в вариантах 712 —  биморфного)

варианта

Н/м

кг

Н/В

Нс/м

мс

Н

1

1,2.108

0,8

9,5

103

0,05

100

2

0,5.108

0,3

8,2

0,9.103

0,06

80

3

0,8.108

0,5

9,3

0,8.103

0,08

75

4

1,5.108

1

12

1,5.103

0,1

120

5

0,6.108

0,5

8,2

0,9.103

0,05

50

6

1,2.108

0,4

10

0,9.103

0,04

75

7

3,2.106

0,025

6,5

0,8.102

0,05

2

8

2,5.106

0,01

7,1

0,7.102

0,2

1,2

9

1,8.106

0,01

5,2

0,7.102

0,2

0,9

10

4,2.106

0,25

10

0,75.102

0,15

3

11

2.106

0,125

7,5

0,9.102

0,15

4

12

1,2.106

0,008

4,5

0,5.102

0,04

1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

37696. Структура HTML-документа і Елементи форматування тексту 3.64 MB
  Ознайомитись зі структурою HTML-документів і елементами для керування розміткою Web-сторінки та відображенням символів. Вивчити синтаксис мови HTML. Навчитися першим навичкам роботи з інструментами створення найпростіших Web-сторінок.
37697. Встановлення вимог до функціональності програмного забезпечення із застосуванням засобів UML (Use Case diagram) та вербальних Специфікацій 150 KB
  Поселення відбувається порт’є і далі передається адміністратору для підтвердження внесення даних до БД. Адміністратор виконує всі операції з БД в тому числі: внесення змінення та видалення записів з бази а також внесення службової інформації що передбачає внесення особистих даних адміністратора та портьє. Портьє надає інформацію про поселення клієнтів адміністратору АС у вигляді: Перелік кімнат різних класів у готелі. Основний потік Надання інформації адміністратору.
37698. Визначення параметрів датчиків температури 117 KB
  Установка складається із теплового обєкта ТО резервуар з трансформаторним маслом в якому розміщені робочі гарячі спаї батареї термопар БТ резистори. Батарея термопар складається із трьох послідовно включених термопар завдяки чому її сумарна тсрмое. Холодні кінці термопар заглиблені в рідину що має температуру оточуючого середовища. За допомогою контрольного термометра ТІ вимірять температуру холодних кінців термопар t0.
37700. Критерій Стьюдента 74.92 KB
  Щільність розподілу Графік щільності розподілу Стьюдента за зовнішнім виглядом нагадує нормальні криві. Але вони значно повільніше спадають до осі t якщо особливо за малих значень n Складено таблиці розподілу Ст’юдента здебільшого виду для кількості ступенів волі від 1 до 20. Якщо кількість ступенів волі більша то можна застосовувати нормальний закон розподілу з нульовим математичним сподіванням і одиничною дисперсією. Щільність цього розподілу подається формулою: Щільність розподілу Фішера має графік зображений на Для розподілу Фішера...
37701. Ознайомлення з середовищем програмування. Структура програми. Програмування лінійних та розгалужених алгоритмів 1.24 MB
  Тема: ознайомлення з середовищем програмування. Структура програми. Програмування лінійних та розгалужених алгоритмів. Мета: навчитись програмувати лінійні та розгалужені алгоритми мовою програмування С.
37702. Моделювання і розробка ІС 691 KB
  У рамках Rtionl Rose використовуються наступні графічні діаграми UML: Діаграма варіантів використання – дозволяє здійснити аналіз функцій системи. Діаграма класів – дозволяє описати структуру інформаційних об’єктів ІС. Діаграма станів – дозволяє відобразити зміни станів окремого об'єкта чи суб’єкта ІС представляючи його у вигляді спеціального орієнтованого графа. Діаграма діяльності використовуються для опису інформаційних процесів; Діаграма послідовності – служить для моделювання характеристик взаємодії передачі і прийому...
37703. Побудова локальної комп’ютерної мережі 1.95 MB
  2 Завдання: Навчитись встановлювати драйвери мережних адаптерів в середовищі операційних систем Windows 2000 XP; дослідити схеми підключення мережних пристроїв в локальній комп’ютерній мережі топології â€зірка†та â€ієрархічна зіркаâ€; навчитись налаштовувати адресацію комп’ютерів в локальній комп’ютерній мережі; дослідити способи перевірки працездатності комп’ютерної мережі за допомогою діагностичних утиліт. ІРАДРЕС МАСКУ ПОДСЕТИ ШЛЮЗ...