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

7367. Исследование статических режимов в двигателе постоянного тока с электромагнитным возбуждением 11.16 MB
  Исследование параметров и характеристик двигателя постоянного токас независимым возбуждением Задание Исследовать статические режимы в двигателе постоянного тока с электромагнитным возбуждением. Цель Ознакомиться с виртуальной средо...
7368. Розробка конструкції та монтажу модуля попереднього підсилювача 182.5 KB
  Розробка конструкції та монтажу модуля попереднього підсилювача Вступ (ризначення, основні технічні характеристики, умови експлуатації). Як відомо, для високоякісного відтворення стереофонічних програм в салоні автомобіля необхідним пісилювачем звук...
7369. Исследование цепи второго порядка. Поиск входной и предаточной характеристики 619.5 KB
  Задание к курсовой работе В курсовой работе необходимо исследовать цепь второго порядка. Для цепи необходимо найти ее входную и передаточную характеристику, определить переходную и импульсную характеристику, написать уравнения цепи через переменные ...
7370. Разработать и отладить программу расчета выражения 121.5 KB
  Разработать и отладить программу расчета выражения Содержание Введение Задание с выбором варианта коэффициентов Описание алгоритма задачи Описание отдельных процедур Листинг программы с комментариями Листинг результатов...
7371. Проектирование и прогнозирование механических свойств однонаправленного слоя из композиционного материала 1.07 MB
  Проектирование и прогнозирование механических свойств однонаправленного слоя из композиционного материала Данное пособие призвано помочь студентам при изучении основ механики, конструирования и изготовления изделий из композиционных материалов. Пред...
7372. Радіозв’язок. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт 142.5 KB
  Лабораторна робота №1 Визначення типу прольоту РРЛ прямої видимості Навчальна мета. Отримати практичні навички побудови профілю прольоту каналу радіозв’язку прямої видимості. Опанувати методику визначення коефіцієнту посла...
7373. Финансовое обеспечение муниципальных услуг дошкольного образования и его совершенствование (по материалам ДОУ 18 города Липецка) 576 KB
  Теоретические основы деятельности и источники финансирования бюджетных учреждений сферы дошкольного образования; проанализировать существующий механизм финансирования дошкольных образовательных учреждений; рассмотреть совершенствование формирования механизма финансирования дошкольных учреждений.
7374. Про що говорить музика 54 KB
  Тема:Про щоговорить музика Мета: формувати уміння сприймати музику як виражальне мистецтво ознайомити з поняттям нотний стан, скрипковий ключ, нота вдосконалювати вокальні, танцювальні навички розвивати ритмічний слух...
7375. Объектно-ориентированное программирование 1.32 MB
  Объектно-ориентированное программирование Введение в объектно-ориентированное программирование Объектно-ориентированное программирование (ООП) - основная парадигма программирования 80-90-х годов, которая по всей видимости сохранится и в т...