高压放大器在MFC致动的柔性臂构件研究中的应用
实验名称：MFC致动的柔性臂构件系统搭建
测试目的：搭建MFC致动的柔性臂构件试验系统，测试得到了柔性臂构件的末端变形位移与MFC致动器驱动电压之间的双极性非对称迟滞特性。基于经典PI模型，通过叠加一系列不同权重、不同阈值的双边死区算子，建立描述MFC致动器的双极性非对称性迟滞特性的改进PI迟滞模型，提高其迟滞模型非对称的逼近能力。在描述系统动态特性方面，采用离散传递函数模型描述系统线性动态特性，并与准静态改进PI迟滞模型串联组成组合模型，即压电柔性臂系统。最后，通过最小二乘法辨识得到改进PI迟滞正、逆模型，离散传递函数模型的特征参数，并对所提出的组合模型进行试验，结果表明其有效性。
测试设备：高压放大器、直流电源、传感器控制器、激光位移传感器、致动器等。
实验过程：
图1：MFC结构示意图
MFC结构组成示意如图1所示。MFC结构中环氧树脂的加入提升了整个复合结构的柔韧性、可靠性和变形能力，而指交叉电极的排布方式大幅提高了压电材料的应变致动效率。对比传统的压电陶瓷片而言，MFC的变形和驱动能力显著增强。因此，MFC致动器是柔性结构主动变形、驱动控制及振动抑制的理想元件。
为了测试MFC致动器的致动性能，搭建MFC压电柔性臂构件试验系统，采用环氧树脂胶水将两片MFC致动器对称地粘贴在铝基柔性臂构件根部的左右表面。测试过程中，PC机通过USB总线将MFC致动器的驱动电压信号传输到多槽嵌入USBCompact-DAQ机箱，然后经D/A模块转换为模拟电压信号，该电压信号经高压放大器放大后施加到MFC压电柔性臂上，MFC致动器在压电材料逆压电效应下实现柔性臂变形位移的精密驱动。水平安装在柔性臂构件末端的激光位移传感器实时检测构件的变形位移，传感器检测位移经控制器调理为模拟电压信号，然后传输到嵌入在机箱中的D/A模块，最后经机箱和USB总线传输到PC机中。整个测试系统基于Lab-VIEW平台完成。
实验结果：
图3：MFC致动器的迟滞特性曲线
MFC致动器的工作电压范围为－500～+1500V，故测试过程中选取电压峰峰值分别为400V、600V及800V，频率为0．1Hz的正弦波驱动电压信号施加到MFC致动器上，得到柔性臂构件的末端变形位移与驱动电压之间的关系如图3(a)所示；不同频率在相同的输入电压下，压电柔性臂迟滞呈现迟滞的率相关，如图3(b)所示。
试验结果表明：MFC致动器的驱动电压和柔性臂构件变形位移之间存在着严重的迟滞现象，不同激励电压下得到迟滞环的初载曲线基本重合。随着激励电压幅值的增大，迟滞现象愈加明显。在峰峰值电压800V的正弦激励下，柔性构件位移的最大迟滞误差达50.6%。值得注意的是，在MFC致动器的双极性驱动电压作用下，柔性臂构件的正、负向变形位移存在着明显的偏置现象，且偏置随着驱动电压幅值增大而变大。在±400V无偏置电压驱动下，柔性梁构件正、负向位移之间的偏置误差达24.4%。
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