本文關(guān)鍵詞： 壓電驅(qū)動器 響應(yīng)速度 分時驅(qū)動 應(yīng)力波 COMSOL Multiphysics　出處：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2016年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：快速響應(yīng)是壓電驅(qū)動器最主要的優(yōu)點之一,目前關(guān)于壓電驅(qū)動器的研究都是基于同時驅(qū)動結(jié)構(gòu)即同時激勵壓電堆中所有的壓電層。這種驅(qū)動結(jié)構(gòu)是將壓電堆看作一個整體,忽略了在高頻驅(qū)動時壓電堆內(nèi)部應(yīng)力波傳播對壓電堆輸出的影響。針對這一問題,本文創(chuàng)新性的提出了一種分時驅(qū)動方法,它通過考慮壓電堆中應(yīng)力波傳播規(guī)律,分時依次地激勵壓電堆中各壓電層,使各層產(chǎn)生的應(yīng)力波同時傳播到壓電堆頂端實現(xiàn)線性疊加,從而大幅度提高壓電堆的響應(yīng)速度。本文對壓電堆中應(yīng)力波波動方程、傳播規(guī)律等進行了理論推導(dǎo)和分析,并利用有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics構(gòu)造壓電堆模型、分時激勵脈沖序列,對分時驅(qū)動思想進行驗證。首先分別仿真了將壓電堆底面直接剛性固定時,其在同時驅(qū)動和分時驅(qū)動方法下的動態(tài)響應(yīng)輸出,仿真結(jié)果顯示此時分時驅(qū)動下壓電堆的響應(yīng)速度并未得到很好的改善；通過對分時驅(qū)動下壓電堆的響應(yīng)曲線進行分析得出：由于壓電堆產(chǎn)生的下行波未經(jīng)過線性疊加,它們經(jīng)過底面反射后會重新傳播到壓電堆頂端,從而影響分時驅(qū)動的效果,延長壓電堆的響應(yīng)時間。為了驗證這一結(jié)論,我們在壓電堆底面增加一無限長的壓電桿基座,用它來吸收壓電堆的下行波,仿真結(jié)果證明此時分時驅(qū)動下壓電堆的響應(yīng)速度是同時驅(qū)動方法下的2.75倍,分時驅(qū)動思想得到了驗證。另外我們對基座也做了進一步的選擇與優(yōu)化,設(shè)計了更符合要求的基座材料和尺寸。為了通過實驗驗證分時驅(qū)動思想,本文利用壓電陶瓷圓環(huán)構(gòu)造了可以被分時驅(qū)動的壓電堆結(jié)構(gòu),并利用低壓控制高壓的思想設(shè)計了能產(chǎn)生一系列相鄰脈沖間具有可調(diào)延時的脈沖序列,它們都具有非常短暫的上升沿,然后利用PVDF壓電薄膜對壓電堆的動態(tài)響應(yīng)進行測量。實驗結(jié)果證明,分時驅(qū)動方法下壓電堆的響應(yīng)速度是同時驅(qū)動下的2.67倍,且分時驅(qū)動方法實現(xiàn)了壓電堆中各壓電層產(chǎn)生應(yīng)力的線性疊加。因此,分時驅(qū)動方法下壓電堆的響應(yīng)速度不隨壓電堆中被激勵壓電層數(shù)量的變化而改變,也不受激勵電壓幅值的影響。通過本文所提出的分時驅(qū)動方法,可以使壓電堆在輸出足夠大位移的同時還具有非�？斓捻憫�(yīng)速度,對提高壓電堆的性能和其在高速驅(qū)動下的應(yīng)用都將發(fā)揮重要的作用。
[Abstract]:Fast response is one of the most important advantages of piezoelectric actuators. At present, the research of piezoelectric actuators is based on simultaneous actuating structures, that is, simultaneously exciting all piezoelectric layers in piezoelectric stacks. The effect of stress wave propagation on the output of piezoelectric reactor is neglected when the piezoelectric reactor is driven at high frequency. In this paper, a time-sharing driving method is proposed, which considers the propagation law of stress wave in piezoelectric reactor. In this paper, the stress wave generated by each layer of the piezoelectric reactor is excited in turn, and the stress wave propagates to the top of the piezoelectric reactor to achieve a linear superposition at the same time, thus greatly increasing the response speed of the piezoelectric reactor. In this paper, the wave equation of the stress wave in the piezoelectric reactor is studied. The propagation law is theoretically deduced and analyzed, and the piezoelectric reactor model is constructed by using the finite element simulation software COMSOL Multiphysics, and the time-sharing excitation pulse sequence is obtained. The idea of time-sharing drive is verified. Firstly, the dynamic response output of piezoelectric reactor is simulated under the condition of simultaneous driving and time-sharing drive, respectively, when the bottom surface of piezoelectric reactor is directly rigidly fixed. The simulation results show that the response speed of piezoelectric reactor driven by time-sharing has not been improved very well, and by analyzing the response curve of piezoelectric reactor driven by time-sharing, it is concluded that the downlink wave generated by piezoelectric reactor has not passed through linear superposition. They repropagate to the top of the piezoelectric reactor after reflection from the bottom, which affects the time-sharing driving effect and prolongs the response time of the piezoelectric reactor. To verify this conclusion, we add an infinite piezoelectric pole base to the bottom of the piezoelectric reactor. It is used to absorb the downlink wave of the piezoelectric reactor. The simulation results show that the response speed of the piezoelectric reactor driven by the time-sharing method is 2.75 times that of the simultaneous driving method. The idea of time-sharing drive has been verified. In addition, we have also made further selection and optimization of the base, designed more suitable materials and dimensions of the base. In order to verify the time-sharing drive idea through the experiment, In this paper, a piezoelectric stack structure which can be actuated by time sharing is constructed by using a piezoelectric ceramic ring, and a series of pulse sequences with adjustable delay between adjacent pulses are designed by using the idea of low voltage control high voltage. They all have very short rise edges, and then measure the dynamic response of piezoelectric stacks by using PVDF piezoelectric films. The experimental results show that the response speed of piezoelectric stacks driven by time-sharing method is 2.67 times faster than that under simultaneous actuation. The time-sharing driving method can achieve the linear superposition of the stress of each piezoelectric layer in the piezoelectric stack. Therefore, the response speed of the piezoelectric stack does not change with the number of excited piezoelectric layers in the piezoelectric stack. The time-sharing driving method proposed in this paper can make the piezoelectric pile with large enough displacement and very fast response speed. It will play an important role in improving the performance of piezoelectric reactor and its application in high speed drive.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH703

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