實驗名稱:

功率放大器在壓電驅動器輸出力遲滯效應研究中的應用

研究方向:

壓電驅動器

測試目的:

針對壓電驅動器輸出力的動態遲滯現象，研究固定頻率下的輸出力建模方法以及任意頻率下的輸出力建模方法。

實驗內容:

針對壓電驅動器輸出力的動態遲滯現象，研究在不同頻率條件下的輸出力控制方法，并進行壓電驅動探針檢測的可行性實驗驗證，主要從搭建壓電驅動器輸出力實驗系統、研究固定頻率下輸出力遲滯建模方法、研究任意頻率下輸出力遲滯建模方法、完成任意頻率下輸出力控制實驗四個方面開展研究。

實驗設備:

ATA-308功率放大器、壓電驅動器、上位機、數據采集卡、力傳感器等。

實驗過程:

在實驗平臺同步采集壓電陶瓷驅動器的輸入電壓和輸出力信號，如下圖a所示，而輸入電壓與輸出力的關系如下圖b所示。當輸入電壓為衰減正弦波時，在電壓-輸出力曲線圖中表現為多個大小不一的遲滯環。該實驗中電壓-輸出力曲線，說明輸出力的值與當前是處于電壓上升階段還是電壓下降階段有關，同時與壓電驅動器之前輸入電壓的極值相關。該實驗驗證壓電驅動器在電壓-輸出力關系表現出了和在電壓-位移關系同樣的遲滯現象，它是一種多值映射關系，且遲滯現象具有記憶特性。遲滯現象具有記憶特性的同時，還表現出了擦除特性(Wiping-out)與一致特性(Congruency)。

實驗結果:

1、擦除特性

圖中16s之前的輸入信號所產生的輸出力表現在電壓-輸出力曲線如上圖b所示，表現為1個遲滯主環和3個依附在遲滯主環上的遲滯子環。16s后的信號產生的遲滯環和0到2s的信號所產生遲滯環重合，說明2s到16s的信號不影響16s之后的信號，16s之后的信號擦除了之前的歷史極值，使電壓-輸出力曲線重新回到了遲滯主環之上。此實驗很好說明了在電壓-輸出力遲滯現象中的擦除特性。

2、一致特性

在時域信號中5s到10s之間與30s到35s之間存在局部極大值和局部極小值分別為60V和30V的兩個相同的三角波信號。在電壓-力曲線上表現如上圖b所示，由于歷史極值的不同，遲滯子環在電壓-輸出力平面上的位置發生了改變，但是遲滯子環大小完全相同，形狀全等。遲滯現象的一致特性對后續的建模和控制算法能夠帶來一定的啟發作用，遲滯現象的一致特性說明壓電驅動器的遲滯現象存在一種固定的非線性映射關系，而不是一種隨機時變的狀態。

3、頻率相關性

通過遲滯現象頻率相關性實驗，實驗采用參數如下：輸入電壓幅值為0~80V，頻率分別為20Hz、60Hz、100Hz、200Hz、300Hz的正弦波激勵壓電驅動器，同步采集輸入電壓與輸出力繪制不同頻率下的電壓-輸出力遲滯曲線。

ATA-308功率放大器

放大器在該實驗中發揮的效能：

在比較幾款驅動方案中，利用D類放大的電路，都會波形失真的現象，無法滿足本實驗中的實驗要求。ATA-308功率放大器，采用AB放大電路，失真小，而且作為壓電疊頓的放大驅動，所驅動的功率也合適，且在實驗過程中可以直接采用面板調節驅動電壓，比較直觀。