电压放大器在压电陶瓷驱动器空间抑振实验中的应用

实验名称：基于压电陶瓷驱动器的空间抑振实验

实验原理：以抑振系统样机z旋转自由度为例，如图a所示，当上活动板受到绕z轴力矩M33z作用时，将产生倾角θ33z，该倾角的大小和方向取决于M33z的大小和方向。当M33z为正时，θ33z为正，由于压电陶瓷只能输出推力，所以此时应当对1号压电陶瓷驱动器(PZT1)施加电压将该倾角进行补偿使上活动板回到水平位置；反之，当M33z为负时，θ33z也为负，此时应当对1号压电陶瓷驱动器(PZT3)施加电压将该倾角进行补偿使上活动板回到水平位置因此，虽然只是对单自由度进行控制，但却是一个二输入二输出系统，其输入为M33z，θ33(实际实验中测得的是线位移)，输出是PZT1和PZT3的电压，这两个压电陶瓷驱动器在同一时间只有一个能通电输出。

图a：系统抑振原理图（z旋转自由度为例）

抑振系统实验原理框图如图b所示，上位机使用LabVIEW进行数据采集程序开发和模糊自整定PI控制算法编写，下位机使用NICRIO9038(内置模拟电压输入模块为NI9205和NI9215)进行四路位移传感器和六维力传感器数据读取和采集，上位机和下位机之间通过Ethernet进行通讯。直流伺服电机产生外力矩作用在抑振系统样机上使之产生一定幅值的偏转，六维力传感器实时采集该外力矩的大小和方向，四路位移传感器实时检测该偏转角度对应的位移，并通过NIcRIO9038实时进行采集，经过适当前处理和相应控制算法运算得到对应位置压电陶器驱动器应当输出的电压值，通过Ethermet传输给上位机程序，上位机程序将该电压值通过USB通讯方式传输给ATA-2161电压放大器，最终作用在抑振系统样机压电陶瓷驱动器上，将该偏转值进行纠正，从而实现振动主动抑制的目的。

图b：抑振系统实验原理框图

测试设备：上位机、ATA-2161电压放大器、NIcRIO9038、位移传感器、力传感器、作动系统样机

实验过程：

(1)10Nm动态外力矩抑振实验

通过动态力矩加载装置对机构分别施加幅值约为10Nm(峰峰值约20Nm)，频率分别为0.5Hz,1Hz,2Hz的动态力矩,得到的系统抑振性能结果如图c所示。需要注意的是，由于所使用的直流伺服电机性能受限，产生的动态力矩并不是理想的随时间按照正弦变化力矩，存在一定程度的失真和偏置，但是由于本实验为抑振实验，因此基本不存在影响。

图c：10Nm动态外力矩抑振实验

(a)0.5Hz外力矩(b)1Hz外力矩(c)2Hz外力矩

(2)20Nm动态外力矩抑振实验

同样地，通过动态力矩加载装置对机构分别施加幅值约为20Nm(峰峰值约20Nm)，频率分别为0.5Hz，1HZ，2Hz的动态力矩，得到的系统抑振性能实验测试结果如图d所示。

图d：20Nm动态外力矩抑振实验

(a)0.5Hz外力矩(b)1Hz外力矩(c)2Hz外力矩

实验结果：综合分析，可以得知本课题所设计的抑振系统所能抑制的最大频率外力矩不超过2Hz。如果要获得较好的抑振效果，较为理想的工况应该是外力矩幅值小于20Nm时，频率小于1Hz，此时可以获得高于64%的振动抑制率。同时，在小于2Hz的相同频率下,外力矩幅值为10Nm时的抑振效果好于外力矩幅值为20Nm时的，这表明当外力矩幅值较小时，抑振效果也相对更好。

实验结果同时表明，在外力矩在正负值之间切换时，抑振效果较差，猜测这和所使用的控制策略有关。由于控制单自由度的两根压电陶瓷驱动器的作动是依靠外力矩的方向来控制的，在这个阶段力矩的变化速度较快，并且由于所使用的传感器精度受限。因此当外力矩方向发生改变时，系统需要一定时间进行切换，不能很快达到最佳效果，这在外力矩频率提高后凸显的尤为明显。

图：ATA-2161高压放大器指标参数

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