压电堆执行器温度特性研究
压电陶瓷基本特性研究_张涛
第6卷 第5期光学 精密工程Vo l.6,N o.5 1998年10月OPTICS AND PRECISION ENGINEERING O ctober,1998压电陶瓷基本特性研究X张 涛 孙立宁 蔡鹤皋(哈尔滨工业大学机器人研究所 哈尔滨150001) 摘要 随着压电陶瓷应用领域的不断扩大,压电陶瓷作为一种精密驱动器件,其自身的性能日益受到使用者的关注。
本文对压电陶瓷器件位移特性、出力特性、温度特性及蠕变特性进行了详尽的论述和分析,推导了压电陶瓷和电致伸缩陶瓷的归一化模型,并对国内外典型的压电陶瓷器件的位移特性进行了分析。
关键词 压电陶瓷 基础特性 归一化模型1 引 言 压电陶瓷微位移器是近年来发展起来的新型微位移器件,它具有体积小、重量轻、精度和分辨率高、频响高、出力大等优点,在光学、电子、航天航空、机械制造、生物工程、机器人等技术领域得到了广泛应用,而且日益受到重视。
压电陶瓷的特性和性能指标直接影响机械结构和控制系统的设计,因而急需对其性能有明确的阐述。
本文针对这一问题,在多年的研究基础上结合使用中的体会,对压电陶瓷的基本特性进行了分析,给出了几种国内外常见的压电陶瓷的特性曲线。
2 压电陶瓷基本原理 压电陶瓷和电致伸缩陶瓷都是电介质,电介质在电场的作用下有两种效应,即逆压电效应和电致伸缩效应。
其中逆压电效应是指电介质在外电场的作用下产生应变,应变大小与电场大小成正比,应变的方向与电场方向有关。
而电致伸缩效应是指电介质在电场的作用下由于感应极化作用引起应变,且应变与电场方向无关,应变的大小与电场的平方成正比。
上述效应可用公式表达如下:X国家自然科学基金、国家八六三计划资助收稿日期:1998-07-10修稿日期:1998-08-20s =d E +ME 2(1)式中:dE :逆压电效应; M E 2:电致伸缩效应d :压电系数(m /V ); M :电致伸缩系数(m 2/V 2);E :电场强度(V /m ); s :应变。
压电陶瓷叠堆执行器及其系统的迟滞现象模拟、线性化及控制方法的研究
压电陶瓷叠堆执行器及其系统的迟滞现象模拟、线性化及控制方法的研究压电陶瓷执行器（Piezoelectric ceramic actuators, PCAs）是一种利用压电材料的逆压电效应制作而成的微位移执行器，具有体积小、能量密度高、分辨率高、频响快等优点，已经成为精密定位系统中重要定位及驱动元件。
由于基于单片压电陶瓷晶片的压电陶瓷执行器的输出位移比较小，常常采用一定的工艺将多片压电陶瓷晶片和电极叠合而成压电陶瓷叠堆执行器（Piezoelectric ceramic stackactuators, PCSAs）以提高输出位移。
然而这种通过一定的工艺叠合而成的压电陶瓷叠堆执行器存在的一些缺点限制了其在快速、高精密定位系统中的应用：首先压电陶瓷叠堆执行器会进一步加剧压电陶瓷晶片的输出位移与驱动电压之间存在多值对应的迟滞现象，如何实现对压电陶瓷叠堆执行器的有效控制成为精密定位控制研究中的重点和难点之一；其次叠合工艺会影响压电陶瓷叠堆执行器的动态性能，甚至缩短其使用寿命。
因此，压电陶瓷叠堆执行器及其系统的迟滞线性化方法及压电陶瓷叠堆执行器的动态性能设计方法是压电陶瓷叠堆执行器在快速、高精密定位系统中应用时必须解决的问题，开展这方面的研究具有重要学术意义和工程应用前景。
为了解决上述问题，本文建立了能描述压电陶瓷叠堆执行器的迟滞现象的Bouc-Wen数学模型，提出了基于Bouc-Wen数学模型的线性化控制方法用于实现压电陶瓷叠堆执行器的迟滞线性化；建立了能够同时模拟压电陶瓷叠堆执行器的迟滞现象和动态特性的综合模型，提出了能够合理设计压电陶瓷叠堆执行器的动态性能的方法；建立了预压紧压电陶瓷执行器的现象模型；在此基础上，提出并实现了压电致动二维微位移扫描平台的基于现象模型的鲁棒模型参考自适应控制方法。
本文的主要研究工作和创新点可以归纳为以下六个方面：1.提出并研究了能够模拟压电陶瓷叠堆执行器的迟滞现象的Bouc-Wen数学模型。
现代(S&A)(第四章 压电式执行器)
2. 压电陶瓷
主要包括钛酸钡(BaTiO3)和锆钛酸铅(PbZrTiO3，简写为PZT)压电陶瓷，都需要经过人工极化才具 有压电性。PZT比BaTiO3的压电系数大。压电陶瓷的特点是：压电常数大（约为石英晶体的50 倍），灵敏度高；制造工艺成熟，可通过合理配方和参杂等人工控制来达到所要求的性能；成 型工艺性也好，成本低廉，利于广泛应用。但是压电陶瓷的绝缘性能和机械强度不如石英晶体， 所以压电陶瓷多用于做执行器，不做传感器。 压电执行器与传统电动、液动执行器相比，具有体积小，分辨率高，响应速度快，不发热，低 能耗，无电磁干扰等优点。其应用涉及到精密光学、微型机械、激光通讯、生物遗传工程、超 大规模集成电路芯片制造等重要高新技术领域。
3、采用高压运放的桥式驱动电路 高压运算放大器，如PA41和3583，共同特点是高电压操作、高输 出电流。PA41的电源范围为±50V~±175V，输出电流60mA；3583 的电源范围为±50V~±150V，输出电流75mA。高压运算放大器可 用于压电变换驱动器、可编程电压源和高压电流源等。图示电路 可实现峰-峰660V压电驱动，若只要求驱动范围为峰-峰300V，则可 以只取一半电路。
•压电陶瓷根据极化方式和极化方向的不同，也可具有纵 向效应、横向效应以及剪切效应。象石英晶体一样，也可 根据不同效应作成不同的传感器和执行器。陶瓷的正压电 效应用作传感器，逆压电效应用作执行器。 •压电陶瓷之所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在无 序的自发极化；经人工极化处理后，陶瓷内部具有了有序 的剩余极化强度。当外界的作用（如压力或电场的作用） 使极化强度改变，陶瓷就表现出正压电效应或逆压电效应。 •陶瓷内的极化电荷是束缚电荷，不是自由电荷，这些束 缚电荷不能自由移动，所以发生在陶瓷中的充电和放电现 象，完全是内部极化强度的变化引起电极表面上自由电荷 的释放和补充的结果。
压电材料的研究和应用现状
压电材料的研究和应用现状一、本文概述压电材料是一类具有独特物理性质的材料，它们能在机械应力作用下产生电荷，或者在电场作用下发生形变。
这一特性使得压电材料在众多领域，如传感器、执行器、能量转换和收集等方面具有广泛的应用前景。
本文旨在全面概述压电材料的研究和应用现状，分析其在不同领域中的优势和局限性，并探讨未来可能的发展方向。
我们将回顾压电材料的基本理论和性质，包括压电效应的起源、压电常数等关键参数的定义和测量方法。
然后，我们将重点关注压电材料的主要类型，如压电晶体、压电陶瓷、压电聚合物等，介绍它们的制备工艺、性能特点以及适用场景。
接着，我们将深入探讨压电材料在传感器和执行器领域的应用。
在这一部分，我们将分析压电材料如何被用于制作压力传感器、加速度计、振动能量收集器等设备，并讨论其在实际应用中的优势和挑战。
我们还将关注压电材料在能源领域的应用，如压电发电和压电储能等。
我们将展望压电材料的未来发展趋势。
在这一部分，我们将讨论新型压电材料的开发、性能优化以及新应用场景的拓展等问题，并探讨压电材料在未来可能带来的技术革新和产业变革。
通过本文的阐述，我们希望能为读者提供一个全面而深入的压电材料研究和应用现状的概览，为相关领域的研究人员和工程师提供有益的参考和启示。
二、压电材料的分类压电材料，作为一种具有压电效应的特殊材料，可以根据其组成和性质进行多种分类。
最常见的分类方式是根据材料的晶体结构和化学成分，将压电材料分为压电晶体、压电陶瓷和压电聚合物三大类。
压电晶体：压电晶体是最早发现具有压电效应的材料，如石英晶体。
这类材料具有良好的压电性能和稳定性，因此在高精度测量、振荡器、滤波器等领域有广泛应用。
然而，由于晶体材料的加工难度大，成本高，限制了其在一些领域的应用。
压电陶瓷：压电陶瓷是通过一定的陶瓷工艺制备而成的压电材料，如铅锆钛酸盐（PZT）等。
这类材料具有较高的压电常数和介电常数，易于加工成各种形状，因此在传感器、执行器、换能器等领域得到了广泛应用。
大连理工大学机械工程学院导师信息
传感测控与精密加工技术研究所简介现有教员13名,其中，教授2名，副教授5名，高级工程师2名,讲师2名，工程师1名，高级技工1名。
主要研究方向：传感器与执行器理论与技术；智能化仪器仪表与智能监控技术；航空航天发动机推力测量；微型柔性构件的拓扑优化；精密加工技术及精密测量；硬脆材料加工与工具技术；现代切削理论与切削过程测控；难加工材料切削性能与加工技术；液压系统CAD/CAM、动态特性仿真与优化；网络测控技王殿龙：传感测试理论与技术、难加工材料切削加工、工程机械数字化样机技术。
张元良：1.天然金刚石超精密切削、2.智能化仪器仪表、3.学生体质自动测量仪表、4.起重机力矩限制器、5.液压比例阀数字化控制技术与模块化研究、6.在线测量技术及应用。
徐志祥：模式识别与智能系统方向，1. 数控与伺服控制技术、2. 非线性时间序列分析、3. 机器视觉与模式识别、4. 虚拟仪器及测试技术。
张军：1.传感器及执行器理论研究、2.压电石英、压电陶瓷机理研究、3.压电切削测试系统研究、4.精密仪器设计与制造。
张宏：液压系统仿真与优化、流体传动与控制。
桑勇：电液伺服控制；机电传动控制；先进仪器设备研发。
工程机械研究所简介研究所非常重视与生产企业的合作以及研究成果的转化，成功联合开发了数十个具有自主知识产权的产品，仅2006年就完成了9项填补国内空白的项目，其中以履带起重机为代表的系列产品一举打破了国外企业对大吨位产品的垄断，为国家节省了大量外汇，为企业创造了可观的经济效益。
据统计，研究所近年来向企业转移的技术成果达60余项，累计实现销售总额40多亿元，获得各类奖励十余项。
研究所还先后负责或参与了国家863、973、自然基金等专项的科学研究工作，在国内外公开刊物上发表了多篇学术研究论文。
王欣：1.工程机械产品关键理论与技术研究、2.结构优化与动态设计、3.结构损伤、识别与寿命评估、4.虚拟设计与仿真。
曹旭阳：工程机械三维仿真及虚拟样机技术、结构相似性研究、机械机构优化设计，岸边集装箱起重机数字化虚拟样机，结构优化设计。
压电叠堆执行器迟滞非线性建模与分析
第39卷第4期2017年8月压电与声光PIEZOELECTRICS & 八COUSTOOPTICSVol. 39 No.4Aug.2017文章编号：1004-2474(2017)04-0520-05压电叠堆执行器迟滞非线性建模与分析郭亚子，朱玉川(南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016)摘要：压电叠堆执行器输出位移具有迟滞非线性特性，在高精度控制和电静液作动器等应用领域，为实现进一步研究和控制，需要针对该特性进行建模。
该文首先针对压电叠堆执行器的静态特性，采用改进的非对称Bouc- W e n模型建立压电叠堆执行器的准静态模型；其次，为描述其动态位移输出特性，将执行器输出力分为线性模块和滞后模块，根据系统动力学方程建立压电叠堆执行器迟滞非线性动态模型，进行参数辨识、模型仿真与实验研究。
结果表明，在400 H z频率范围内，所建立的模型能够准确描述与预测压电叠堆执行器输出位移的迟滞非线性。
关键词：压电材料；Bouc-W en模型；非对称；迟滞非线性；动态模型中图分类号：T H137 文献标识码：八Modeling and Analysis on Hysteresis Nonlinear Characteristicsof the Piezoelectric Stack ActuatorsGUO Yazi,ZHU Yuchuan(College of Mechanical and Electrical Engineering»Nanjing University of Aeronautics and Astronautics»Nanjing 210016 »China) Abstract：T he output displacem ent of the piezoelectric stack actuator(PSA) exhibits hysteresis nonlinear characteristics. To achieve further research and control,a modeling of the reliable hysteresis nonlinearity is essential,especially in the fields of precision control and electro-hydraulic actuator and etc. Firstly, a quasi-static model is established by using the modified asym m etric Bouc-W en model according to the static characteristic of PSA in this paper. T hen, the output force is divided into the linear portion and the lag portion to descript the dynamic displacem ent output features,and a hysteresis nonlinear dynamic model of the PSA is established according to the system kinetic equation. F inally,the param eter identification,m odel sim ulation and experim ental study have been carried out. T he results show that the model can accurately descript and predict the dynamic characteristics of the PSA at the frequency range of 400 Hz.Key words：piezoelectric m aterial;Bouc-W en m odel; asym m etric;hysteresis nonlinearity；dynamic modelo引百压电叠堆执行器以压电叠堆为驱动元件，具有 结构简单，响应快，输出力大等特点，在航空航天、精 密运动控制等领域获得了长足的发展。
压电陶瓷执行器的驱动技术研究
压电陶瓷执行器的驱动技术研究一、本文概述Overview of this article随着科技的快速发展，压电陶瓷执行器作为一种重要的驱动元件，在精密控制、振动抑制、传感器等领域的应用日益广泛。
其独特的驱动特性，如快速响应、高精度定位、低能耗等，使得压电陶瓷执行器在现代科技中占据了举足轻重的地位。
然而，如何高效、稳定地驱动压电陶瓷执行器，充分发挥其性能优势，一直是研究人员关注的焦点。
With the rapid development of technology, piezoelectric ceramic actuators, as an important driving component, are increasingly widely used in precision control, vibration suppression, sensors and other fields. Its unique driving characteristics, such as fast response, high-precision positioning, low energy consumption, etc., make piezoelectric ceramic actuators occupy a pivotal position in modern technology. However, how to efficiently and stably drive piezoelectric ceramic actuators and fully leverage their performance advantages has always been a focus of attention forresearchers.本文旨在探讨压电陶瓷执行器的驱动技术，深入分析其驱动原理、驱动电路设计、驱动信号优化以及在实际应用中的性能表现。
基于ANSYS的压电堆执行器仿真分析
基于ANSYS的压电堆执行器仿真分析ANSYS是一种广泛应用于工程领域的仿真分析软件，其中包括压电堆执行器仿真分析。
这篇文章将介绍如何使用ANSYS对压电堆执行器进行仿真分析。
压电堆执行器是一种能够将电能转换为机械能的设备，它利用压电效应来实现这一转换。
压电材料在某些条件下可以产生电场，这个电场的方向与施加在压电材料上的压力方向相反。
利用这个效应，可以将电能转换成机械能。
首先，在ANSYS中创建一个仿真模型。
在这个模型中，需要建立一个三维模型来表示压电堆执行器的结构。
使用ANSYS中的建模工具可以轻松地建立模型。
同时，还需要为模型指定材料属性和物理特性，这些属性直接影响到仿真结果的准确性。
接下来，将应用一些压力或电场力对压电堆执行器的模型进行初始加载。
这些加载可以用来模仿实际工作条件下的压力或电场。
在压电堆执行器的实际工作中，通常需要对其进行精确的控制，这就需要对其响应进行仿真分析。
基于加载的压力或电场，ANSYS将生成结构的初始形状。
然后，可以对这个初始形状施加额外的加载，比如在压电堆执行器上施加更强的电场或扭矩。
这样，将会生成一个新的形状，并在ANSYS中报告出相应结果。
当进行仿真分析时，ANSYS可以生成各种类型的图形和图像，以帮助工程师更好地理解和解释结果。
这些结果可以帮助开发人员优化设计并确认执行器的性能。
在结果处理的过程中，可以对不同方面的结果进行分析，比如力学应力、变形等。
可以运用ANSYS的高级分析工具，包括热力学和电气气动学来进一步优化设计。
综上所述，ANSYS是一种强大的分析工具，可以用于压电堆执行器仿真分析。
通过创建一个三维模型，施加加载并对结果进行分析，可以帮助工程师更好地理解执行器的性能，从而优化设计。
除了在ANSYS中进行初始建模和仿真分析外，还可以使用该软件进行优化设计。
在压电堆执行器优化设计过程中，工程师可以使用ANSYS中的优化器来寻找最佳参数组合。
通过改变不同参数，比如材料类型、厚度等，可以调整执行器的性能。
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占空 比／
回 油 温 度／ ℃
４ ～ ７ ０ ０
１ 压 电堆 执 行 器 建 模 基 础
２ ５ ２ ． ～ ５
１ １ 工 作 原 理 ．
压 电 喷油 器 的关 键 部 件之 一 是 压 电堆 执行 器 ，
收 稿 日期 ： Ｏ １Ｏ — １ ２ ｌ 一 １２ ；修 回 日期 ：２ １ ５０ ０ １０ ３
１２ 工 作 条 件 ．
电堆执行 器生热和散 热特性 的研究 亦很少 。
本研 究 针对压 电 喷油器 中 的压 电堆 执行 器在 工
作 过 程 中 生 热 和 散 热 特 性 进 行 仿 真 建 模 。基 于 Ｍａｌｂ Ｓｍｕｉｋ建模 环 境 建立 了高 压 共 轨 喷 油 器 ｔ ／ｉ ｌ ａ ｎ 压 电堆执 行器 温度 特 性 的仿 真模 型 ， 用 仿 真 模 型 使 分 析在驱 动场 强 、 驱动 频 率 和 驱 动 脉宽 增 加 的 苛 刻 工作 条件 下不 同影 响 因素对压 电堆 执行 器 的生热 特
性 和散热 特性 的影 响 ， 而对 压 电 堆 执行 器 选 型 和 从
压 电堆执行 器 工作条 件 参数 见 表 １ 。要 求 匹配
的大 功率 柴油 机标定 转速 为 ２５ ０ｒｍｉ ， 虑 压 电 ０ ／ ｎ 考
喷 油器实 现 １ ５ 喷射 ， ～ 次 因此 可 以计 算 出压 电堆执
建模很少 ， 内对应用 于高压共轨压 电喷 油器 中的压 国
式 中 ： Ｌ为总输 出位 移 ； 为压 电片 层数 ； 研究 取 △ 本
ｄ３ ×１ 。 Ｖ； 为驱 动 电压 。 ３—８ ０ ｍ／ Ｕ
每 片压 电片之 间 为 并联 ， 这样 的结 构 有 承 载力 大、 响应快 、 移重 复性好 、 位 体积 效率 高等 特点 ， 满足 直 动式压 电 喷油器 工作要 求 。
ｔ ｌ 等人提 出 了基于 能量 守恒原 理 的压 电材料 生热 ｒ３ ｅ
机理模 型 ， 假设生热率 与频率和单位 体积 内每个 驱动 电压周 期 内 的迟 滞 损 失 成 正 比； Ｇ 与 ．Ａ．Ｌ ｓ ｕｒ ｅｉ ｔ ｅ ｅ 等提 出的模型不 同 ， ｅｉ ｔ ｌ 等提 出 的模 型还包 括 Ｌ ｓ ｕｒ ４ ｅ ｅ 了对压 电堆执行 器 与周 围环 境对 流 和辐射 散 热 的计
基 金 项 目 ：国 防重 点 预 先 研 究 项 目（ ００ ０ ０ ０ ） ４ ４ ２３ ２ ５
作 者 简 介 ： 铁 栓 （ ９ ７ ） 男 ， 验 师 ， 事 高 压 共 轨 燃 油 系 统 研 究 ； ｓ＠ ｂｔｅｕ ｃ 。 李 １５一 ， 实 从 ｌ ｈ ｉ ｄ ．ｎ ｔ ．
２１ 年 ６ ０１ 月
大 流量 共轨 压 电 喷油 器 工 作在 多次 喷 射 、 喷 高 射 压 力 和大 控 制脉 宽 的工 作 条 件 下＿ ， 】 因而驱 动 场 ］ 强、 驱动 频率 和驱 动脉 宽增 大 ， 这些参 数会 明显 影 而 响压 电堆 执 行 器 的 温 度 升 高 量 ｜ 。Ｇ ２ ］ ．Ａ．Ｌ ｓ ｕ ｅｉ — ｅ
李 铁 栓 ，等 ： 电堆 执 行 器 温 度 特 性 研 究 压
２ 压 电堆 执 行 器 温 度 特 性 建 模
２ １ 生 热 特 性 模 型 ．
电常数 ， 由于 当前工作 条件下 的场强与 文献 中的相 比 较小 ， 因此认 为 ｋ 为常数 。压 电堆执行 器 的非线 性 。 。 ］
响 因 素 对 压 电 堆执 行 器 的 生 热特 性 的 影 响 ， 研 究 了压 电堆 执 行 器 结 构 和 喷 油 器 冷 却 结 构 对 散 热 特 性 的 影 响 。 并
关键 词 ： 压 共 轨 ；喷油 器 ；压 电 堆 执 行 器 ； 热 高 散
中 图 分 类 号 ： Ｋ４ １ ５ Ｔ ２ ． 文 献 标 志码 ： Ｂ 文 章 编 号 ： ０ １２ ２ （ ０ １ ０ — ０ ６０ １ ０ — ２ ２ ２ １ ） ３０ ４ — ５
算 ； ｈ ｍｅ ａ ｈＳｎ ｕｙＹ ｕｓｔ＿ Ｍｏ ａ ｄＳ ｌ ｅｏ ｓ ｏ ｓｅ Ｉ ａ ￣ 针对 压 电堆 执 压 电 堆 执 行 器 位 移 图 压电堆驱动器结构示意 公 式 为
△Ｌ — ｎ Ｕ 。 ｄ３ ３ （） １
行器 温度特性进 行 了生 热和 固体 散热 片 对压 电堆 执 行器散热 影响 的建模计算 和试验研 究 ， 并且 对压 电堆 执行器 电畴翻转是 生热的主要原 因进行 了计算 分析 。 考虑压 电喷油器 内的低 压 回油 流体散 热 特性 的详 细
特性包含在系数 Ｄｆ 而且与温度和场强相关 。 中，
第 ３期 （ 第 １ ４ ） 总 ９期 ２ １年 ６月 ０１
车ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
用
发
动
机
Ｎｏ ．３（ ｒａ Ｓｅ ｉｌＮｏ．１ ４） ９
Ｖ ＥＨ Ｉ ＥＮ ＧＩ Ｅ ＣＩＥ Ｎ
Ｊ ｎ ２ １ ｕ．０ １
压 电堆 执 行 器 温 度 特性 研 究
李铁栓 ，张 幽彤 ，熊庆 辉
（ 京 理 工 大学 机 械 与 车 辆 学 院 ，北 京 １０ ８ ） 北 ００ １ 摘 要 ： 压 电 堆 执 行 器 生 热 和 散 热 机 理 分 析 基 础 上 ， 立 高压 共 轨 喷 油 器压 电堆 执 行 器 温 度 特 性 的 计 算 模 型 ， 在 建 经 与 试验 结 果 对 比 ， 证 了模 型 的 准 确 性 。研 究 了驱 动 场 强 、 动 频 率和 驱 动 脉 宽 增 加 的 苛 刻 工作 条 件 下 不 同影 验 驱
行器 的工 作频 率 。
表 １ 压 电堆 执 行 器 工 作 条 件
场 强 幅值 ／ 驱 动 电压 ｋ ・ｍｍ一１ 幅 值 ／ Ｖ Ｖ
１ １５ ～ ． １ Ｏ ２ ０ ５ ～ ０
工作 参数 以及 散热 系统设 计参 数 的确定 提供 依据 。
工作 频 蛊 Ｈｚ ，／