基于虛擬儀器的滑動(dòng)型壓電慣性電動(dòng)機(jī)測控系統(tǒng)

盧曉暉，陳 棟，何 璞，王 良，程廷海，趙希祿

(1.長春工業(yè)大學(xué),長春 130012;2.吉林大學(xué),長春 130025；3.埼田工業(yè)大學(xué),日本埼玉 369-0293)

基于虛擬儀器的滑動(dòng)型壓電慣性電動(dòng)機(jī)測控系統(tǒng)

盧曉暉1,2，陳 棟1，何 璞1，王 良1，程廷海1,2，趙希祿3

(1.長春工業(yè)大學(xué),長春 130012;2.吉林大學(xué),長春 130025；3.埼田工業(yè)大學(xué),日本埼玉 369-0293)

壓電慣性電動(dòng)機(jī)在不對稱三角波形的驅(qū)動(dòng)下，會(huì)產(chǎn)生微米量級甚至納米量級的步距，進(jìn)而輸出速度和位移。為了更好地研究電動(dòng)機(jī)的輸出性能，以滑動(dòng)型壓電慣性電動(dòng)機(jī)為研究對象，利用激光位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和功率放大器等設(shè)備，基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)并搭建了一個(gè)測控系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)包括4個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、激勵(lì)波形產(chǎn)生模塊和激勵(lì)波形傳輸模塊，各模塊以數(shù)據(jù)流的方式進(jìn)行信息傳遞，研究了在不同輸入條件下的電動(dòng)機(jī)的輸出參數(shù)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)輸入電壓為12 V(峰峰值)且輸入頻率為800 Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)的移動(dòng)速度0.2 mm/s，測控系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測量精度高。

滑動(dòng)型壓電慣性電動(dòng)機(jī)；輸出參數(shù)；測控系統(tǒng)；虛擬儀器技術(shù)；模塊設(shè)計(jì)

0 引 言

近年來壓電慣性電動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的焦點(diǎn)之一[1]，壓電慣性電動(dòng)機(jī)從結(jié)構(gòu)上可分為沖擊型慣性驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)(以下簡稱IDM)[2]和滑動(dòng)型慣性驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)(以下簡稱SIDM)[3]，滑動(dòng)型壓電慣性驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)(下文簡稱電動(dòng)機(jī))憑借結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、定位精度高、控制方便和抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在光學(xué)儀器、精密位移平臺、醫(yī)療器械和航空航天等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景[4-5]。電動(dòng)機(jī)在受到不對稱波形激勵(lì)后，會(huì)輸出一定的速度與位移，而速度與位移是評價(jià)電動(dòng)機(jī)輸出性能的兩個(gè)重要參數(shù)。在改變驅(qū)動(dòng)波形的幅值、頻率和不對稱度后，電動(dòng)機(jī)具有不同的輸出效果。為準(zhǔn)確獲得電動(dòng)機(jī)在不同輸入條件下的輸出量，一般采用測控系統(tǒng)的方式測量電動(dòng)機(jī)輸出量[6-7]。

滑動(dòng)型壓電慣性電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)主要利用自身慣性力和摩擦力實(shí)現(xiàn)速度和位移的運(yùn)動(dòng)輸出[8]。在實(shí)際測試中，不同運(yùn)動(dòng)區(qū)間的摩擦情況不同，致使滑塊每次產(chǎn)生的步距不相等，滑塊運(yùn)行速度不相同，為了準(zhǔn)確測量滑塊的輸出速度，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)在設(shè)定區(qū)間內(nèi)測量電動(dòng)機(jī)輸出參數(shù)的測控系統(tǒng)。在該測控系統(tǒng)下，電動(dòng)機(jī)在設(shè)定區(qū)間運(yùn)行，并在指定位置停止。利用激光位移傳感器，結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡和功率放大器等硬件設(shè)備，以虛擬儀器為平臺搭建一個(gè)測控系統(tǒng)[9]。用該系統(tǒng)測量電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的輸出位移，同時(shí)通過微分得到電動(dòng)機(jī)的輸出速度。利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對電動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行評定，當(dāng)輸出性能不滿足使用要求時(shí)，可通過調(diào)整輸入信號的參數(shù)或改變樣機(jī)結(jié)構(gòu)等方法，提高電動(dòng)機(jī)輸出性能。

1 滑動(dòng)型壓電慣性電動(dòng)機(jī)機(jī)理分析

滑動(dòng)型壓電慣性電動(dòng)機(jī)主要采用非對稱電信號驅(qū)動(dòng)，利用摩擦力和慣性力的綜合作用，通過控制摩擦桿與滑塊在“粘”和“滑”之間相互轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力輸出，驅(qū)動(dòng)原理與工作過程如圖1所示。圖1的左邊為壓電堆疊的伸長量隨時(shí)間的變化關(guān)系，右邊為壓電慣性電動(dòng)機(jī)對應(yīng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在初始位置狀態(tài)下，壓電堆疊慢速伸長，推動(dòng)摩擦桿前進(jìn)，在靜摩擦力作用下，帶動(dòng)滑塊也跟著向右移動(dòng)，這就是“粘”的過程，此時(shí)摩擦力提供驅(qū)動(dòng)力。在B時(shí)刻后，壓電堆疊快速縮短至C時(shí)刻，摩擦桿跟著壓電堆疊迅速向左運(yùn)動(dòng)，但滑塊由于慣性作用將滯后于摩擦桿，這樣摩擦桿與滑塊存在滑動(dòng)摩擦，即處于“滑”的狀態(tài)，此時(shí)摩擦力起到阻力作用。最終的結(jié)果是滑塊向右移動(dòng)一個(gè)微小距離Δx。該過程重復(fù)進(jìn)行，就能實(shí)現(xiàn)滑塊的向右方向的連續(xù)驅(qū)動(dòng)。但是在B至C的快速變形驅(qū)動(dòng)階段，如果摩擦塊與滑塊間摩擦系數(shù)較大，使得慣性力不足以完全克服摩擦阻力，將會(huì)導(dǎo)致滑塊在“滑”動(dòng)結(jié)束后產(chǎn)生向左運(yùn)動(dòng)，即出現(xiàn)回退運(yùn)動(dòng)。改變電信號的幅值、頻率和不對稱度等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)速度的調(diào)控。

圖1 滑動(dòng)型壓電慣性電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原理

2 測控系統(tǒng)流程圖

由于壓電堆疊自身存在遲滯性和蠕變性，同時(shí)微滑動(dòng)下的摩擦模型也很復(fù)雜，這樣導(dǎo)致理論分析和求解非常困難。因此，需要采用實(shí)驗(yàn)的方式對滑動(dòng)型壓電慣性電動(dòng)機(jī)輸出速度和位移進(jìn)行研究。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還可為理論分析與數(shù)學(xué)建模等工作提供參考。在實(shí)際測量過程中，電動(dòng)機(jī)在不同運(yùn)動(dòng)區(qū)間的運(yùn)動(dòng)效果不同，因此需要測控系統(tǒng)能夠控制其在設(shè)定區(qū)間運(yùn)行，并在指定位置控制電動(dòng)機(jī)停止。根據(jù)上述的需求，設(shè)計(jì)如圖2所示的流程圖。

圖2 測控系統(tǒng)流程圖

從測控系統(tǒng)工作流程圖中得出，激光位移傳感器和數(shù)據(jù)采集卡為基礎(chǔ)硬件設(shè)備，同時(shí)需要上位機(jī)對數(shù)據(jù)分析、判斷和管理，再做出對電動(dòng)機(jī)的控制動(dòng)作等。

3 測控系統(tǒng)硬件選擇

測控系統(tǒng)主要測試滑動(dòng)型壓電慣性電動(dòng)機(jī)的輸出速度和位移等參數(shù)。本文所用的壓電堆疊在150 V高電平作用下產(chǎn)生9 μm的伸長量，電動(dòng)機(jī)每周期產(chǎn)生的步距都在微米量級，因此需要更高精度的傳感器進(jìn)行測量。本測控系統(tǒng)選用了基恩士公司的型號為LK-H020的傳感頭，控制器型號為LK-G5001。該傳感器的有效量程為6 mm，分辨率高達(dá)20 nm，最高采樣頻率為392 kHz。

同時(shí)，測控系統(tǒng)需要一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡，設(shè)備選用NI公司NI USB-6353型數(shù)據(jù)采集卡，采用USB端口，配置以外接電源，具有32個(gè)模擬輸入口和4個(gè)模擬輸出口，同時(shí)具有48個(gè)數(shù)字量輸入和輸出端子，每秒鐘最高獲取1.25 M個(gè)采樣點(diǎn)。

本測控系統(tǒng)在采集位移數(shù)據(jù)的同時(shí)還需要產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的激勵(lì)信號，利用數(shù)據(jù)采集卡模擬輸出端子完成驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)信號的輸出。但該信號幅值僅為±10 V，需要功率放大器對信號幅值進(jìn)行放大?？紤]到驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的信號頻率一般不會(huì)大于超聲頻率，因此選用芯明天公司的功率放大器(XE500-C)，此功率放大器可將信號幅值最高放大至150 V。

4 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本測控系統(tǒng)在硬件的基礎(chǔ)上，同時(shí)需要上位機(jī)軟件對硬件設(shè)備進(jìn)行管理。上位機(jī)與下位機(jī)實(shí)時(shí)通訊，上位機(jī)完成人機(jī)交互、邏輯判斷并產(chǎn)生信號等工作；下位機(jī)一部分用于采集電動(dòng)機(jī)位移信號，另一部分進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)在產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)位移后，利用激光位移傳感器采集位移數(shù)據(jù)，再通過數(shù)據(jù)采集卡傳遞給上位機(jī)，并由上位機(jī)判斷并發(fā)出控制電動(dòng)機(jī)的指令。同時(shí)，需要上位機(jī)實(shí)時(shí)讀取、顯示和保存數(shù)據(jù)。因此，選用LabVIEW軟件作為上位機(jī)程序。

LabVIEW軟件由NI公司開發(fā)，其理念為“軟件即儀器”。該軟件能與數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)通訊，能夠產(chǎn)生不對稱三角波形驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。鑒于LabVIEW的多種功能，因此可以作為測控系統(tǒng)的上位機(jī)軟件并對硬件設(shè)備進(jìn)行管理[10]。

軟件系統(tǒng)包含4個(gè)模塊部分，分別是數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、激勵(lì)信號產(chǎn)生模塊和激勵(lì)信號傳輸模塊。

4.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊將激光位移傳感器的模擬信號經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，從DAQ 輸入VI部分進(jìn)入測控系統(tǒng)主程序。激光位移傳感器的位移信號存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)緩存區(qū)，再由上位機(jī)的DAQ輸入VI讀取并傳遞到數(shù)據(jù)處理模塊中。

4.2 數(shù)據(jù)處理模塊

利用數(shù)據(jù)處理模塊對采集數(shù)據(jù)濾波，通過微分運(yùn)算得出滑塊的速度。同時(shí)，上位機(jī)對位移數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和邏輯判斷后，并進(jìn)一步控制電動(dòng)機(jī)。為了更加方便地觀察運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，需數(shù)據(jù)處理模塊將數(shù)據(jù)以圖表的形式實(shí)時(shí)顯示在前置面板。數(shù)據(jù)處理模塊利用移位寄存器和創(chuàng)建數(shù)組VI將時(shí)間和位移信號的單一標(biāo)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一維數(shù)組，然后將2個(gè)數(shù)組傳遞給XY圖象簇，可實(shí)時(shí)觀察滑塊的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過微分運(yùn)算求滑塊速度。在得到XY圖象的基礎(chǔ)上將數(shù)據(jù)保存至Excel中。

4.3 激勵(lì)信號產(chǎn)生模塊

激勵(lì)信號產(chǎn)生模塊用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的激勵(lì)信號。LabVIEW軟件內(nèi)置多種信號發(fā)生器，其中包括三角信號VI。三角信號VI包含5個(gè)重要的輸入?yún)?shù)和一個(gè)三角信號輸出，輸入?yún)?shù)包括采樣點(diǎn)間隔時(shí)間t、三角信號寬度T、樣本數(shù)N、電壓幅值V和不對稱度S。由參數(shù)t，T和N確定三角信號的頻率，頻率值為T的倒數(shù)。不對稱度S(上升沿時(shí)間與信號周期的比值)用于調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)滑塊的速度大小和驅(qū)動(dòng)方向：當(dāng)S大于50%時(shí)，滑塊正向運(yùn)動(dòng)，并隨著S值增加，滑塊速度增大；當(dāng)S小于50%時(shí)，滑塊速度反向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)S值越接近于0時(shí)，反向速度越大。綜合考慮電動(dòng)機(jī)情況，本測控系統(tǒng)中S選用參數(shù)為90%(正向運(yùn)動(dòng))和10%(反向運(yùn)動(dòng))。

4.4 激勵(lì)信號傳輸模塊

激勵(lì)信號傳輸模塊將驅(qū)動(dòng)信號傳遞給電動(dòng)機(jī)。數(shù)據(jù)采集卡不僅可以采集信號，同時(shí)可以輸出模擬信號。利用程序中DAQ助手控制信號輸出，經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡將信號進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換后輸出驅(qū)動(dòng)波形，但由于采集卡輸出電壓范圍有限，因此需要功率放大器對驅(qū)動(dòng)信號幅值放大，電動(dòng)機(jī)在受到激勵(lì)波形驅(qū)動(dòng)后穩(wěn)定運(yùn)行。

5 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

為驗(yàn)證該測控系統(tǒng)的測試性能，制作一個(gè)滑動(dòng)型壓電慣性電動(dòng)機(jī)樣機(jī)，如圖3所示。樣機(jī)由壓電堆疊、摩擦桿和滑塊組成，其中壓電堆疊為NEC/TOKIN公司的型號為AE0203D08DF的堆疊，其尺寸為2 mm×3 mm×10 mm，承受電壓范圍為-30～+150 V，最大輸出力200 N；摩擦桿尺寸為Φ2.5 mm×10 mm，材料為碳纖維棒；滑塊由鋁塊和彈簧等組成，整體尺寸為5 mm×15 mm×18 mm。

同時(shí)，搭建如圖4所示的測控系統(tǒng)，該測控系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)、激光位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、PC機(jī)(LabVIEW)和功率放大器。

圖3 電動(dòng)機(jī)實(shí)物照片

圖4 測控系統(tǒng)實(shí)物照片

利用該系統(tǒng)測試電動(dòng)機(jī)速度與位移，設(shè)定驅(qū)動(dòng)波形為三角波形，驅(qū)動(dòng)電壓峰峰值U分別為8 V，10 V，12 V，驅(qū)動(dòng)頻率f為800 Hz，不對稱度S為90%(正向運(yùn)動(dòng))和10%(反向運(yùn)動(dòng))。設(shè)置電動(dòng)機(jī)位移量為L，滑塊正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)置起始位置A1為-1 mm，設(shè)定目標(biāo)位置B為0；反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)置A2為1 mm，目標(biāo)位置B為0。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得到如圖5所示的位移L-時(shí)間T與速度V-電壓U曲線。電動(dòng)機(jī)在8 V，10 V，12 V驅(qū)動(dòng)下做正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑塊分別在0.4 μm，0.5 μm，0.8 μm處停止；反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)分別在-0.7 μm，-0.9 μm，-0.7 μm處停止。從圖5中可以看出，當(dāng)電壓幅值U越大，滑塊速度V越大，但是滑塊反向運(yùn)動(dòng)時(shí)速度偏低，這是由于電動(dòng)機(jī)本身具有一定的非線性，而且實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦情況也不相同，從而導(dǎo)致正反向速度有偏差。

(a)正向位移L-時(shí)間T曲線(b)正向速度V-電壓U曲線(c)反向位移L-時(shí)間T曲線(d)反向速度V-電壓U曲線

圖5 電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

設(shè)定驅(qū)動(dòng)信號峰峰值U為8 V，改變驅(qū)動(dòng)信號頻率f后，得到如圖6所示的速度V-頻率f曲線。從圖6中可以看出，在頻率為800 Hz時(shí)，正反向速度與前測得的速度具有一致性，表明測控系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性。

(a)正向速度V-頻率f曲線(b)反向速度V-頻率f曲線

圖6 電動(dòng)機(jī)速度與頻率特性曲線

6 結(jié) 語

針對滑動(dòng)型壓電慣性電動(dòng)機(jī)樣機(jī)搭建一個(gè)測控系統(tǒng)，利用上位機(jī)軟件LabVIEW對激光位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和功率放大器等設(shè)備進(jìn)行管理，各模塊以數(shù)據(jù)流的方式進(jìn)行信息傳遞，最終實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)速度和位移的測定，經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，該測控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，定位精度高。利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可對電動(dòng)機(jī)輸出性能進(jìn)行評價(jià)，若電動(dòng)機(jī)不能達(dá)到要求，可通過調(diào)節(jié)輸入?yún)?shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方式改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)對理論分析也有一定的指導(dǎo)意義；同時(shí)，該系統(tǒng)還可以擴(kuò)展為控制系統(tǒng)，利用多種控制算法實(shí)現(xiàn)對滑動(dòng)型壓電慣性電動(dòng)機(jī)的更加精密的定位控制。

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A Measuring System for Smooth Impact Drive Mechanism Using a Piezoelectric Actuator Based on Virtual Instrument

LUXiao-hui1,2,CHENDong1,HEPu1,WANGLiang1,CHENGTing-hai1,2，ZHAOXi-lu3

(1.ChangChun University of Technology,Changchun 130012,China;2.Jilin University,Changchun 130025,China;3.Saitama Institute of Technology,Saitama 369-0293,Japan)

Piezoelectric inertial driving mechanism is driven under an asymmetrical triangle waveform, producing a millimeter scale stroke even nanometer scale stroke, and the velocity and displacement are generated. The velocity and displacement are known as two important parameters to research the motor's performance. In order to research the mechanism performance better, smooth impact drive mechanism using a multi-layered piezoelectric actuator was researched and a test system was designed and set up by equipments of laser displacement sensor, data acquisition board and power amplifier, based on virtual instrument technology. The software system included four modules, namely data acquisition module, data processing module, generated waveform production module and excited waveform transmission module. The information of every module is conveyed by data flow. The output parameters of mechanism were researched under different driving input. The experiment shows that the mechanism has a moving velocity of 0.2 mm/s by triangle signal at amplitude of 12 V(peak-to-peak value) and frequency of 800 Hz. The test system works steadily and has a high accurate measurement.

smooth impact drive mechanism; output parameter; test system; virtual instrument technology; modular design

2016-09-07

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目 (20150312006ZG)；中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目 (2015M571356)；吉林省教育部“春暉計(jì)劃”合作科研項(xiàng)目 (Z2015022,Z2015023)

TM359.9

A

1004-7018(2017)03-0034-04

盧曉暉(1982-)，女，工學(xué)博士，研究方向?yàn)閴弘婒?qū)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)及模型預(yù)測控制方法。