實驗名稱(cheng)：基(ji)于壓電陶瓷(ci)驅動器的空間抑振實驗

　　實(shi)驗原理：以抑(yi)振系統樣機z旋(xuan)轉自由(you)度(du)為例，如圖a所示，當(dang)上(shang)活動(dong)(dong)板(ban)受到(dao)繞z軸(zhou)力矩M33z作用時(shi)(shi)，將(jiang)(jiang)(jiang)產生傾(qing)角(jiao)(jiao)θ33z，該(gai)傾(qing)角(jiao)(jiao)的(de)大(da)小和(he)方向取決于(yu)M33z的(de)大(da)小和(he)方向。當(dang)M33z為正時(shi)(shi)，θ33z為正，由(you)于(yu)壓電(dian)(dian)(dian)陶(tao)瓷只能輸出推力，所以此時(shi)(shi)應當(dang)對(dui)(dui)1號(hao)壓電(dian)(dian)(dian)陶(tao)瓷驅(qu)動(dong)(dong)器(qi)(PZT1)施加電(dian)(dian)(dian)壓將(jiang)(jiang)(jiang)該(gai)傾(qing)角(jiao)(jiao)進(jin)行補(bu)償使上(shang)活動(dong)(dong)板(ban)回到(dao)水(shui)平位置(zhi)；反(fan)之，當(dang)M33z為負時(shi)(shi)，θ33z也為負，此時(shi)(shi)應當(dang)對(dui)(dui)1號(hao)壓電(dian)(dian)(dian)陶(tao)瓷驅(qu)動(dong)(dong)器(qi)(PZT3)施加電(dian)(dian)(dian)壓將(jiang)(jiang)(jiang)該(gai)傾(qing)角(jiao)(jiao)進(jin)行補(bu)償使上(shang)活動(dong)(dong)板(ban)回到(dao)水(shui)平位置(zhi)因此，雖然只是(shi)對(dui)(dui)單自由(you)度(du)進(jin)行控制(zhi)，但(dan)卻是(shi)一個二(er)輸入二(er)輸出系統，其輸入為M33z，θ33(實(shi)際(ji)實(shi)驗中測得(de)的(de)是(shi)線位移)，輸出是(shi)PZT1和(he)PZT3的(de)電(dian)(dian)(dian)壓，這兩(liang)個壓電(dian)(dian)(dian)陶(tao)瓷驅(qu)動(dong)(dong)器(qi)在同(tong)一時(shi)(shi)間只有一個能通電(dian)(dian)(dian)輸出。

　　圖(tu)a：系統抑振原理(li)圖(tu)（z旋(xuan)轉自(zi)由度為例）

　　抑振(zhen)系(xi)統(tong)實(shi)驗原理(li)框圖如圖b所示，上(shang)位機(ji)使用LabVIEW進行數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)程序(xu)開發和(he)(he)模(mo)糊自整定(ding)PI控制算法(fa)編寫，下(xia)位機(ji)使用NICRIO9038(內置模(mo)擬電壓(ya)輸入模(mo)塊為NI9205和(he)(he)NI9215)進行四(si)路(lu)位移(yi)(yi)傳(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)和(he)(he)六維(wei)力(li)傳(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)數(shu)據(ju)讀取和(he)(he)采(cai)集(ji)，上(shang)位機(ji)和(he)(he)下(xia)位機(ji)之間通過Ethernet進行通訊。直流伺服電機(ji)產生外力(li)矩作(zuo)(zuo)用在抑振(zhen)系(xi)統(tong)樣機(ji)上(shang)使之產生一定(ding)幅值(zhi)(zhi)(zhi)的偏轉，六維(wei)力(li)傳(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)實(shi)時采(cai)集(ji)該(gai)外力(li)矩的大(da)小和(he)(he)方向，四(si)路(lu)位移(yi)(yi)傳(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)實(shi)時檢測該(gai)偏轉角度對應的位移(yi)(yi)，并通過NIcRIO9038實(shi)時進行采(cai)集(ji)，經過適(shi)當前處理(li)和(he)(he)相應控制算法(fa)運算得到對應位置壓(ya)電陶器(qi)(qi)驅動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)應當輸出的電壓(ya)值(zhi)(zhi)(zhi)，通過Ethermet傳(chuan)(chuan)輸給上(shang)位機(ji)程序(xu)，上(shang)位機(ji)程序(xu)將該(gai)電壓(ya)值(zhi)(zhi)(zhi)通過USB通訊方式傳(chuan)(chuan)輸給ATA-2161電壓(ya)放大(da)器(qi)(qi)，最(zui)終作(zuo)(zuo)用在抑振(zhen)系(xi)統(tong)樣機(ji)壓(ya)電陶瓷驅動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)上(shang)，將該(gai)偏轉值(zhi)(zhi)(zhi)進行糾正，從而實(shi)現振(zhen)動(dong)(dong)(dong)主動(dong)(dong)(dong)抑制的目(mu)的。

　　圖b：抑振(zhen)系(xi)統實驗(yan)原(yuan)理框圖

　　測試設備：上位(wei)機、ATA-2161電壓放大器(qi)、NIcRIO9038、位(wei)移傳(chuan)感器(qi)、力傳(chuan)感器(qi)、作動系統樣機

　　實驗過程：

　　(1)10Nm動態外力矩抑振實驗(yan)

　　通過動態力(li)(li)矩加(jia)載裝置(zhi)對機構分(fen)別施加(jia)幅值約為(wei)(wei)10Nm(峰(feng)峰(feng)值約20Nm)，頻率分(fen)別為(wei)(wei)0.5Hz,1Hz,2Hz的(de)(de)動態力(li)(li)矩,得到的(de)(de)系統抑(yi)振(zhen)(zhen)性(xing)能(neng)結果如圖c所示(shi)。需要注意的(de)(de)是(shi)(shi)，由于(yu)所使用的(de)(de)直流(liu)伺服(fu)電機性(xing)能(neng)受限，產生的(de)(de)動態力(li)(li)矩并不是(shi)(shi)理(li)想的(de)(de)隨時間按照正弦變化力(li)(li)矩，存在(zai)一定程(cheng)度的(de)(de)失真和偏置(zhi)，但是(shi)(shi)由于(yu)本(ben)實驗為(wei)(wei)抑(yi)振(zhen)(zhen)實驗，因(yin)此基本(ben)不存在(zai)影響。

　　圖(tu)c：10Nm動態外力矩抑振實驗

　　(a)0.5Hz外力矩(b)1Hz外力矩(c)2Hz外力矩

　　(2)20Nm動態(tai)外力矩抑振(zhen)實驗

　　同樣地，通過動(dong)態力矩加載(zai)裝置對(dui)機構分別(bie)施加幅值約為20Nm(峰峰值約20Nm)，頻(pin)率(lv)分別(bie)為0.5Hz，1HZ，2Hz的(de)(de)動(dong)態力矩，得到的(de)(de)系統抑振性能(neng)實(shi)驗測試結果如圖(tu)d所示。

　　圖d：20Nm動態(tai)外(wai)力矩抑振實(shi)驗

　　(a)0.5Hz外力矩(ju)(b)1Hz外力矩(ju)(c)2Hz外力矩(ju)

　　實驗(yan)結果(guo)：綜合分析，可(ke)以得知本(ben)課題所設計的(de)(de)(de)抑(yi)(yi)振(zhen)(zhen)系統所能(neng)抑(yi)(yi)制(zhi)的(de)(de)(de)最(zui)大(da)頻率(lv)(lv)外(wai)力(li)(li)矩(ju)(ju)不超過2Hz。如果(guo)要(yao)獲得較(jiao)好的(de)(de)(de)抑(yi)(yi)振(zhen)(zhen)效(xiao)果(guo)，較(jiao)為(wei)理想的(de)(de)(de)工況(kuang)應該是外(wai)力(li)(li)矩(ju)(ju)幅值(zhi)小(xiao)于(yu)20Nm時，頻率(lv)(lv)小(xiao)于(yu)1Hz，此時可(ke)以獲得高于(yu)64%的(de)(de)(de)振(zhen)(zhen)動抑(yi)(yi)制(zhi)率(lv)(lv)。同(tong)時，在小(xiao)于(yu)2Hz的(de)(de)(de)相(xiang)同(tong)頻率(lv)(lv)下,外(wai)力(li)(li)矩(ju)(ju)幅值(zhi)為(wei)10Nm時的(de)(de)(de)抑(yi)(yi)振(zhen)(zhen)效(xiao)果(guo)好于(yu)外(wai)力(li)(li)矩(ju)(ju)幅值(zhi)為(wei)20Nm時的(de)(de)(de)，這表明(ming)當外(wai)力(li)(li)矩(ju)(ju)幅值(zhi)較(jiao)小(xiao)時，抑(yi)(yi)振(zhen)(zhen)效(xiao)果(guo)也相(xiang)對更(geng)好。

　　實驗(yan)結果(guo)同(tong)時(shi)(shi)表明，在(zai)外(wai)力矩在(zai)正(zheng)負值之間(jian)切(qie)換時(shi)(shi)，抑振效(xiao)果(guo)較(jiao)(jiao)差，猜測這(zhe)和所(suo)使用(yong)的(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)策略有(you)關。由于(yu)控(kong)制(zhi)單自由度(du)的(de)(de)(de)兩(liang)根(gen)壓電(dian)陶瓷驅動器的(de)(de)(de)作動是(shi)依靠外(wai)力矩的(de)(de)(de)方向(xiang)來控(kong)制(zhi)的(de)(de)(de)，在(zai)這(zhe)個(ge)階段力矩的(de)(de)(de)變化速度(du)較(jiao)(jiao)快(kuai)，并且由于(yu)所(suo)使用(yong)的(de)(de)(de)傳感器精度(du)受(shou)限(xian)。因此當外(wai)力矩方向(xiang)發生(sheng)改變時(shi)(shi)，系統需(xu)要一(yi)定時(shi)(shi)間(jian)進行切(qie)換，不能很快(kuai)達(da)到(dao)最(zui)佳效(xiao)果(guo)，這(zhe)在(zai)外(wai)力矩頻(pin)率提高后凸(tu)顯的(de)(de)(de)尤(you)為明顯。

　　圖：ATA-2161高壓放大器指標參數