[发明专利]基于耦合机电分析的压电陶瓷促动器电噪声指标确定方法

说明书

本发明提供一种基于耦合机电分析的压电陶瓷促动器电噪声指标确定的方法，步骤为：S1)对压电陶瓷促动器进行简化，获得压电陶瓷促动器的机械结构类型，并计算该类型机械结构的机械阻抗；S2)建立机械结构的运动学模型及动力学模型，并得到机械结构的开环传递函数；S3)利用S1)得到的机械阻抗，建立压电陶瓷与机械结构的耦合机电模型，并获得压电陶瓷促动器的耦合机电导纳；S4)利用S2)所得开环传递函数以及S3)所得耦合机电导纳，计算电噪声在压电陶瓷促动器中的能量流动，确定压电陶瓷促动器输入信号电噪声指标。从根本上揭示了电噪声如何在压电陶瓷促动器中响应，体现电噪声对系统精度的影响，对压电陶瓷驱动器的设计提供了理论依据。

技术领域

本发明属于机电一体化技术领域，具体涉及一种基于耦合机电分析的压电陶瓷促动器电噪声指标确定方法。

背景技术

压电陶瓷由于其一些优良的特性目前被广泛应用在各个领域，尤其在微纳米系统中，压电陶瓷促动器利用压电陶瓷的逆压电效应来产生力和位移。当给压电陶瓷输入电压时，就会产生响应的驱动力，这种驱动力施加在机械结构上使其产生变形，从而形成位移。压电陶瓷促动器由于其高定位精度、大驱动力、快响应速度、高刚度并且无反冲和摩擦等优点而被广泛地应用在各种微纳米定位技术和驱动系统中。

使用时，压电陶瓷促动器必须采用大功率的高压直流驱动电源才能驱动，由于压电陶瓷促动器的应用场合，因此，其位移精度、响应速度和频响特性均直接受驱动电源的影响；需要压电陶瓷驱动器输出电压信号具有连续可调的高压直流电压、具有足够的瞬态驱动电流以及足够的信噪比以保证压电陶瓷促动器的输出位移精度能够满足其应用场合。因此，在驱动器系统设计环节的早期阶段就必须考虑电噪声对压电陶瓷促动器系统的响应，因为一旦完成电路器件选型，结构设计等工作，几乎没有什么办法可以再减小固有电噪声对系统的影响。

目前，主流的压电陶瓷驱动电源设计都没有考虑到哪些电噪声指标对压电陶瓷促动器系统存在响应以及如何确定压电陶瓷促动器电噪声指标的问题，即使有，也是采用传统意义上的电压幅值进行电噪声指标确定的方法，这种方法精度较低，参考意义较小，而这也将为驱动系统设计工作带来很大的人力物力负担。因此，根据压电陶瓷促动器应用场合的要求，提前确定并给出压电陶瓷促动器电噪声指标，然后依据这一指标为压电陶瓷驱动电源设计提供必要的理论依据，能够减少费时费力的重新设计工作。

发明内容

本发明的目的在于解决现有压电陶瓷驱动电源设计工作中没有考虑到哪些电噪声指标对压电陶瓷促动器系统存在响应以及如何确定压电陶瓷促动器电噪声指标的不足之处，提供了一种基于耦合机电分析的压电陶瓷促动器电噪声指标确定方法，得到系统信噪比指标，为压电陶瓷驱动电源设计提供必要的理论依据。

为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

基于耦合机电分析的压电陶瓷促动器电噪声指标确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1)对压电陶瓷促动器进行简化，获得所述压电陶瓷促动器的机械结构类型，并计算该类型机械结构的机械阻抗；

S2)建立所述机械结构的运动学模型及动力学模型，并得到所述机械结构的开环传递函数；

S3)利用S1)得到的机械阻抗，建立压电陶瓷与所述机械结构的耦合机电模型，并获得压电陶瓷促动器的耦合机电导纳；

S4)利用利用S2)所得开环传递函数以及S3)所得耦合机电导纳，计算电噪声在压电陶瓷促动器中的能量流动，确定压电陶瓷促动器输入信号电噪声指标；具体步骤如下：

S4.1)通过系统辨识试验，并结合S2)所得的开环传递函数，计算得到所述机械结构的基本参数m、c、k_s；

S4.2)电压和电流通过S3)所得压电陶瓷促动器的耦合机电导纳，得到视在功率、耗散功率、无功功率三种类型的电功率；