научная статья по теме ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТОУПРУГОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ НАНО- И МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЯМИ V. МНОГОМЕРНАЯ СХЕМА Кибернетика

Текст научной статьи на тему «ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТОУПРУГОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ НАНО- И МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЯМИ V. МНОГОМЕРНАЯ СХЕМА»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. ТЕОРИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, 2007, № 2, с. 166-176

РОБОТОТЕХНИКА И МЕХАТРОНИКА

УДК 681.5:517.9

ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТОУПРУГОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ НАНО- И МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЯМИ V. МНОГОМЕРНАЯ СХЕМА

© 2007 г. С. М. Афонин

Москва, Московский государственный ин-т электронной техники (технический ун-т) Поступила в редакцию 25.04.06 г., после доработки 25.08.06 г.

На основе решения волнового уравнения и учета деформаций по координатным осям построены многомерные структурно-параметрическая модель и параметрическая структурная схема электро-магнитоупругого преобразователя, выполненного в виде пьезодвигателя наноперемещений. Определено влияние геометрических и физических параметров пьезодвигателя и внешней нагрузки на его статические и динамические характеристики, передаточные функции. Получены параметрические структурные схемы многокоординатных пьезопреобразователей.

Введение. Для нано- и микроперемещений в на-нотехнологии, нанобиологии, микроэлектронике, адаптивной оптике применяются прецизионные электромеханические приводы с электромагнито-упругими преобразователями на основе пьезоэлектрического, пьезомагнитного, электрострикцион-ного, магнитострикционного эффектов [1-6].

В первой части работы было решено волновое уравнение для деформации электромагнитоупругой пластины, получены передаточные функции и построены обобщенная структурно-параметрическая модель и параметрические структурные схемы электромагнитоупругой пластины [3]. Во второй части приведена обобщенная структурно-параметрическая модель составного электромагнитоупругого преобразователя, являющаяся результатом совместного решения матричного уравнения четырехполюсника составного преобразователя, уравнения электромагнитоупругости и граничных условий на двух нагруженных рабочих поверхностях преобразователя [4]. В третьей части проведен учет граничных условий, нагрузки и параметров электромагнитоупругого преобразователя при трансформации его структурно-параметрической модели и параметрических структурных схем [5]. В четвертой части рассмотрено использование структурно-параметрической модели и параметрических структурных схем преобразователя для расчета шагового пьезодвигателя [6].

В связи с тем, что деформация пьезодвигателя наноперемещений многокомпонентна, т. е. происходит одновременно по различным координатным осям, в настоящей статье предложены для расчета динамики процесса деформации многомерные структурно-параметрическая модель и параметри-

ческая структурная схема электромагнитоупругого преобразователя в виде пьезодвигателя наноперемещений. Для многокоординатного электромагнитоупругого преобразователя с соответствующими преобразователями по каждой координатной оси определены структурно-параметрические модели и параметрические структурные схемы, учитывающие деформации этих преобразователей.

1. Деформация пьезодвигателя наноперемещений. Деформация исполнительного пьезоэлемента пьезодвигателя соответствует его напряженному состоянию. Если в пьезоэлементе создать механическое напряжение Т, то в нем возникнет деформация S. Существует шесть компонент напряжений: Г1, Т2, Т3, Т4, Т5, Т6, из них Т1-Г3 вызваны растяжением-сжатием, Т4-Т6 - сдвигом (рис. 1).

Матричные уравнения состояния [1], связывающие электрические и упругие переменные для поляризованной пьезокерамики, записываются в общем виде

[ D ] = [ d ][ T ] + [ет ][ E ], [ S ] = [ sE ][ T ] + [ d ]1 [ E ]. .

Здесь первое уравнение описывает прямой пье-зоэффект, а второе - обратный; матрицы-столбцы характеризуют: [S] - относительные деформации, [Т] - механические напряжения, [Е] - напряженность электрического поля по координатным осям, [D] - электрическую индукцию по координатным осям; [s£] - матрица упругой податливости при Е = const. Поляризованная керамика представляет собой пьезоэлектрическую текстуру с симметрией <», m, поэтому в матрице упругой податли-

вости для поляризованной пьезокерамики есть

Е Е Е Е Е

пять независимых компонент: , 512, 513, 533, 555.

0 0 0 0 0 0 0 0 0

[ / ] =

E E E

11 512 513

E E E

12 511 S13

E E E

13 513 s33

0 0 0 5 55 0 0

0 0 0 0 Д 0

(1.2)

0 0 0 0 0 2 (4- 5?2)

Транспонированная матрица пьезоэлектрических модулей в данном случае имеет вид

[ d ]' =

0 0 d31

0 0 d31

0 0 d33

0 d15 0

d15 0 0

0 0 0

(1.3)

Матрица диэлектрических ироницаемостей [£T] при T = const заиисывается как

[£T ] =

Е

£ц

0 £22 0 0

0 0 0

-33

(1.4)

Направление оси Р, по которой проведена поляризация, обычно совмещают с ориентацией оси 3. Решение волнового уравнения с учетом соответствующего уравнения пьезоэффекта, граничных условий на нагруженных рабочих поверхностях пье-зодвигателя и деформаций по координатным осям позволяет построить многомерную структурно-параметрическую модель пьезодвигателя. Его передаточные функции и параметрическая структурная схема получаются из системы уравнений, описывающих соответствующую структурно-параметрическую модель пьезодвигателя наноперемещений.

2. Многомерная структурно-параметрическая модель пьезодвигателя наноперемещений. Рассмотрим пьезодвигатель на рис. 2 при продольном пьезоэффекте, представляющий собой пьезопла-стину толщиной 5 с электродами, нанесенными на грани, перпендикулярные оси 3, площадь которых равна 50, причем в общем виде силы F и перемещения Е, по координатам 1, 2, 3 приведены с соответствующими вторыми индексами 1, 2, 3. Уравнение обратного пьезоэффекта [1, 7] для продольной деформации при управлении пьезодвигателя по напряжению имеет вид

S3 = d33 E3 (t) + S33 T3 (х, t),

_ д% ( х, t)

(2.1)

где 53 = "д ' ' - относительное смещение сечения пьезопластины; ё33 - пьезомодуль при продольном

пьезоэффекте; Е3 = - напряженность электрического поля; иф - напряжение на электродах пластины; ^Зз - упругая податливость по оси 3; Т3 - механическое напряжение по оси 3.

Запишем уравнение сил, действующих на пластину

T3S0 = F + M-

д % ( х, t) dt2 '

(2.2)

где F - внешняя сила, приложенная к пластине; М -перемещаемая масса.

Для составления структурно-параметрической модели пьезодвигателя с управлением по напряжению решим совместно волновое уравнение, уравнение обратного продольного пьезоэффекта и уравнения сил на гранях пьезопластины. При расчете пьезодвигателей используется волновое уравнение

»3 T

Рис. 1. Компоненты механических напряжений в пье-зодвигателе наноперемещений.

E

2

1

1

[2, 7], описывающее распространение волны в длинной линии с затуханием без искажений

1 дx, t) , 2adUxJ)

(cE)2 Bt2 2

д

, 2fc, B2E(x, t) + a x, t) = ;

Bx

(2.3)

d 5(x, t)

dx2

1 2,2 a , 2" P + —P + a c

E2

L(c )

Постоянные С и B определим из граничных условий

S(0, p) = Si(p) при х = 0, 5(5, p) = S2(p) при х = 5,

С =

5j g5T - S2 2sh(5y)

5, e 5 - 5.

5 =

2sh(5y) "

где a - коэффициент затухания, учитывающий затухание колебаний из-за рассеивания энергии на тепловые потери при распространении волны, cE - скорость звука при Е = const.

Применим к волновому уравнению (2.3) преобразование Лапласа

5(x, p) = LШx, t)} = x, t)e-ptdt, (2.4)

0

полагая начальные условия нулевыми, т.е.

= 0.

5<x,t)|t.0- ^дг

В результате получим линейное обыкновенное дифференциальное уравнение второго порядка в виде

5(x, p) - 0, (2.5)

решением которого будет функция

5(x, p) - Се~ху + Bexr, (2.6)

где у = p/cE + a.

Тогда решение линейного обыкновенного дифференциального уравнения второго порядка запишется как

5( Х'Р) = (Р) [(6 - Х )У] + (2.7)

+ 52 (р) (х у)}.

Уравнения для сил, действующих на гранях пьезопластины, будут

Т з( 0, Р) ^с = ^ (Р) + М р2 51 (р) при х = 0,

(2.8)

Т3 (5, р) ¿0 = -^(р) + М2Р2 51(р) при х = 5,

где Г3(0, р) и Г3(5, р) определяются из уравнения обратного пьезоэффекта.

Следовательно, имеем систему уравнений для механических напряжений в пьезодвигателе при х = 0 и х = 5

Tз(0,p) - Y-^b-Pl

s

>зз

dx

- -33 e3 ( p ),

E^ 3 x = 0 S33

Тз(5, p) - -E-5^

S33

(2.9)

33 r < \

- -T3 E3 ( p ).

E

x - 5 S33

c

t - 0

Из (2.9) найдем следующую систему уравнений для структурно-параметрической модели пьезодвигателя:

5,(p ) =

1

Ml p1

- F1( p )+S [ s33

йъъ E3 ( p ) -

-Shfe) [ СЬ (5У)Н1 ( P ) - 52 ( P )]

(2.10)

52(p ) =

m2 pp

- F2( p ) + %

d33 E3 ( p ) -

-Shfe)[ ch ( p ) - s, ( p )]]|

Система уравнений (2.10) позволяет сформировать параметрическую структурную схему пьезодвигателя с управлением по напряжению, соответствующую фрагменту схемы на рис. 3, и дополненную уравнением внешней цепи U(p) = U0(p)/(RC0p + + 1), где U0(p) - напряжение источника, R - сопротивление внешней цепи, C0 - статическая емкость пьезопластины.

Уравнение обратного пьезоэффекта [1, 7] для поперечной деформации при управлении пьезодвигателя (рис. 2) по напряжению выражается соотношением

S, = d31E3(t) + suT,(x, t),

(2.11)

„ d£( x, t)

где ài = —-=]];—) - относительное смещение сече-dx

ния пьезопластины; d31 - пьезомодуль при поперечном пьезоэффекте; sf, - упругая податливость по оси 1; T1 - механическое напряжение по оси 1.

Решение линейного обыкновенного дифференциального уравнения второго порядка (2.5) имеет вид (2.6), где постоянные C и B определим из граничных условий

5(0, p) = Si(p) при х = 0,

5(l, p) = 52(p) при х = l,

C =

s, e Y - 52

s, e 11 - s.

B =

2sh(ly)' 2sh(/y) '

Тогда решение (2.5) запишется как

5(X'p) = ^{5i(p)Sh[(l- X)Y] + (2.12) + 52( p ) sh ( X Y)}.

Уравнения для сил, действующих на гранях пьезопластины, будут

T i( 0, p ) S0 = F, ( p ) + M, p2H, (p ) при x = 0, 13) T, (l, p)So = -F2(p) + M2p252(p) при x = l, '

где Tj(0, p) и Tj(l, p) рассчитываются из уравнения обратного пьезоэффекта.

Следовательно, получаем систему уравнений для механических напряжений в пьезопреобразо-вателе при х = 0 и х = l

T, ( 0, p ) =

s,,

dx

--E E3( p ),

E3

x =0 S,,

T,( /, p ) = -i d5ix^

dx

(2.14)

--Er E3 ( p ).

x = l

Из (2.14) для механических напряжений в пьезо-двигателе найдем следующую систему уравнений, описывающую структурно-параметрическую модель пьезодвигателя наноперемещений при поперечном пьезоэффекте и соответствующую фрагменту параметрической структурно

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком