臺灣博碩士論文加值系統

本研究主要是在設計一種具有正逆轉平衡型式之壓電致動器，並針對此壓電致動器進行動態模擬、特性量測與轉速控制。2002年，清華大學歐陽敏盛博士提出3-4-5壓電致動器之薄型結構，唯其具有正逆轉不一致之缺點。因此本論文即是基於此前提下，擬以ANSYS軟體針對該結構重新設計，以達到正逆轉平衡之要求。此經過重新設計修正之結構稱為4-9-9-14壓電致動器，其確實改善3-4-5壓電致動器正逆轉不一致之現象。而在4-9-9-14壓電致動器被設計出來後，亦針對此致動器之正逆轉轉速、最佳驅動位置、徑、軸位移伸張量等三項問題進行系統動態模擬，以驗證所設計出之4-9-9-14壓電致動器確實符合原所設定之要求標準。
針對所設計出之4-9-9-14壓電致動器將進行特性量測，包括：磨耗、溫升與掃頻量測等三項。在磨耗量測方面：本論文提出以SEM來量測致動器之接觸磨耗數值，從而推估壓電致動器之徑向位移伸張量、並與ANSYS模擬結果相比較。在溫升量測方面：則提出以紅外線熱顯像儀來量測致動器之表面溫度分佈，進以瞭解結構設計中之螺釘固定點是形成過多之能量堆積、而不利於後續之應用。在掃頻量測方面：係以阻抗分析儀來量測致動器之頻率對阻抗、頻率對品質因素之數值，進而掌握系統效率、並加以驗證致動器確實具備正逆轉平衡之結果。
經過結構設計及特性量測後，最終將進行定速控制。先行設計一轉速控制平台，並透過GPIB介面與示波器(轉速資料輸入至PC)及功率放大器(控制電壓輸出至週邊)進行實驗儀器之架構整合，再以LabVIEW軟體進行模糊控制器之程式撰寫，以完成4-9-9-14壓電致動器之定速控制。針對400 rpm以下之目標轉速來進行定位，均有穩定收斂之結果。

In this study, we design a CW-CCW-Balancing type piezoelectric actuator. There are three ways to verify result. These include dynamic simulate, characteristic measurement and rotation speed control. The 3-4-5 piezoelectric actuator invented by Dr. M. S. Ouyang in 2002 at the National Tsing Hua University. The 3-4-5 piezoelectric actuator form they presented has CW-CCW unbalance effect. However, we are designed a CW-CCW-Balancing type piezoelectric actuator by ANSYS software. It already can improve question of the 3-4-5 piezoelectric actuators. We called this new structure type the 4-9-9-14 piezoelectric actuators. We would use ANSYS software to verify three questions, which included CW-CCW rotation speed, optimal driving location and Radial/Longitudinally displacement.
Characteristic measurement is available in 3 categories. Friction; is measurement that we present a method to presume displacement value of the piezoelectric actuator observing surface friction condition by Scanning Electron Microscope (SEM). Temperature rise; is measurement that measures the temperature condition of the actuator surface by Thermal Video System. Finally we use an Impedance Analyzer to sweep, measure impedance and analysis the quality factor piezoelectric actuators.
This paper would use the 4-9-9-14 piezoelectric actuator to drive piezoelectric actuating platform. The fuzzy controller is written by LabVIEW software. It connects with instruments and GPIB interface. And then the fuzzy controller would be complete speed control.

中文摘要…………………………………………………………… i
英文摘要…………………………………………………………… ii
誌謝……………………………………………………………… iii
目錄………………………………………………………………… iv
圖目錄…………………………………………………………… vii
表目錄……………………………………………………………… xi
第一章 緒論…………………………………………………………… 1
1.1 前言………………………………………………………………… 1
1.2 文獻回顧…………………………………………………………… 4
1.2.1 壓電致動器的發展歷史……………………………………… 4
1.2.2 壓電致動器的分類…………………………………………… 4
1.3 研究動機…………………………………………………………… 14
1.4 本文內容…………………………………………………………… 15
第二章 理論與分析 ………………………………………………… 16
2.1 薄盤式壓電致動器………………………………………………… 16
2.1.1壓電蜂鳴片……………………………………………………… 17
2.1.2 壓電致動器工作原理………………………………………… 18
2.1.3 傳統壓電致動器……………………………………………… 18
2.2 壓電效應…………………………………………………………… 19
2.3 壓電的電氣參數…………………………………………………… 21
2.4 壓電方程式………………………………………………………… 24
2.5 壓電陶瓷的共振特性……………………………………………… 28
2.6 薄盤壓電致動器之結構設計……………………………………… 29
2.7 耦合場分析………………………………………………………… 32
2.7.1耦合場分析之定義……………………………………………… 32
2.7.2耦合場分析之類型…………………………………………… 32
2.8 壓電分析…………………………………………………………… 33
2.9 有限元素法……………………………………………………… 35
第三章 壓電致動器之結構設計與動態分析……………………… 40
3.1 3-4-5壓電致動器之結構設計原理……………………… 40
3.2 有限元素法分析…………………………………………………… 45
3.3 4-9-9-14壓電致動器之結構設計……………………… 49
3.4 4-9-9-14之結構探討………………………………………………
3.5 正逆轉轉速之動態分析………………………………………… 64
3.5.1 3-4-5壓電致動器在66.4 kHz驅動頻率下…………………… 64
3.5.2 3-4-5壓電致動器在73.3 kHz驅動頻率下…………………… 70
3.5.3 4-9-9-14壓電致動器在67.9 kHz驅動頻率下…………… 76
3.5.4 4-9-9-14壓電致動器在73.6 kHz驅動頻率下…………… 82
3.6 最佳驅動位置之動態分析………………………………………… 88
3.6.1 3-4-5壓電致動器在66.4 kHz驅動頻率下…………………… 88
3.6.2 3-4-5壓電致動器在73.3 kHz驅動頻率下…………………… 92
3.6.3 4-9-9-14壓電致動器在67.9 kHz驅動頻率下…………… 97
3.6.4 4-9-9-14壓電致動器在73.6 kHz驅動頻率下…………… 101
3.7 徑向伸張量大於軸向伸張量之動態分析……………………… 105
3.7.1 3-4-5壓電致動器在66.4 kHz驅動頻率下………………… 105
3.7.2 3-4-5壓電致動器在73.3 kHz驅動頻率下………………… 111
3.7.3 4-9-9-14壓電致動器在67.9 kHz驅動頻率下………… 117
3.7.4 4-9-9-14壓電致動器在73.6 kHz驅動頻率下…………… 123
3.8 結果與討論………………………………………………… 130
第四章 壓電致動器特性量測與分析…………………………… 133
4.1 特性量測……………………………………………………… 133
4.1.1轉速量測平台之結構設計……………………………………… 133
4.1.2實驗儀器及設備………………………………………………… 121
4.2 實驗架構………………………………………………………… 137
4.3 接觸磨耗特性量測與結果分析………………………………… 142
4.3.1 3-4-5壓電致動器磨耗特性量測…………………… 142
4.3.2 4-9-9-14壓電致動器磨耗特性量測………………… 150
4.3.3結果與討論……………………………………………………… 157
4.4溫升特性量測…………………………………………………… 160
4.4.1 4-9-9-14壓電致動器………………………………… 161
4.4.2結果與討論…………………………………………………… 163
4.5壓電致動器掃頻量測…………………………………………… 164
4.5.1頻率對阻抗…………………………………………… 164
4.5.2頻率對品質因素………………………………………………… 16
4.5.3結果與討論…………………………………………………… 166
第五章 轉速控制………………………………………………… 168
5.1 實驗項目與方法……………………………………………… 168
5.1.1實驗項目………………………………………………… 169
5.1.2實驗儀器及設備……………………………………………… 170
5.2 模糊控制器……………………………………………………… 172
5.2.1新型模糊控制器之設計考量………………………………… 172
5.2.2模糊規則庫………………………………………… 173
5.2.3程式設計概念……………………………………………… 176
5.2.4系統軟體架構……………………………………………… 176
5.3 模糊控制器之實驗結果與分析………………………………… 181
5.4 模糊控制器之結果討論………………………………………… 184
第六章 結論與建議事項………………………………………… 186
6.1 結論……………………………………………………………… 186
6.2 建議事項與未來研究方向………………………………… 188
參考文獻………………………………………………………… 189
簡歷……………………………………………………………… 192

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