Thiết kế bộ biến đổi DC-DC, thu thập dữ liệu và điều khiển phản hồi cho thiết bị truyền động áp điện: tiếp cận thực nghiệm
Email:
nguyenngocson@iuh.edu.vn
Từ khóa:
Thiết bị truyền động áp điện, Bộ biến đổi DC-DC, Khuếch đại và xử lý tín hiệu, Thiết bị PZS001, TI TMS320F28379D
Tóm tắt
Thiết bị truyền động áp điện (PEA) đang nhận được sự quan tâm ngày càng tăng nhờ tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như robot siêu nhỏ, hệ thống vi cơ điện tử và kỹ thuật y sinh. Tuy nhiên, việc thiết kế mạch điều khiển và thu thập dữ liệu hiệu quả cho PEA, đồng thời triển khai thuật toán điều khiển phản hồi để đảm bảo hoạt động chính xác vẫn là một thách thức đáng kể. Bài báo này tập trung vào khía cạnh nghiên cứu thực nghiệm gồm trình bày một giải pháp thiết kế mạch điều khiển và thu thập dữ liệu cho thiết bị truyền động áp điện PZS001. Mạch phần cứng bao gồm các khối chức năng chính là nâng áp, hạ áp, xử lý tín hiệu hồi tiếp từ cầu Wheatstone tích hợp trong PZS001 và khuếch đại tín hiệu điều khiển. Quá trình thiết kế gồm tính toán lý thuyết, thiết kế mạch nguyên lý và lựa chọn linh kiện, mô phỏng và đo kiểm thực tế để đánh giá về khả năng hoạt động, tính tin cậy của mạch. Sau đó, bộ điều khiển PID được áp dụng để điều khiển vị trí dịch chuyển của hệ PEA. Kết quả điều khiển thực nghiệm đã chứng minh hiệu quả và độ ổn định của hệ thống, mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển chính xácTài liệu tham khảo
[1]. K. Uchino, The development of piezoelectric materials and the new perspective, Advanced Piezoelectric Materials, Woodhead Publishing, (2017) 1-92. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-102135-4.00001-1
[2]. Thien, Duong Quang, Nguyen Thi Hai Van, Bond-Graph based simulation of sensors and piezoelectric beams’ ranges in the energy recovery circuit, VNUHCM Journal of Engineering and Technology, (2019) SI22-SI27. https://doi.org/10.32508/stdjet.v3iSI1.718
[3]. Đào Thanh Toản, Thiết bị thu thập dữ liệu không dây sử dụng cảm biến áp điện ứng dụng trong đo dao động kết cấu cầu, Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, 71 (2020) 135-144. https://doi.org/10.25073/tcsj.71.2.8
[4]. L.T. Truyen, N.T. Tai, Modeling and controlling a rotary piezo actuator, Sensors and Actuators A: Physical, 364 (2023) 114761. https://doi.org/10.1016/j.sna.2023.114761
[5]. J. Shen et al., Piezoelectric Planar Parallel Microrobot With High Bandwidth and Precision for Micromanipulation, IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, (2024) 1-9. https://doi.org/10.1109/TASE.2024.3405347
[6]. G. Wu, Z. Wang, J. Zhao, F. Cui, X. Cai, A piezoelectrically driven microrobot using a novel monolithic spatial parallel mechanism as its hip joint, J Bionic Eng, 21.2 (2024) 803–820. https://doi.org/10.1007/s42235-024-00484-9
[7]. J. Guan et al., Development of a Monopod Piezoelectric Robot for Small Parasitic Displacement and Planar Cross-Scale Locomotion, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 71 (2024) 14653 – 14662. https://doi.org/10.1109/TIE.2024.3379637
[8]. S.M.R, Rasid, A. Michael, H.R Pota, Dynamic modeling of a piezoelectric micro-lens actuator with experimental validation, Sensors and Actuators A: Physical, 356 (2023) 114344. https://doi.org/10.1016/j.sna.2023.114344
[9]. Q. Su, J. Sun, J. Deng, Y. Liu, S. Zhang, Su, Qi, Implementation of cross-scale plane micro-scratching process driven by hybrid piezoelectric actuation, Smart Materials and Structures, 32(9) (2023) 095007. https://doi.org/10.1088/1361-665X/ace814
[10]. Y. Wang, J. Deng, H. Li, X. Tian, W. Chen, Y. Liu, A resonant-type thin plate piezoelectric actuator inspired by koala’s locomotion, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 70 (2023) 8235–8243. https://doi.org/10.1109/TIE.2023.3237874
[11]. X. Ma, J. Liu, S. Zhang, J. Deng, Y. Liu, Recent trends in bionic stepping piezoelectric actuators for precision positioning: a review, Sens Actuators A Phys, 364 (2023) 114830. https://doi.org/10.1016/j.sna.2023.114830
[12]. M. Edla, Y. Y. Lim, D. Mikio, R. V. Padilla, A single-stage rectifier-less boost converter circuit for piezoelectric energy harvesting systems, IEEE Transactions on Energy Conversion, 37(1) (2021) 505–514. https://doi.org/10.1109/TEC.2021.3103879
[13]. Y. Jiang, C. Hu, H. Wu, Y. Lu, X. Liu, J. Jiang, A Battery to 70-V Hybrid Boost Converter Achieving 14-to-20 VCR for Piezoelectric Actuators, IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, 70 (2023) 3857-3861. https://doi.org/10.1109/TCSII.2023.3289910
[14]. S. Han, H. Jiang, J. Ma, X. Wu, T. Ren, Ultrahigh step-up coupled-inductor DC-DC converter with soft-switching for driving piezoelectric actuators, IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, 68 (2021) 2902–2906. https://doi.org/10.1109/TCSII.2021.3072206
[15]. L. Wang, K. Sun, R. Burgos, Planar piezoelectric transformer-based high step-down voltage-ratio DC–DC converter, IEEE Trans Power Electron, 37 (2022) 10833–10848. https://doi.org/10.1109/TPEL.2022.3163427
[16]. H. Dong, T. Li, Z. Wang, Y. Ning, Design and experiment of a piezoelectric actuator based on inchworm working principle, Sens Actuators A Phys, 306 (2020) 111950. https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.111950
[17]. L. Wang, J. Jin, H. Zhang, F. Wang, Z. Jiang, Theoretical analysis and experimental investigation on a novel self-moving linear piezoelectric stepping actuator, Mech Syst Signal Process, 135 (2020) 106183. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2019.06.001
[18]. D. V Sabarianand, P. Karthikeyan, T. Muthuramalingam, A review on control strategies for compensation of hysteresis and creep on piezoelectric actuators based micro systems, Mech Syst Signal Process, 140 (2020) 106634. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2020.106634
[19]. J. Y. Peng, X. B. Chen, Integrated PID-based sliding mode state estimation and control for piezoelectric actuators, IEEE/ASME Transactions On Mechatronics, 19 (2012) 88–99. https://doi.org/10.1109/TMECH.2012.2222428
[20]. K. R. Kumar, S. Narayanan, Active vibration control of beams with optimal placement of piezoelectric sensor/actuator pairs, Smart Mater Struct, 17 (2008) 055008. https://doi.org/10.1088/0964-1726/17/5/055008
[21]. S. Zhang, Z. Li, H. Wang, T. Xiong, Fractional order sliding mode control based on single parameter adaptive law for nano‐positioning of piezoelectric actuators, IET Control Theory & Applications, 15 (2021) 1422–1437. https://doi.org/10.1049/cth2.12132
[22]. J. Ma, M. Xie, P. Chen, S. Yu, H. Zhou, Motion tracking of a piezo-driven cell puncture mechanism using enhanced sliding mode control with neural network, Control Eng Pract, 134 (2023) 105487. https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2023.105487
[23]. C. Napole, O. Barambones, M. Derbeli, I. Calvo, Design and experimental validation of a piezoelectric actuator tracking control based on fuzzy logic and neural compensation, Fuzzy Sets Syst, 464 (2023) 108449. https://doi.org/10.1016/j.fss.2022.12.005
[2]. Thien, Duong Quang, Nguyen Thi Hai Van, Bond-Graph based simulation of sensors and piezoelectric beams’ ranges in the energy recovery circuit, VNUHCM Journal of Engineering and Technology, (2019) SI22-SI27. https://doi.org/10.32508/stdjet.v3iSI1.718
[3]. Đào Thanh Toản, Thiết bị thu thập dữ liệu không dây sử dụng cảm biến áp điện ứng dụng trong đo dao động kết cấu cầu, Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, 71 (2020) 135-144. https://doi.org/10.25073/tcsj.71.2.8
[4]. L.T. Truyen, N.T. Tai, Modeling and controlling a rotary piezo actuator, Sensors and Actuators A: Physical, 364 (2023) 114761. https://doi.org/10.1016/j.sna.2023.114761
[5]. J. Shen et al., Piezoelectric Planar Parallel Microrobot With High Bandwidth and Precision for Micromanipulation, IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, (2024) 1-9. https://doi.org/10.1109/TASE.2024.3405347
[6]. G. Wu, Z. Wang, J. Zhao, F. Cui, X. Cai, A piezoelectrically driven microrobot using a novel monolithic spatial parallel mechanism as its hip joint, J Bionic Eng, 21.2 (2024) 803–820. https://doi.org/10.1007/s42235-024-00484-9
[7]. J. Guan et al., Development of a Monopod Piezoelectric Robot for Small Parasitic Displacement and Planar Cross-Scale Locomotion, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 71 (2024) 14653 – 14662. https://doi.org/10.1109/TIE.2024.3379637
[8]. S.M.R, Rasid, A. Michael, H.R Pota, Dynamic modeling of a piezoelectric micro-lens actuator with experimental validation, Sensors and Actuators A: Physical, 356 (2023) 114344. https://doi.org/10.1016/j.sna.2023.114344
[9]. Q. Su, J. Sun, J. Deng, Y. Liu, S. Zhang, Su, Qi, Implementation of cross-scale plane micro-scratching process driven by hybrid piezoelectric actuation, Smart Materials and Structures, 32(9) (2023) 095007. https://doi.org/10.1088/1361-665X/ace814
[10]. Y. Wang, J. Deng, H. Li, X. Tian, W. Chen, Y. Liu, A resonant-type thin plate piezoelectric actuator inspired by koala’s locomotion, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 70 (2023) 8235–8243. https://doi.org/10.1109/TIE.2023.3237874
[11]. X. Ma, J. Liu, S. Zhang, J. Deng, Y. Liu, Recent trends in bionic stepping piezoelectric actuators for precision positioning: a review, Sens Actuators A Phys, 364 (2023) 114830. https://doi.org/10.1016/j.sna.2023.114830
[12]. M. Edla, Y. Y. Lim, D. Mikio, R. V. Padilla, A single-stage rectifier-less boost converter circuit for piezoelectric energy harvesting systems, IEEE Transactions on Energy Conversion, 37(1) (2021) 505–514. https://doi.org/10.1109/TEC.2021.3103879
[13]. Y. Jiang, C. Hu, H. Wu, Y. Lu, X. Liu, J. Jiang, A Battery to 70-V Hybrid Boost Converter Achieving 14-to-20 VCR for Piezoelectric Actuators, IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, 70 (2023) 3857-3861. https://doi.org/10.1109/TCSII.2023.3289910
[14]. S. Han, H. Jiang, J. Ma, X. Wu, T. Ren, Ultrahigh step-up coupled-inductor DC-DC converter with soft-switching for driving piezoelectric actuators, IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, 68 (2021) 2902–2906. https://doi.org/10.1109/TCSII.2021.3072206
[15]. L. Wang, K. Sun, R. Burgos, Planar piezoelectric transformer-based high step-down voltage-ratio DC–DC converter, IEEE Trans Power Electron, 37 (2022) 10833–10848. https://doi.org/10.1109/TPEL.2022.3163427
[16]. H. Dong, T. Li, Z. Wang, Y. Ning, Design and experiment of a piezoelectric actuator based on inchworm working principle, Sens Actuators A Phys, 306 (2020) 111950. https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.111950
[17]. L. Wang, J. Jin, H. Zhang, F. Wang, Z. Jiang, Theoretical analysis and experimental investigation on a novel self-moving linear piezoelectric stepping actuator, Mech Syst Signal Process, 135 (2020) 106183. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2019.06.001
[18]. D. V Sabarianand, P. Karthikeyan, T. Muthuramalingam, A review on control strategies for compensation of hysteresis and creep on piezoelectric actuators based micro systems, Mech Syst Signal Process, 140 (2020) 106634. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2020.106634
[19]. J. Y. Peng, X. B. Chen, Integrated PID-based sliding mode state estimation and control for piezoelectric actuators, IEEE/ASME Transactions On Mechatronics, 19 (2012) 88–99. https://doi.org/10.1109/TMECH.2012.2222428
[20]. K. R. Kumar, S. Narayanan, Active vibration control of beams with optimal placement of piezoelectric sensor/actuator pairs, Smart Mater Struct, 17 (2008) 055008. https://doi.org/10.1088/0964-1726/17/5/055008
[21]. S. Zhang, Z. Li, H. Wang, T. Xiong, Fractional order sliding mode control based on single parameter adaptive law for nano‐positioning of piezoelectric actuators, IET Control Theory & Applications, 15 (2021) 1422–1437. https://doi.org/10.1049/cth2.12132
[22]. J. Ma, M. Xie, P. Chen, S. Yu, H. Zhou, Motion tracking of a piezo-driven cell puncture mechanism using enhanced sliding mode control with neural network, Control Eng Pract, 134 (2023) 105487. https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2023.105487
[23]. C. Napole, O. Barambones, M. Derbeli, I. Calvo, Design and experimental validation of a piezoelectric actuator tracking control based on fuzzy logic and neural compensation, Fuzzy Sets Syst, 464 (2023) 108449. https://doi.org/10.1016/j.fss.2022.12.005
Tải xuống
Chưa có dữ liệu thống kê
Nhận bài
05/08/2024
Nhận bài sửa
25/10/2024
Chấp nhận đăng
10/12/2024
Xuất bản
15/12/2024
Chuyên mục
Công trình khoa học
Kiểu trích dẫn
Nguyễn Duy, K., Cao Văn, K., & Nguyễn Ngọc, S. (1734195600). Thiết kế bộ biến đổi DC-DC, thu thập dữ liệu và điều khiển phản hồi cho thiết bị truyền động áp điện: tiếp cận thực nghiệm. Tạp Chí Khoa Học Giao Thông Vận Tải, 75(9), 2303-2317. https://doi.org/10.47869/tcsj.75.9.6
Số lần xem tóm tắt
30
Số lần xem bài báo
6
