Modellierung des nichtlinearen Verhaltens piezokeramischer Aktoren

Modeling of the Nonlinear Behavior of Piezoceramic Actuators

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-8758
  • Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Modellierung des nichtlinearen Verhaltens piezokeramischer Festkörperaktoren. Zu den untersuchten Phänomenen gehören Hysterese"= und Driftverhalten. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem Nachbilden des Verhaltens im typischen Arbeitsbereich der Wandler. Grundlage für die Modellierung ist die thermodynamisch motivierte Superposition von reversiblen und irreversiblen Anteilen der dielektrischen Polarisation sowie der mechanischen Dehnung. Während die reversiblen Komponenten durch die bekannten linearen Materialgleichung beschrieben werden, bilden mathematische Operatoren das irreversible Verhalten nach. Für die Polarisationshysterese kommen zweiDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Modellierung des nichtlinearen Verhaltens piezokeramischer Festkörperaktoren. Zu den untersuchten Phänomenen gehören Hysterese"= und Driftverhalten. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem Nachbilden des Verhaltens im typischen Arbeitsbereich der Wandler. Grundlage für die Modellierung ist die thermodynamisch motivierte Superposition von reversiblen und irreversiblen Anteilen der dielektrischen Polarisation sowie der mechanischen Dehnung. Während die reversiblen Komponenten durch die bekannten linearen Materialgleichung beschrieben werden, bilden mathematische Operatoren das irreversible Verhalten nach. Für die Polarisationshysterese kommen zwei verschiedene Operatoren zum Einsatz. Der Jiles"=Atherton"=Hystereseoperator ist effizient und relativ einfach zu identifizieren, da er nur mit wenigen Parametern auskommt. Mit seiner variablen Parameterzahl ist der Preisach"=Hystereseoperator deutlich flexibler jedoch bei erhöhtem Identifizierungsaufwand. Das zeitabhängige Drift"= oder Kriechverhalten der Aktoren wird durch Driftoperatoren modelliert. Die gewichtete Superposition eines Hystereseoperators und eines Driftoperators führt zum Gesamtmodell für das nichtlineare Verhalten der dielektrischen Polarisation. Daraus kann die irreversible mechanische Dehnung über einen in erster Näherung quadratischen Zusammenhang bestimmt werden. Die Arbeit stellt Messtechnik zur Aktorcharakterisierung und entsprechende Algorithmen zur Modellparameteridentifikation vor. Den Abschluss der Arbeit bilden Anwendungsbeispiele piezokeramischer Aktoren. Das entwickelte Modell zeigt am Beispiel eines Piezo"=Biegeaktors und an einem monolithischen Stapelaktor die Einsatzfähigkeit für die Praxis. Ein Linearmotor und ein Rotationsmotor jeweils auf der Basis piezokeramischer Stapelaktoren komplettieren die Anwendungsbeispiele.show moreshow less
  • The present study deals with the modeling of non-linear behavior of common piezoceramic actuators, especially with regard to hysteresis and creep phenomena. The work focuses on the simulation of the non-linear behavior within the typical actuator working range. The modeling is based on the thermodynamically motivated approach of decomposing the dielectric polarization and the mechanical strain into reversible and irreversible parts. While the well-known linear piezoelectric material equations represent the reversible parts, mathematical operators emulate the irreversible behavior. Two different hysteresis operators are used for the hysteresis of the polarization. The Jiles-Atherton operatorThe present study deals with the modeling of non-linear behavior of common piezoceramic actuators, especially with regard to hysteresis and creep phenomena. The work focuses on the simulation of the non-linear behavior within the typical actuator working range. The modeling is based on the thermodynamically motivated approach of decomposing the dielectric polarization and the mechanical strain into reversible and irreversible parts. While the well-known linear piezoelectric material equations represent the reversible parts, mathematical operators emulate the irreversible behavior. Two different hysteresis operators are used for the hysteresis of the polarization. The Jiles-Atherton operator is efficient and features only five parameters. Therefore, it is relatively simple to identify. The Preisach operator, on the other hand, is much more flexible due to a variable number of parameters, resulting in a more complex parameter identification procedure. Time dependent creep and drift effects are modelled through drift operators. The weighted superposition of hysteresis and drift results in the complete model for the non-linear behavior of the dielectric polarization. Then the mechanical strain is computed from the modelled dielectric polarization through an approximately quadratic relationship. The study also presents the measurement setup and the algorithms for the parameter identification. Finally, the procedure is applied to examples of piezoceramic actuators. The usability of the developed model is demonstrated on piezoelectric bending actuators and stack actuators. The study finishes with the description of a piezoelectric linear stepper motor and a rotary motor both based on stack actuators.show moreshow less

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Metadaten
Author:Thomas Hegewald
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-8758
Advisor:Reinhard Lerch
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2008
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2008/02/12
Release Date:2008/03/06
Tag:Jiles-Atherton-Operator; Schmetterlingskurve
Jiles-Atherton; Preisach; butterfly curve; creep; drift behavior; ferroelectricity; hysteresis; piezoceramic actuator; simulation
SWD-Keyword:Piezoelektrischer Aktor; Elektromechanischer Wandler; Piezokeramik; Ferroelektrizität; Drift; Hysterese; Preisach-Operator; Simulation
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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