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Phänomenologische Modellierung des temperaturabhängigen Verhaltens piezoelektrischer Stapelaktoren

Köhler, Robert :
Phänomenologische Modellierung des temperaturabhängigen Verhaltens piezoelektrischer Stapelaktoren.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Phänomenologische Modellierung des temperaturabhängigen Verhaltens piezoelektrischer Stapelaktoren
Language: German
Abstract:

Piezostapelaktoren erschließen zunehmend neue Anwendungsgebiete. So werden diese Aktoren in den letzten Jahren neben Ultraschall- und Nanopositionieraufgaben zunehmend in Anwendungen der aktiven Schwingungsminderung eingesetzt. Den meisten Schwingungsminderungsanwendungen ist gemein, dass die Aktoren mit hohen elektrischen Feldern bei Frequenzen von bis zu einigen hundert Herz beaufschlagt werden. Hinzu kommen widrige Umgebungsbedingungen wie z.B. erhöhte Umgebungstemperaturen, welche den Aktor schädigen können. Beim Betrieb mit hohen elektrischen Feldern erwärmt sich der Aktor zusätzlich aufgrund innerer Verluste stark, so dass die maximale Leistungsfähigkeit der Aktoren im Dauerbetrieb durch die thermischen Belastungsgrenzen gegeben ist. Darüber hinaus ändert sich das Betriebsverhalten der Aktoren mit der Temperatur. Dies kann dazu führen, dass ein Regler welcher für Normalbedingungen ausgelegt wurde im stationären Betriebszustand mit erhöhter Aktortemperatur suboptimal arbeitet oder gar instabil wird. Bisher existiert jedoch noch kein zuverlässiges Modell, welches die für aktive Schwingungs-minderung wesentlichen nichtlinearen Effekte abbildet sowie die Eigenerwärmung der Aktoren vorhersagt. Ein solches Modell wird in dieser Arbeit definiert. Dabei wird auf eine numerisch effiziente Umsetzung geachtet, so dass mechatronische Gesamtsystemsimulationen möglich sind. Ausgangspunkt der Modellierung sind die linearen Piezogleichungen, welche sich aus ther-modynamischen Überlegungen herleiten lassen. Diese werden um einen nichtlinearen Anteil erweitert, welcher die Aktorhysterese abbildet. Zur Abbildung der Hysterese wird das klassische Preisach Hysteresemodell verwendet. Dieses bietet den Vorteil, dass es eine einfache Bestimmung der mit der modellierten Hysterese resultierende Verluste ermöglich. Die berechneten Verluste werden als Eingangsgröße für ein thermisches Aktormodell verwendet. Dieses berechnet unter Berücksichtigung des Wärmeaustausches des Aktors mit der Umgebung die Temperaturverteilung innerhalb des Aktors. Aus dieser wird die mittlere Aktortemperatur berechnet, welche in den piezoelektrischen Modellteil zurückgeführt wird, um die Temperaturabhängigkeiten des Aktorverhaltens abzubilden. Zusätzlich zum Modell wurden Routinen zur Ermittlung der Modellparameter entwickelt, welche anhand von drei unterschiedlichen Aktormaterialien auf ihre praktische Anwendbarkeit überprüft wurden. Im Zuge der Parameteridentifikation wurden neben den zum Beschreiben des nichtlinearen Aktorverhaltens notwendigen piezoelektrischen Modellparametern auch thermische Modellparameter ermittelt. Bei der Ermittlung dieser wurde erstmalig der geschichtete Aufbau der Aktoren berücksichtigt, welcher zu einer transversalen Isotropie der Wärmeleitfähigkeit führt. Anschließend wir das entwickelte Modell mit Messwerten validiert und auf seine Anwendbarkeit überprüft. Die Arbeit schließt mit einer kritischen Hinterfragung des gewählten Modellansatzes und einem Ausblick auf zukünftige Forschungsvorhaben ab.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Piezo stack actuators open up new areas of application increasingly. Besides supersonic and nanopositioning applications the actuators are used for active vibration control. Characteristic for active vibration control applications are high electric fields which are applied to the actuators at frequencies up to several hundred Hertz. Additional adverse environmental conditions, such as high ambient temperatures characterize those application which might cause the damage of actuator. If high electric fields are applied the temperature of the actuators rises due to actuator losses. Consequently the maximum continuous output of the actuator is limited by the maximum allowed intrinsic temperature. In addition the operating behavior of the actuator changes with temperature. These changes of behavior may degrade the performance of active vibration control systems or even cause unstable control loops. Up to now no actuator model exists that covers all the nonlinear effects which are of importance for active vibration control and that predicts the temperature rise of the actuator. Such a model is derived in this thesis. The developed actuator model considers a high numerical efficiency to enable mechatronic complete system simulations. The new model is based on the common linear piezoelectric equations which are derived from thermodynamics. These equations are extended nonlinearly to model the hysteresis effects. To model the hysteresis the classical Preisach hysteresis operator is applied. This operator enables the calculation of the losses which are connected to the modeled hysteresis. Those losses are used as input for a thermal actuator model. The thermal actuator model takes the heat exchange of the actuator with the ambiance into account and predicts the temperature distribution inside the actuator. The average actuator temperature is computed out of the calculated temperature distribution. Then the average temperature is feed back to the piezoelectric actuator model. In addition to the model parameter identification routines are developed which are tested with three different material samples. Beside the model parameters which are required for the piezoelectric model thermal model parameters are identified. During the identification of the thermal model parameters the layered structure of the actuator is taken into account which results in a directional heat conductivity. Finally the developed model is validated with independent experimental data. The thesis concludes with a critical review of the modeling approach and an outlook on future research activities. English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Piezo, Stapelaktor, Eigenerwärmung, Hysterese, Modell, Preisach, Verluste, Gesamtsystemsimulation, richtungsabhängige Wärmeleitfähigkeit
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
peizo, stack-actuator, self heating, hysteresis, modell, preisach, losses, complete system simulations, directional heat conductivityEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Mechatronic Systems in Mechanical Engineering (IMS)
Date Deposited: 27 Jun 2013 06:33
Last Modified: 27 Jun 2013 06:33
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-34330
Referees: Rinderknecht, Prof. Stephan and Hanselka, Prof. Holger
Refereed: 8 May 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3433
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