A Distributed Parameter Maxwell-Slip Model for the Hysteresis in Piezoelectric Actuators

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作者
Yanfang Liu,Desong Du,Naiming Qi,Jun Zhao
出处
期刊:IEEE Transactions on Industrial Electronics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:66 (9): 7150-7158 被引量:36
标识
DOI:10.1109/tie.2018.2879291
摘要

In this paper, the Maxwell-slip model is extended to a distributed parameter Maxwell-slip (DPMS) model, and a DPMS model parameter identification process is proposed for the hysteresis in piezoelectric actuators (PEAs). This model is governed by a saturation deformation function (SDF) and a stiffness function (SF); it requires only a few parameters and can capture nonconvex hysteresis. It has a clear interpretation in the mechanical domain and provides insight into the mechanism of hysteresis generation; hence, it can predict the performance in the unidentified range. With a linear SDF, exponential, power-law, and polynomial SFs are studied for a PEA-based nanopositioning system. The normalized root-mean-square (NRMS) errors for these SFs are 0.60%, 0.43%, and 0.47%, respectively. With parameters identified from the middle hysteresis loop, the NRMS error is 0.68%. For the nonconvex hysteresis, the NRMS error is 2.78%. With compensation by DPMS models with the above three SFs, the hysteresis decreases by 86.95%, 87.13%, and 97.13%, respectively. The rate dependence of the frequency response is eliminated, and the $-$3-dB bandwidth increases from 320 to 890 Hz.

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