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  1. NTU Theses and Dissertations Repository
  2. 工學院
  3. 應用力學研究所
請用此 Handle URI 來引用此文件: http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/87617
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dc.contributor.advisor李世光zh_TW
dc.contributor.advisorChih-Kung Leeen
dc.contributor.author賴似蓉zh_TW
dc.contributor.authorSz-Rung Laien
dc.date.accessioned2023-06-20T16:23:27Z-
dc.date.available2023-11-09-
dc.date.copyright2023-06-20-
dc.date.issued2023-
dc.date.submitted2023-02-15-
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dc.identifier.urihttp://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/87617-
dc.description.abstract本研究目的為開發可產生旋轉運動之壓電自走式致動器,過去自走式致動器的研發以線性為主,故若可在有限的結構中達到旋轉效果,將可大幅提升自走式致動器之移動自由度。本研究以50 mm*41 mm矩形結構,以驅動Φ12、Φ22與Φ21、Φ22疊加產生行進波,當Φ12、Φ22疊加時,因x方向為第一及第二模態,疊加後可於x方向產生行進波,而y方向則皆為第二模態,故可使其疊加後因y方向第二模態具有180度空間相位差而產生一組位置相對且傳遞方向相反之x方向行進波,使致動器產生旋轉的驅動;而當Φ21、Φ22疊加時,則因y方向為第一與第二模態,故可於y方向產生行進波,亦因 x方向皆為第二模態,可使兩模態疊加後於y方向之對邊產生相反方向行進波,亦可使致動器產生旋轉運動。透過此兩組不同模態的疊加可產生不同之轉動效果,因x方向之行進波在簡支邊界間產生,振幅較大可產生較大之推動力。而y方向行進波在自由邊界間產生,振幅較小可產生微小角度之旋轉。本研究採用整數倍頻驅動的方式,以產生穩定的旋轉行進波,在x方向使用1600 Hz與3200 Hz兩頻率驅動,在y方向則是使用1675 Hz與3350 Hz兩頻率驅動。為能準確的找出最佳之驅動參數,本研究以希爾伯特轉換確認電壓比與相位差之最佳驅動參數,並進一步開發以希爾伯特圓的虛部差值來進行最佳化自由端行進波之電壓比。為驗證上述方法之可行性,本研究以實驗及有限元素法進行驗證。首先分析驅動支腳位置對於行進效果的影響,並以實驗驗證以x方向行進波推動時順時針與逆時針角速度可達-17.44 deg/s(100Vpp)與17.37 deg/s (100Vpp),使用y方向行進波推動時可達順時針與逆時針角速度-5.78 deg/s與6.00 deg/s,其最大荷重皆為15g。在以支腳進行自走實驗時,以x方向行進波達到最大順時針與逆時針角速度分為-33.61 deg/s(100Vpp)與29.25 deg/s(100Vpp),其最大荷重為35g。而以y方向行進波推動時,最大順時針與逆時針角速度分別為-10.78 deg/s與7.30 deg/s,最大荷重為30g。不論是圓盤實驗或是自走實驗,x方向之轉動角速度皆大約為y方向行進波之3倍,驗證可於單一結構達成兩種轉動效果。zh_TW
dc.description.abstractThis study aims to develop a self-propelled piezoelectric actuator for rotational motion. It is different from reported self-propelled piezoelectric actuators that focused on linear movement. The structure of the rotary piezoelectric actuator is a rectangular plate with a dimension of 50 mm by 41mm. The developed method is to superpose bending vibrations of Φ12 and Φ22 modes and Φ21 and Φ22 modes of a double simply supported (x-direction) and doubly free edge (y-direction) rectangular piezoelectric actuator. Using Φ12 and Φ22 modes, the first and second modes are generated in the x-direction to superpose into two traveling waves in opposite directions. Similarly, using Φ21 and Φ22 modes, the first and second modes are generated in the y-direction, and two traveling waves can be generated in the y-direction with opposite directions. The amplitude in the x-direction is greater than in the y-direction due to simply supported boundary conditions, so higher angular velocities can be generated. In this study, the two-integer-frequency-two-mode (TIF-TM) driving method is adopted, and 1600 Hz and 3200 Hz are used for driving in the x-direction, and 1675 Hz and 3350 Hz are used for driving in the y-direction. The voltage ratio and phase difference to drive the traveling wave is optimized using the Hilbert transform. Finite element analysis and experimental studies are conducted for verifications. To interact with a surface, protrusions were added to the actuator surface, and the influence of protrusion positions is analyzed. A small disk is first placed on the protrusions, and the maximum clockwise (CW) and counterclockwise (CCW) angular velocities are -17.44 deg/s (100Vpp) and 17.37 deg/s (100Vpp) using x-direction traveling waves. The maximum CW and CCW angular velocities are -5.78 deg/s and 6.00 deg/s using y-directions traveling waves. The maximum loading for both conditions is 15g. For the self-propelled experiments, the maximum CW and CCW angular velocities are -33.61 deg/s (100Vpp) and 29.25 deg/s (100Vpp) for x-direction traveling waves, and the maximum load is 35g. They reduced to -10.78 deg/s and 7.30 deg/s using y-direction traveling waves with a maximum loading of 30g. In summary, the rotational speed generated by x-direction traveling waves is about 3 times higher than that by y-direction traveling waves. It is verified that this self-propelled piezoelectric actuator can generated two different rotational speeds using different mode selections.en
dc.description.provenanceSubmitted by admin ntu (admin@lib.ntu.edu.tw) on 2023-06-20T16:23:27Z
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en
dc.description.provenanceMade available in DSpace on 2023-06-20T16:23:27Z (GMT). No. of bitstreams: 0en
dc.description.tableofcontents誌謝 i
中文摘要 ii
ABSTRACT iii
圖目錄 viii
表目錄 xxiv
第1章 緒論 1
1.1 壓電致動器產業及市場趨勢 1
1.2 研究背景與動機 2
1.3 文獻回顧 3
1.4 論文架構 9
第2章 壓電致動器之結構設計 10
2.1 設計理念 10
2.2 系統架構 18
2.3 結構設計 19
2.3.1 材料選擇 19
2.3.2 二維壓電致動器結構 23
第3章 壓電材料介紹及理論推導 25
3.1 材料介紹 25
3.1.1 起源 25
3.1.2 壓電效應 25
3.1.3 壓電材料種類 26
3.2 理論推導 27
3.2.1 壓電物性組成律方程式 27
3.2.2 壓電薄板物性方程式 32
3.2.3 有效表面電極 38
3.3 二維壓電致動器理論 39
3.3.1 統御方程式推導 39
3.3.2 整數倍頻驅動理論 50
3.4 希爾伯特轉換 51
3.4.1 理論介紹 51
3.4.2 最佳化分析 53
3.4.2.1 簡支端最佳化參數分析 53
3.4.2.2 自由端最佳化參數分析 60
第4章 二維壓電致動器之結構設計及製程 67
4.1 不鏽鋼基板結構設計 67
4.2 電極位置設計 68
4.2.1 設計方法及理論 68
4.2.2 模態共振頻率 70
4.2.3 Φ12電極位置最佳化 71
4.2.4 Φ21電極位置最佳化 73
4.2.5 Φ22電極位置最佳化 76
4.2.6 雙向電極位置 78
4.3 有效表面電極製備流程 82
4.4 驅動支腳設計 83
4.4.1 驅動支腳結構設計 83
4.4.2 驅動支腳位置設計 84
4.5 邊界夾具設計 85
第5章 二維壓電致動器之開發 87
5.1 輸入訊號設計 87
5.1.1 簡支端最佳化參數分析 87
5.1.2 自由端最佳化參數分析 91
5.1.3 相位補償方法 99
5.1.4 振幅補償方法 101
5.2 等效材料參數方法 101
第6章 數值模擬分析 103
6.1 數值模型之建立與參數設定 103
6.2 結構模態分析 104
6.3 以希爾伯特轉換設計x方向行進波最佳驅動參數 105
6.3.1 x方向驅動訊號不同相位差與電壓比的貢獻與影響 106
6.3.2 x方向行進波方向控制與最佳化行進波 117
6.4 以希爾伯特轉換與複數平面虛部差值設計y方向行進波之最佳驅動參數 117
6.4.1 y方向驅動訊號不同相位差與電壓比的貢獻與影響 118
6.4.2 y方向行進波方向控制與最佳化行進波 133
6.5 驅動支腳不同位置之擺動軌跡 134
第7章 有限元素模擬分析 136
7.1 有限元素模型之建立與參數設定 136
7.2 結構模態分析 138
7.3 驅動訊號相位補償分析 138
7.3.1 x方向驅動參數相位補償 139
7.3.2 y方向驅動參數相位補償 141
7.4 驅動訊號振幅補償分析 144
7.4.1 x方向驅動參數振幅補償 144
7.4.2 y方向驅動參數振幅補償 146
7.5 x方向行進波模擬驗證 148
7.5.1 不同相位差及電壓比的貢獻與影響模擬驗證 149
7.5.2 最佳化行進波之模擬驗證 159
7.6 y方向行進波模擬驗證 160
7.6.1 不同相位差及電壓比的貢獻與影響模擬驗證 161
7.6.2 最佳化行進波之模擬驗證 171
第8章 二維壓電致動器之實驗結果與討論 173
8.1 二維壓電致動器之實驗架設 173
8.2 二維壓電致動器之共振頻量測 174
8.3 等效材料參數 175
8.4 驅動訊號相位補償分析 176
8.4.1 x方向驅動參數相位補償 176
8.4.2 y方向驅動參數相位補償 179
8.5 驅動訊號振幅補償分析 181
8.5.1 x方向驅動參數振幅補償 181
8.5.2 y方向驅動參數振幅補償 183
8.6 x方向行進波實驗驗證 185
8.6.1 不同相位差及電壓比的貢獻與影響實驗驗證 186
8.6.2 最佳化行進波之實驗驗證 196
8.7 二維壓電致動器驅動x方向行進波實驗 197
8.7.1 x方向行進波圓盤實驗轉動角速度比較 198
8.7.2 x方向行進波自走實驗轉動角速度比較 211
8.7.3 x方向行進波之不同腳位自走轉動效果比較 222
8.7.4 x方向行進波之驅動參數容許差 223
8.7.5 x方向行進波之步階驅動實驗 224
8.8 y方向行進波實驗驗證 226
8.8.1 不同相位差及電壓比的貢獻與影響實驗驗證 227
8.8.2 最佳化行進波之實驗驗證 237
8.9 二維壓電致動器驅動y方向行進波實驗. 238
8.9.1 y方向行進波圓盤實驗轉動角速度比較 239
8.9.2 y方向行進波自走實驗轉動角速度比較 251
8.9.3 y方向行進波不同腳位之轉動效果比較 256
8.9.4 y方向行進波之驅動參數容許差 257
8.9.5 y方向行進波之步階驅動實驗 258
第9章 結果與未來展望 260
9.1 結論 260
9.2 未來展望 260
-
dc.language.isozh_TW-
dc.title以希爾伯特轉換最佳化之自走式壓電行進波旋轉致動器zh_TW
dc.titleOptimization of Self-propelling Rotary Piezoelectric Actuator Driven by Traveling Waves Using the Hilbert Transformen
dc.typeThesis-
dc.date.schoolyear111-1-
dc.description.degree碩士-
dc.contributor.coadvisor吳光鐘;許聿翔zh_TW
dc.contributor.coadvisorKuang-Chong Wu;Yu-Hsiang Hsuen
dc.contributor.oralexamcommittee謝志文;柯文清zh_TW
dc.contributor.oralexamcommitteeChih-Wen Hsieh;Wen-Ching Koen
dc.subject.keyword壓電致動器,行進波,整數倍頻驅動,希爾伯特轉換,zh_TW
dc.subject.keywordpiezoelectric actuator,traveling wave,two-integer-frequency-two-mode,Hilbert transform,en
dc.relation.page263-
dc.identifier.doi10.6342/NTU202300449-
dc.rights.note同意授權(限校園內公開)-
dc.date.accepted2023-02-15-
dc.contributor.author-college工學院-
dc.contributor.author-dept應用力學研究所-
dc.date.embargo-lift2025-03-31-
顯示於系所單位:應用力學研究所

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