EAP機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)*

劉志運(yùn)

(廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)車(chē)車(chē)輛學(xué)院，廣東 廣州 510430)

0 引 言

EAP(Electroactive polymer，電活性聚合物)作為一種新型的壓電材料，其自身具有的特性如下：①EAP材料具有較大應(yīng)變變形量，常見(jiàn)的電磁材料、單晶陶瓷(PZN-PT)應(yīng)變變形量分別僅為50%、1.7%，而EAP中的丙烯酸材料最大臨界值可達(dá)600%；②發(fā)電能量比巨大，能量比大于壓電材料中具有最優(yōu)性能的單晶陶瓷，理論上該材料的比能量密度為1.5 J/g；③材料自身具有耐沖擊、材料密度低、柔順性好、成本低等特點(diǎn)[1-2]；④無(wú)需中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，可與能量源直接耦合，耦合效率90%。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，該材料受到不少?lài)?guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，并將其應(yīng)用在航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生和機(jī)器人等方面，開(kāi)展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。近幾年，電活性聚合物因其獨(dú)特的電性能和機(jī)械性能引起人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注[3]。

當(dāng)前能源危急，可以利用EAP材料的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)環(huán)境中的機(jī)械能量收集利用，EAP機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的影響因素還有待進(jìn)一步研究。為了分析EAP機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的影響因素，筆者針對(duì)需求制定EAP機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)方案，對(duì)實(shí)驗(yàn)方案中的伺服電動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)速度、位移、循環(huán)次數(shù)等參數(shù)進(jìn)行精確調(diào)整，對(duì)電壓變化、電容值變化、拉伸過(guò)程中材料自身張力變化等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集[4]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)達(dá)到了實(shí)驗(yàn)裝置各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)時(shí)采集，使測(cè)試結(jié)果更加精確、形象、直觀，對(duì)EAP機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能影響因素的理論分析有著重要的參考意義。

1 EAP的發(fā)電機(jī)理

EAP是一種新型電致感應(yīng)智能材料，是在丙烯酸、硅樹(shù)脂等彈性體材料基質(zhì)的上下表面滲入屈從電極材料而形成的，是一種基于麥克斯韋效應(yīng)的材料[5]。EAP材料具有驅(qū)動(dòng)和發(fā)電兩種工作模式。EAP也可以進(jìn)行多種形式的發(fā)電過(guò)程，其中最簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)的是利用恒定電荷。EAP機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能方式與壓電材料相似，而發(fā)電機(jī)理卻有本質(zhì)的不同，該材料的發(fā)電原理如圖1所示。EAP發(fā)電原理：從宏觀上，EAP拉伸過(guò)程中，隨著彈性體材料薄膜面積不斷增大，電容也隨之增大，此時(shí)電荷注入到彈性體薄膜電極上，如圖1(a)所示；當(dāng)EAP受力緊縮弛豫時(shí)，隨著彈性體材料薄膜面積就會(huì)縮小至初始狀態(tài)，彈性體材料電容也就逐漸變小，而在彈性體材料電容由大變小的過(guò)程中，彈性體材料的彈性應(yīng)力抵抗電場(chǎng)力，從而提高了電能，如圖1(b)所示。從微觀上，在EAP薄膜緊縮弛豫時(shí)，彈性體材料薄膜厚度增加，異性電荷在此過(guò)程中被推離，而同性電荷則被壓縮靠近，此時(shí)彈性體材料的電荷電壓就被提高了。

圖1 EAP發(fā)電原理

2 EAP發(fā)電實(shí)驗(yàn)方案及原理

如圖2所示為EAP機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的實(shí)驗(yàn)總體方案，實(shí)驗(yàn)設(shè)備安裝在固定工作臺(tái)上，EAP左側(cè)與固定板連接，右側(cè)與拉力傳感器連接，而拉力傳感器則與伺服電動(dòng)缸相連接，工作臺(tái)上固定伺服電動(dòng)缸，與此同時(shí)，直流偏置高壓電源連接EAP前后兩電極。電容測(cè)試儀與EAP上下兩表面的電極分別連接，PC機(jī)連接電容測(cè)試儀，在EAP材料拉伸過(guò)程中，當(dāng)EAP處于不帶電狀態(tài)下材料電容變化值會(huì)時(shí)時(shí)采集。拉力傳感器與放大器連接，放大器一端需要開(kāi)關(guān)電源提供5V 電壓，一端與USB數(shù)據(jù)采集器連接，數(shù)據(jù)采集器直接與PC連接。伺服電動(dòng)缸與伺服驅(qū)動(dòng)器連接，P62轉(zhuǎn)接板、開(kāi)關(guān)電源與伺服驅(qū)動(dòng)器連接，運(yùn)動(dòng)控制卡與P62轉(zhuǎn)接板連接，運(yùn)動(dòng)卡與PC機(jī)連接，最終通過(guò)VB程序?qū)λ欧妱?dòng)缸進(jìn)行控制。

圖2 EAP機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的實(shí)驗(yàn)總體方案

根據(jù)EAP機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的實(shí)驗(yàn)總體方案設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)伺服電動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)速度、位移、循環(huán)次數(shù)進(jìn)行控制，同時(shí)還需要采集EAP機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能過(guò)程中彈性體薄膜上下兩表面電壓的變化，電容值變化，拉伸過(guò)程中材料自身張力變化等?；谝陨弦?，為及時(shí)設(shè)置實(shí)驗(yàn)裝置各項(xiàng)參數(shù)，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)臺(tái)軟件部分設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，以精確調(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置各項(xiàng)參數(shù)，通過(guò)VB程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，把相關(guān)參數(shù)通過(guò)VB窗口顯示，使測(cè)試結(jié)果更加形象直觀[6]。

3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)軟件部分設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

3.1 單軸數(shù)字式伺服控制系統(tǒng)

伺服電動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)過(guò)程是通過(guò)脈沖和方向信號(hào)進(jìn)行控制的，可以用MPC08卡來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)系統(tǒng)的控制[7]。MPC08與伺服系統(tǒng)之間的連接方法，以單軸伺服控制系統(tǒng)為例簡(jiǎn)要說(shuō)明。系統(tǒng)所需配置如下。

(1) 使用MPC08控制卡。

(2) 單軸數(shù)字式伺服控制系統(tǒng)：可以采用松下MINAS A4系列全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)任意型號(hào)。

(3) 使用24DCV(1A)，5DCV(1A)直流開(kāi)關(guān)電源。

控制電路的接線圖如圖3所示。

圖3 接線圖

3.2 基于VB運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

利用 MPC08的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)，基于Windows系統(tǒng)開(kāi)發(fā)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。選用的開(kāi)發(fā)工具應(yīng)支持Windows標(biāo)準(zhǔn)的32位DLL調(diào)用，使用的MPC08 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)是標(biāo)準(zhǔn)的 Windows 32 位動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。以下是基于Windows 系統(tǒng)下利用Microsoft Visual Basic工具開(kāi)發(fā)運(yùn)動(dòng)控制程序[8]。

基于EAP機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的總體方案，用戶(hù)可以通過(guò)Windows系統(tǒng)，使用VB5.0以上版本，設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)VB控制程序。

根據(jù)VB教材編寫(xiě)界面程序，其中包含按鈕、對(duì)話框以及菜單等編寫(xiě)。對(duì)于熟悉MPC08運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)和VB的開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，一個(gè)由命令按鈕和輸入框組成的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)程序，可以在短時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)出來(lái)。

函數(shù)聲明和函數(shù)調(diào)用是在 VB 中的調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)中進(jìn)行。

函數(shù)聲明，MPC08.bas文件中包含了每一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)中函數(shù)在 VB 中的聲明，用戶(hù)只需要將該文件添加進(jìn)VB工程中即可，該文件可在MPC08 板卡應(yīng)用程序安裝目錄“MPC08SPDevelopVB”文件夾下找到。

在對(duì)函數(shù)進(jìn)行調(diào)用過(guò)程中，若要得到函數(shù)的返回值，則按如下方法調(diào)用：

Dim rtn As Long

rtn=con_pmove(1，2000)

如果調(diào)用函數(shù)的返回值為空或不需要返回值，則按如下方法調(diào)用：

Call con_pmove(1,2000)或con_pmove1，2000

在函數(shù)描述中所有l(wèi)ong型和int型參數(shù)及返回值都采用Long 型數(shù)據(jù)類(lèi)型，而在傳遞的參數(shù)數(shù)據(jù)類(lèi)型及接收返回值的變量類(lèi)型應(yīng)與函數(shù)聲明數(shù)據(jù)類(lèi)型一致。同時(shí)，F(xiàn)orm1作為默認(rèn)設(shè)計(jì)窗體，可編寫(xiě)程序代碼，圖4所示為VB的編程窗口。

圖4 VB的編程窗口

EAP機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能實(shí)驗(yàn)所需考慮物理量有：伺服電動(dòng)缸來(lái)回拉伸長(zhǎng)度、伺服電動(dòng)缸來(lái)回拉伸次數(shù)、伺服電動(dòng)缸拉伸速度等。根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案所需的物理量，依據(jù)VB編程工具來(lái)設(shè)計(jì)程序，VB程序手動(dòng)參數(shù)輸入界面如圖5所示。每次在做實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，不僅需要對(duì)實(shí)驗(yàn)的電壓、電容、張力、位移等參數(shù)進(jìn)行置零，還要對(duì)電壓、電容、張力、位移等參數(shù)靈敏度進(jìn)行設(shè)置，利用VB工具來(lái)設(shè)計(jì)程序，界面如圖6所示。

圖5 VB參數(shù)設(shè)置 圖6 參數(shù)靈敏度設(shè)置

同時(shí)，也可以通過(guò)VB程序開(kāi)發(fā)手動(dòng)設(shè)置程序，手動(dòng)輸入伺服電動(dòng)缸主軸運(yùn)動(dòng)的速度參數(shù)、位移，界面如圖7所示。

圖7 VB手動(dòng)輸入?yún)?shù) 圖8 實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作界面

由基于EAP機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能實(shí)驗(yàn)裝置方案可知，使用VB程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)各參數(shù)進(jìn)行設(shè)置并在VB窗口中顯示，可以使測(cè)試的結(jié)果更加形象直觀，工作界面如圖8所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，為了分析EAP機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的影響因素，需要對(duì)伺服電動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)速度、位移、循環(huán)次數(shù)進(jìn)行控制，同時(shí)還需要采集EAP機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能過(guò)程中彈性體薄膜上下兩表面電壓的變化，電容值變化，拉伸過(guò)程中材料自身張力變化等。根據(jù)EAP機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的實(shí)驗(yàn)要求，利用VB程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)EAP機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，通過(guò)VB界面可以實(shí)現(xiàn)EAP拉伸速度、拉伸長(zhǎng)度以及拉伸循環(huán)次數(shù)控制、電容變化數(shù)據(jù)采集、彈性薄膜表面張力數(shù)據(jù)收集等，從而為后續(xù)EAP機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的影響因素實(shí)驗(yàn)研究提供支持。