EAP機械能轉化為電能實驗臺系統軟件設計與開發*

劉志運

(廣州鐵路職業技術學院 機車車輛學院，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材料具有較大應變變形量，常見的電磁材料、單晶陶瓷(PZN-PT)應變變形量分別僅為50%、1.7%，而EAP中的丙烯酸材料最大臨界值可達600%；②發電能量比巨大，能量比大于壓電材料中具有最優性能的單晶陶瓷，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[1-2]；④無需中間轉換環節，可與能量源直接耦合，耦合效率90%。自20世紀90年代以來，該材料受到不少國內外學者的關注，并將其應用在航空航天、醫療衛生和機器人等方面，開展了相關的實驗研究。近幾年，電活性聚合物因其獨特的電性能和機械性能引起人們越來越多的關注[3]。

當前能源危急，可以利用EAP材料的機械能轉化為電能，實現環境中的機械能量收集利用，EAP機械能轉化為電能的影響因素還有待進一步研究。為了分析EAP機械能轉化為電能的影響因素，筆者針對需求制定EAP機械能轉化為電能實驗臺系統軟件的設計與開發方案，對實驗方案中的伺服電動缸的運動速度、位移、循環次數等參數進行精確調整，對電壓變化、電容值變化、拉伸過程中材料自身張力變化等數據進行實時采集[4]。通過實驗裝置軟件設計與開發達到了實驗裝置各項參數設置以及實驗結果實時采集，使測試結果更加精確、形象、直觀，對EAP機械能轉化為電能影響因素的理論分析有著重要的參考意義。

1 EAP的發電機理

EAP是一種新型電致感應智能材料，是在丙烯酸、硅樹脂等彈性體材料基質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的材料[5]。EAP材料具有驅動和發電兩種工作模式。EAP也可以進行多種形式的發電過程，其中最簡單且易實現的是利用恒定電荷。EAP機械能轉化為電能方式與壓電材料相似，而發電機理卻有本質的不同，該材料的發電原理如圖1所示。EAP發電原理：從宏觀上，EAP拉伸過程中，隨著彈性體材料薄膜面積不斷增大，電容也隨之增大，此時電荷注入到彈性體薄膜電極上，如圖1(a)所示；當EAP受力緊縮弛豫時，隨著彈性體材料薄膜面積就會縮小至初始狀態，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程中，彈性體材料的彈性應力抵抗電場力，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，彈性體材料薄膜厚度增加，異性電荷在此過程中被推離，而同性電荷則被壓縮靠近，此時彈性體材料的電荷電壓就被提高了。

圖1 EAP發電原理

2 EAP發電實驗方案及原理

如圖2所示為EAP機械能轉化為電能的實驗總體方案，實驗設備安裝在固定工作臺上，EAP左側與固定板連接，右側與拉力傳感器連接，而拉力傳感器則與伺服電動缸相連接，工作臺上固定伺服電動缸，與此同時，直流偏置高壓電源連接EAP前后兩電極。電容測試儀與EAP上下兩表面的電極分別連接，PC機連接電容測試儀，在EAP材料拉伸過程中，當EAP處于不帶電狀態下材料電容變化值會時時采集。拉力傳感器與放大器連接，放大器一端需要開關電源提供5V 電壓，一端與USB數據采集器連接，數據采集器直接與PC連接。伺服電動缸與伺服驅動器連接，P62轉接板、開關電源與伺服驅動器連接，運動控制卡與P62轉接板連接，運動卡與PC機連接，最終通過VB程序對伺服電動缸進行控制。

圖2 EAP機械能轉化為電能的實驗總體方案

根據EAP機械能轉化為電能的實驗總體方案設計要求，需要對伺服電動缸的運動速度、位移、循環次數進行控制，同時還需要采集EAP機械能轉化為電能過程中彈性體薄膜上下兩表面電壓的變化，電容值變化，拉伸過程中材料自身張力變化等。基于以上要求，為及時設置實驗裝置各項參數，需要進行實驗臺軟件部分設計與開發，以精確調整實驗裝置各項參數，通過VB程序進行設計，把相關參數通過VB窗口顯示，使測試結果更加形象直觀[6]。

3 實驗臺軟件部分設計與開發

3.1 單軸數字式伺服控制系統

伺服電動缸運動過程是通過脈沖和方向信號進行控制的，可以用MPC08卡來實現對伺服電機系統的控制[7]。MPC08與伺服系統之間的連接方法，以單軸伺服控制系統為例簡要說明。系統所需配置如下。

(1) 使用MPC08控制卡。

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

(3) 使用24DCV(1A)，5DCV(1A)直流開關電源。

控制電路的接線圖如圖3所示。

圖3 接線圖

3.2 基于VB運動控制系統的開發

利用 MPC08的動態鏈接庫(DLL)，基于Windows系統開發運動控制系統。選用的開發工具應支持Windows標準的32位DLL調用，使用的MPC08 動態鏈接庫是標準的 Windows 32 位動態鏈接庫。以下是基于Windows 系統下利用Microsoft Visual Basic工具開發運動控制程序[8]。

基于EAP機械能轉化為電能的總體方案，用戶可以通過Windows系統，使用VB5.0以上版本，設計與開發VB控制程序。

根據VB教材編寫界面程序，其中包含按鈕、對話框以及菜單等編寫。對于熟悉MPC08運動函數庫和VB的開發者來說，一個由命令按鈕和輸入框組成的簡單運動程序，可以在短時間內開發出來。

函數聲明和函數調用是在 VB 中的調用動態鏈接庫(DLL)中進行。

函數聲明，MPC08.bas文件中包含了每一個動態鏈接庫(DLL)中函數在 VB 中的聲明，用戶只需要將該文件添加進VB工程中即可，該文件可在MPC08 板卡應用程序安裝目錄“MPC08SPDevelopVB”文件夾下找到。

在對函數進行調用過程中，若要得到函數的返回值，則按如下方法調用：

Dim rtn As Long

rtn=con_pmove(1，2000)

如果調用函數的返回值為空或不需要返回值，則按如下方法調用：

Call con_pmove(1,2000)或con_pmove1，2000

在函數描述中所有long型和int型參數及返回值都采用Long 型數據類型，而在傳遞的參數數據類型及接收返回值的變量類型應與函數聲明數據類型一致。同時，Form1作為默認設計窗體，可編寫程序代碼，圖4所示為VB的編程窗口。

圖4 VB的編程窗口

EAP機械能轉化為電能實驗所需考慮物理量有：伺服電動缸來回拉伸長度、伺服電動缸來回拉伸次數、伺服電動缸拉伸速度等。根據實驗方案所需的物理量，依據VB編程工具來設計程序，VB程序手動參數輸入界面如圖5所示。每次在做實驗的同時，不僅需要對實驗的電壓、電容、張力、位移等參數進行置零，還要對電壓、電容、張力、位移等參數靈敏度進行設置，利用VB工具來設計程序，界面如圖6所示。

圖5 VB參數設置 圖6 參數靈敏度設置

同時，也可以通過VB程序開發手動設置程序，手動輸入伺服電動缸主軸運動的速度參數、位移，界面如圖7所示。

圖7 VB手動輸入參數 圖8 實驗臺工作界面

由基于EAP機械能轉化為電能實驗裝置方案可知，使用VB程序進行設計，對各參數進行設置并在VB窗口中顯示，可以使測試的結果更加形象直觀，工作界面如圖8所示。

4 結 語

綜上所述，為了分析EAP機械能轉化為電能的影響因素，需要對伺服電動缸的運動速度、位移、循環次數進行控制，同時還需要采集EAP機械能轉化為電能過程中彈性體薄膜上下兩表面電壓的變化，電容值變化，拉伸過程中材料自身張力變化等。根據EAP機械能轉化為電能的實驗要求，利用VB程序實現對EAP機械能轉化為電能實驗平臺軟件的設計與開發，通過VB界面可以實現EAP拉伸速度、拉伸長度以及拉伸循環次數控制、電容變化數據采集、彈性薄膜表面張力數據收集等，從而為后續EAP機械能轉化為電能的影響因素實驗研究提供支持。