一种IPMC驱动器等效电路模型及其参数辨识方法

本发明涉及等效电路模型，具体涉及一种ipmc驱动器等效电路模型及其参数辨识方法。

背景技术：

1、ipmc(ionic polymer metal composites)在人工智能、军事装备、医药器械和仿生设备等领域具有极大的应用前景，是当今学术界科研热门领域之一。为了准确预测ipmc在特定电压下的变形性能，首先需要解决的就是采用等效电路模型准确描述ipmc在特定电压下的电学性能

2、现有一些电路模型充分考虑了ipmc的电容特性，并在电路中设置了电容元件，但这些模型并没有涉及离子电流。由于内部水合阳离子的运动是导致ipmc弯曲变形的根本原因，所以这种模型存在很大的误差。有些模型是线性电路模型，只适合于低电压(低于1-1.5v)驱动。这是因为ipmc在高电压(1-1.5v以上)下，具有非线性特性，这些线性电路模型有很大的误差，已不再适用。分布式电路模型虽然精确但是过于复杂，难以获得分析解。此外，ipmc的基膜是一种介电材料，必然具有泄漏电阻，在ipmc的电致动过程中一定会有漏电流。然而以前的等效电路模型中没有涉及泄漏电流，这也是目前电路模型误差较大的重要原因。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种简单易求、高准确度的考虑泄漏电流的ipmc驱动器等效电路模型，该等效电路模型具有更高的准确度。

2、本发明为达到上述目的，具体通过以下技术方案得以实现的：

3、一种ipmc驱动器等效电路模型，该电路模型包括并联的离子电流支路(a)、位移电流支路(b)、电子电流支路(c)和泄漏电流支路(d)；

4、离子电流支路(a)由串联的迁移等效电阻(r1)、迁移等效电容(c1)和迁移等效电感(l)构成；

5、位移电流支路(b)由串联的电极层等效电阻(r2)和电极等效电容(c2)构成；

6、电子电流支路(c)由串联的第一等效二极管(d1)、第二等效二极管(d2)、电极层等效电阻(r2)和电子运动等效电阻(r3)组成，第一等效二极管(d1)、第二等效二极管(d2)反向并联后两端分别与电极层等效电阻(r2)和电子运动等效电阻(r3)串联；

7、泄漏电流支路(d)由串联的泄漏等效电阻(r4)和电极层等效电阻(r2)构成。

8、进一步地，所述ipmc驱动器为将mwcnt沉积在ag/多孔nafion基膜ipmc表面制备的mapn-ipmc；所述mapn-ipmc由阴极mwcnt-ag复合电极层、多孔nafion膜基膜层和阳极mwcnt-ag复合电极层，多孔nafion膜基膜层与两侧电极层之间具有多孔nafion膜交界层。

9、本发明还提供一种上述任一所述的ipmc驱动器等效电路模型的参数辨识方法，该方法包括以下步骤：

10、(1)计算得该ipmc驱动器的总电流响应表达式；

11、(2)将总电流响应表达式导入1stopt软件，与该ipmc驱动器的实验电流数据进行拟合，得到总电流响应表达式的电流参数值；

12、(3)计算得总电流的频域表达式，并与总电流响应表达式进行比较，得出该等效电路模型中各元件参数的值。

13、进一步地，步骤(1)中，计算得该等效电路的总电流响应表达式为：

14、

15、将a支路的电流ia(t)表示为b支路的电流ib(t)表示为c支路和d支路的电流之和ic(t)+id(t)表示为β3，式(1)化简为：

16、

17、当始态t＝0及稳态t＝∞时，得出β2和β3的数值。

18、步骤(2)中，将式(2)导入1stopt软件，与该ipmc驱动器的实验电流数据进行拟合，得到总电流响应表达式中参数β1、β2、β3、λ1、λ2、λ3的值；

19、步骤(3)中，计算得该等效电路的总电流频域表达式为：

20、

21、步骤(4)中，将式(1)总电流响应表达式进行拉普拉斯变换并导纳得：

22、

23、由式(3)和式(4)得出该等效电路模型中r1、r2、r3、r4、c1、c2、l各元件参数的值。

24、与现有技术相比，本发明根据ipmc电致动机理、内部水合阳离子运动特点和电极、基膜结构特征，确定了包含泄漏电流在内的ipmc内部电流种类，建立了一种考虑泄漏电流的等效电路模型，通过不同驱动电压幅值、不同驱动电压频率和阶跃电压下的ipmc实际电学数据验证了等效电路模型的合理性，数学推导求出模型各元件参数值并通过实验验证了等效电路模型的准确性。本发明考虑泄漏电流等效电路模型模拟值与实测电流值的r2高于未考虑泄漏电流等效电路模型模拟值，表明前者具有更好的拟合优度，前者更加接近于实测电流值，说明考虑泄漏电流等效电路模型具有更高的准确度，模型更贴近实际，具有更好的应用前景。

技术特征：

1.一种ipmc驱动器等效电路模型，其特征在于，该电路模型包括并联的离子电流支路(a)、位移电流支路(b)、电子电流支路(c)和泄漏电流支路(d)；

2.根据权利要求1所述的ipmc驱动器等效电路模型，其特征在于，所述ipmc驱动器为将mwcnt沉积在ag/多孔nafion基膜ipmc表面制备的mapn-ipmc；所述mapn-ipmc由阴极mwcnt-ag复合电极层、多孔nafion膜基膜层和阳极mwcnt-ag复合电极层，多孔nafion膜基膜层与两侧电极层之间具有多孔nafion膜交界层。

3.一种权利要求1或2所述的ipmc驱动器等效电路模型的参数辨识方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的ipmc驱动器等效电路模型的参数辨识方法，其特征在于，步骤(1)中，计算得该等效电路的总电流响应表达式为：

技术总结
本发明公开了一种IPMC驱动器等效电路模型，该电路模型包括并联的离子电流支路(a)、位移电流支路(b)、电子电流支路(c)和泄漏电流支路(d)；离子电流支路(a)由串联的迁移等效电阻(R<subgt;1</subgt;)、迁移等效电容(C<subgt;1</subgt;)和迁移等效电感(L)构成；泄漏电流支路(d)由串联的泄漏等效电阻(R<subgt;4</subgt;)和电极层等效电阻(R<subgt;2</subgt;)构成。本发明考虑泄漏电流等效电路模型模拟值与实测电流值的R<supgt;2</supgt;高于未考虑泄漏电流等效电路模型模拟值，表明前者具有更好的拟合优度，前者更加接近于实测电流值，说明考虑泄漏电流等效电路模型具有更高的准确度，模型更贴近实际，具有更好的应用前景。

技术研发人员：梁博,郭慧新
受保护的技术使用者：江苏工程职业技术学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13