什么是压电促动器

24.05.23

为什么闭环控制很重要？

毫无疑问，压电促动器依赖于压电效应。 这一现象最初是由两位法国科学家—— Jacques和Pierre Curie兄弟——在1880年发现的。他们发现，如果对石英晶体施加机械力，就会产生电流。仅仅一年后，继科学家Gabriel Lippman的理论研究之后，兄弟俩也证明了逆压电效应的存在，即施加到晶体上的电场会致其物理变形。

此现象依赖于石英和陶瓷等材料的独特晶体结构，这些材料具有非中心对称晶格结构（即原子结构不包含对称的反转中心，每个中心点的两侧结构相同）。实际上，这意味着带正电荷和带负电荷的原子的排列在整个晶体中是不均匀分布的，但在这种情况下，材料通常具有电中性平衡。

然而，当对晶体施加机械应力或应变时，其结构就会变形。因此，这一操作可有效地将原子推近或分开，改变电平衡并释放净电荷。

逆压电效应

相反，当电荷施加在晶体上时，本质上会产生“电压力”。 这迫使原子移动以重新平衡其结构，晶体的大小会因此产生微小的变化。

我们在纳米驱动系统中利用的正是这种逆压电效应。这些使用专门开发的PZT陶瓷元件stack，与导电电极交错，作为每个促动器的驱动机构。

利用压电效应的纳米定位系统的独特之处是系统能够精确地预测和控制每个驱动器的运动程度。不幸的是，压电材料通常会在径向上收缩，而在轴向上膨胀，由于材料成分和极化不均匀性等因素，后者在每个压电元件上并不总是均匀的。随着压电元件的膨胀，这种不均匀性会产生某种开塞钻效应，导致每个stack的末端扭曲和倾斜。

此外，压电促动器通常会产生非线性响应，可能受到温度波动的影响，引起高水平的迟滞和长期漂移，所有这些都会对精度和可重复性产生不利影响。

闭环精度和控制

好消息是，上述影响都可以通过精心设计和制造来克服。 例如，精密设计的柔性铰链可用于保持和引导压电元件的膨胀和收缩，而先进的电容反馈定位传感器和伺服装置能够以亚纳米分辨率实时测量和控制每个促动器的位置和运动。

采用闭环控制至关重要。可精确地检测到每个促动器的实际位置，并与输入信号进行比较，然后微调以补偿差异，具有快速响应率和较短整定时间，只需几毫秒即可测量。

纳米驱动系统的闭环控制还可以解决非线性、温度波动、迟滞和漂移相关的问题。

压电促动器的优点

如上所述，尽管压电促动器有其局限性，但可以通过闭环控制轻松克服。有了这一点，压电促动器的诸多其他优势就可以在定位系统中得到充分利用。这些优势包括极其紧凑的结构，高刚度、低功耗以及出色的动态范围。

但优势并不止于此！ 闭环控制的压电促动器还具有高阻塞力的潜力 – 或防止设备因外力过大而被锁定位置的能力 – 而其非磁性特性和对极端环境的适用性，使其成为低温或真空应用的理想选择。

例如，我们的NPS-Z促动器能够在整个行程范围内移动高达500kg的负载，阻断力为35,000N，同时具有亚纳米分辨率，滞后小于0.002%，线性误差优于0.01%。

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外部链接

了解更多关于Jacques和Pierre Currie的信息：https://www.aps.org/publications/apsnews/201403/physicshistory.cfm