压电陶瓷促动器的电气操作

工作电压

PI Ceramic提供多种层厚度不同的压电陶瓷促动器,PICMA®弯曲元促动器的额定工作电压为60V,而PICA促动器可达1000V。

电气行为

当工作频率远远低于谐振频率时,压电陶瓷促动器就像一个电容器。促动器的位移与存储电荷近似成正比。促动器的电容由陶瓷的面积和厚度以及材料属性决定。对于由几个电气并联的陶瓷层构成的促动器,电容还取决于层数。由于内阻较高,这些促动器中存在μA范围或更小的泄漏电流损失。


电容值

技术数据表中列出的促动器电容值都是小信号值,即在1V、1000Hz、20°C和空载的情况下测得的值。压电陶瓷的电容随电压振幅、温度和机械负载的变化而变化,可高达空载、小信号和室温值的200%。 对于大信号条件下的计算,在小信号电容上添加一个70%的安全系数通常足以(图2)。

当促动器的长度固定为l且n ≈ l/hL时,以下说法成立:

C电容[F]
n促动器中陶瓷层的数量
ε33T介电常数=ε330 [As/Vm]
A促动器的截面积[m²]
hL促动器中的层厚度[m]
l促动器长度[m]
P转换成热量的能量[W]
V压电促动器上的电压[V]
Vpp压电电压(峰间值)[V]

促动器的小信号电容C的估算可同电容器。

相应地,与相同体积、层厚度为500µm的PICA堆叠型促动器相比,层厚度为60µm的PICMA®堆叠型促动器的电容高约70倍。由于工作电压的变化与陶瓷层厚度成正比且基于P ~ C V2关系,两种促动器的电力消耗量P大致相同。


静态操作和低动态下的定位

压电陶瓷促动器带电时,其中存储的能量约为E = 0.5 CV2。电荷的改变(也即位移的改变)都与电荷传输相关,电荷传输需要如下电流I:

缓慢的位置变化仅需一个较小的电流。保持某位置时,即使在高负载的情况下也只需补偿很小的泄漏电流,能量功耗相应也低。即使电源突然断开,带电促动器也不会突然移动。放电和归零将连续而缓慢地进行。

I电流[A]
Q电荷[C,As]
t时间[s]
C电容[F]
V

压电陶瓷促动器上的电压[V]

 

带位置控制的操作

闭环运行中,系统相位和振幅响应也会限制最大安全操作频率。经验法则:机械系统的共振频率越高,可设置的控制带宽越大。传感器带宽和控制器性能(数字或模拟、滤波器和控制器类型、带宽)也会限制定位系统的工作带宽。


动态操作

压电陶瓷促动器的能量功耗

动态应用中,促动器的功耗随频率和促动器电容的增大呈线性增加。负载能力约为100N的紧凑型压电陶瓷促动器在频率为1000Hz、行程为10μm时需要不到10W的无功功率,而相同的条件下,高负载促动器(>负载为10kN)则需要几百瓦特。

压电陶瓷元件在动态操作中热量的产生

压电陶瓷促动器就像电容性负载,其充电和放电电流随工作频率的增大而增大。促动器中产生的热有功功率P可估算如下:

对于小信号条件下的压电陶瓷促动器,损失率在0.01至0.02的数量级上,即流经促动器的电能有2%转化成了热量。在大信号条件的情况下,这个值可能会更大(图3)。因此,最高工作频率也取决于允许工作温度。频率和电压振幅很大时,必须采取冷却措施。针对这些应用,PI Ceramic还可提供带集成温度传感器的压电陶瓷促动器,该传感器用于检测陶瓷温度。

P转换成热量的能量[W]
tan δ介质损失率(有效功率与无功功率的比率)
f工作频率[Hz]
C促动器电容[F]
Vpp压电电压(峰间值)[V]
Epp电场强度(峰间值)[kV/mm]

>>数据表的技术参数中列出了各种PI压电放大器的平均电流、峰值电流以及小信号带宽。

介质损失率

图3中列出了室温和准静态控制下不同材料和控制模式的介质损失率tanδ。特定促动器电压和场强之间的转换通过层厚度实现。组件中的实际损失率取决于机械预载、温度、控制频率和无源材料的数量等其他一些因素。

连续动态操作

压电放大器必须满足一些最低要求才能在预期动力下操作压电陶瓷促动器。为了确定这些需求,放大器的输出电流、压电陶瓷促动器的工作电压以及工作频率之间的关系必须予以考虑。

三角波驱动

利用对称三角波驱动压电陶瓷促动器时,放大器的平均电流和峰值电流都是相关参数。放大器的最大工作频率可估算如下:

另一个次要约束条件是充电时间内(即周期的一半),放大器必须至少能够输送Imax = 2 Ia,否则应适当降低最高工作频率。对于不能输送更高峰值电流或无法维持足够长时间输送的放大器,按下列方程计算:

正弦变化的驱动

数据表中规定的放大器的有效或平均电流Ia是正弦波连续操作的关键参数。指定的环境条件下,平均电流的值得以保证,且无时间限制。

以下公式适用于仅短时间输送的正弦单脉冲:

上述方程可用于计算半波所需的峰值电流。放大器输送峰值电流的时间不得小于半个周期。对于重复单脉冲,峰值电流的时间平均值不得超过允许平均电流。

Ia放大器的平均电流(源/汇)[A]
Imax放大器的峰值电流(源/汇)[A]
f工作频率[Hz]
C促动器电容[F]
Vpp压电电压(峰间值)[V]

信号形状和带宽

除了估算压电放大器的功率外,为所有偏离正弦形状的信号形状确定小信号带宽也很重要。 控制信号的谐波传输得越少,产生的形状会更多地回归主波的形状,即正弦形状。因此,带宽应比基本频率大至少十倍,以防止未传输的谐波造成信号偏移。 实际上,限制机械压电系统能够作出回应的可用频率部分的是机械谐振频率,因而电气控制信号无需包含更高频率部分。


脉冲模式和切换应用

压电陶瓷促动器的最快位移可在其1/3的谐振频率周期内发生。压电陶瓷放大器输送特别高的峰值电流时,促动器可实现微秒级的响应时间和超10000g的加速度,这使得喷射阀、液压阀、切换继电器、光开关和自适应光学系统等快速切换应用成为可能。 对于恒电流充电过程,脉冲模式操作中的最短上升时间可按以下公式确定:

放大器的小信号带宽如之前一样至关重要。为了使放大器不对位移有所限制,放大器的上升时间必须明显短于压电响应时间。实际上,根据经验法则,放大器的带宽应比谐振频率大两到三倍。

切换应用中位置控制的优缺点

闭环控制器通常在电压和电流的线性控制范围内运行。由于仅存在于有限的时间中,峰值电流呈现出非线性特征,不能用于对控制参数进行稳定选择。正因如此,位置控制将限制带宽,且不能用于上述脉冲模式操作。 切换应用中,利用位置控制可能达不到必要的位置稳定性与线性,而通过充电控制放大器或数值校正法等可以实现线性化。

t在压电陶瓷促动器上施加Vpp所需的时间[s]
C促动器电容[F]
Vpp压电电压(峰间值)[V]
Imax放大器的峰值电流(源/汇)[A]

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