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压电陶瓷驱动控制之噪声与脉冲驱动

压电陶瓷属于容性负载,压电陶瓷的致动过程为其被充放电的过程。也是电能转化成机械能的过程。

压电陶瓷能量E取决于压电陶瓷的静电容量以及施加电场强度,压电陶瓷的能量 E=1/2CU²。

 

 

对于很多压电陶瓷使用者来说,希望压电陶瓷具有非常低的静电容量从而降低损耗,以获得更大的能量和功率。因为压电陶瓷也遵循能量守恒定律,然而压电陶瓷参数中的“电容”是电能量耦合的一个参数,无法任意缩小。想要获得更大的机械能,就必须输入更大的电能。 
另外,静电容量自身不是衡量功率消耗唯一指标,功率消耗也取决于加载的电压情况。由此可见高压和低压陶瓷产生相同的能量和功耗,静电容量却大不相同。

 

 

电控与压电系统致动

 

在很大程度上,驱动控制决定压电系统的性能。必须要选择适合的驱动控制。通常我们需要考虑的四个方面分别为:电噪声、脉冲驱动、电流与功率平衡、电压范围。今天我们先来了解电噪声与脉冲驱动。

 

电噪声

压电陶瓷一个非常重要的特点就是可以将小的电信号转换成对应的精密位移。因此任何电信号偏差比如噪声都会转变成机械噪声。
压电机械系统的定位精度不完全取决于压电陶瓷本身,还受驱动控制的影响。因此超精密定位,需要高品质、信/噪比(S/N)低的压电陶瓷驱动控制器。

 

芯明天研发生产的低噪声的压电控制器主要为E00/E01、E52、XE-650系列。
E00/E01系列压电控制器的噪声约为2mV,驱动控制PSt150/7/20VS12(位移20μm 0-150V)时对应的标称位移的影响理论值为0.26nm。但是由于噪声的电压调制是以小信号激励体现的,实际上位置的波动会远小于亚纳米。

 

 

 

芯明天E52系列压电控制器为高功率控制器主要应用于压电点胶阀驱动控制,配套芯明天点胶阀压电陶瓷型号为DJF73603,其噪声大约为5mV。

 

对于动态位移控制,噪声对位移稳定性的影响不是很大,只需要选择功率更大一些的压电控制器即可,芯明天有多种型号可以选择比如E00/E01、E52、E70系列。

 

脉冲驱动

压电陶瓷的机械响应即阶跃时间是由压电陶瓷的充电时间决定的,充电电流越大,压电陶瓷的响应时间就越短。
为了得到相应的位移电压变化值为 dU(t) ,电压阶跃时间为 dt ,需要的实际电流为 Ia(t)可参照以下公式:
Ia(t)=CdU(t)/dt   ( C 陶瓷的静电容量 )  
峰值电流对常用的不同信号计算公式如下:

 

对于非常短的阶跃时间来说,所需要的峰值电流则会很高.

例如:

5μF 静电容量,充电时间dtc, 电压Vpp(0-150V)

dtc=100msec=> Ipeak =7.5mA    

(低动态定位,比如采用E72/E73系列压电控制器)

dtc=1msec = Ipeak =750mA      

(动态位移控制,比如采用E00/E01系列压电控制器)  

dtc=150usec=> Ipeak=5A        

(点胶阀驱动控制,比如采用E52系列压电控制器)

 

芯明天采用E00/E01系列压电控制器驱动压电促动器PSt150/7/7VS12的阶跃时间可以达到30μs。

 

 

对于阶跃时间<1ms的应用来说,压电陶瓷需要承受非常高的电和机械负载。标准的压电陶瓷将会被损坏,需要采用特殊定制陶瓷。
 

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