CC BY
75
список литературы
1. Бобцов А. А., Бойков В. И., Быстрое С. В., Григорьев В. В., Коровьяков А. Н. Комплекс для исследования адаптивного управления пьезоприводом // Сб. мат. 1-й Российской мультиконференции по проблемам управления. Мехатроника, автоматизация, управление. 2006. С. 308—313.
2. Пат. РФ № 76138. Устройство для испытания пьезоэлектрического привода и его элементов / А. А. Бобцов, В. И. Бойков, С. В. Быстров, А. Б. Бушуев, В. В. Григорьев. 2008.
3. Бобцов А. А., Бойков В. И., Быстров С. В., Григорьев В. В. Разработка и исследование пьезопривода на основе многослойных тонкопленочных пьезоактюаторов // Сб. докл. 5-й Науч. конф. „Управление и информационные технологии" (УИТ-2008). 2008. Т. 2. С.172—176.
4. Никольский А. А. Точные двухканальные следящие электроприводы с пьезокомпенсаторами. М.: Энергоатом-издат, 1988. 160 с.
Владимир Иванович Бойков
Сергей Владимирович Быстров
Валерий Владимирович Григорьев —
Дмитрий Евгеньевич Обертов
Рекомендована кафедрой систем управления и информатики
Сведения об авторах
канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра систем управления и информатики; E-mail: viboykov@mail.ru
канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра систем управления и информатики; E-mail: sbystrov@mail.ru
д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра систем управления и информатики; E-mail: grigvv@yandex.ru
студент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра систем управления и информатики; E-mail: dimondking@mail.ru
Поступила в редакцию 01.07.09 г.
УДК 62.83
В. И. Бойков, С. В. Быстров, А. Н. Коровьяков, И. П. Салмыгин
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЬЕЗОПРИВОДОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
Экспериментально определены характеристики пьезоприводов с тонкопленочными низковольтными пьезоактюаторами. Проанализированы потенциально достижимые значения технических характеристик описываемых пьезоприводов для микроперемещений управляемых модулей прецизионных приборных устройств.
Ключевые слова: пьезоактюатор, математическая модель пьезопривода, параметры пьезокерамики.
Введение. В современном приборостроении одной из актуальных задач является реализация управляемых микроперемещений модулей (деталей) устройств прецизионных приборов. При этом погрешность линейных микроперемещений должна обеспечиваться на уровнях десятых либо сотых долей микрона при перемещениях на расстояния до сотен микрон.
88
В. И. Бойков, С. В. Быстрое, А. Н. Коровьяков, И. П. Салмыгин
Одним из эффективных, надежных и технологичных путей микроперемещений является применение пьезоприводов. Однако при этом возникает ряд проблем общетехнического конструктивного характера, а также сложностей в организации управления пьезоприводом. В настоящей статье обсуждаются вопросы использования в приборных пьезоприводах низковольтных тонкопленочных пьезоактюаторов.
Для проведения экспериментальных исследований был создан специализированный измерительный комплекс [1—4], позволяющий снимать статические и динамические характеристики как отдельных актюаторов, так и приводов и систем на их основе.
Особенности многослойной керамики. Технические характеристики пьезоприводов следующие:
— свободное перемещение (ход) зависит от конструкции, размеров и электрических свойств пьезоактюатора, он может изменяться от единиц до 300 мкм;
— развиваемая актюатором сила (усилие) достигает 5 кН;
— максимальное значение управляющего напряжения обычно составляет 1000 В для высоковольтных и 100—200 В — для низковольтных пьезоактюаторов;
— погрешность установления требуемого микроперемещения 0,05—0,1 мкм. Эта погрешность существенно зависит от конструкции пьезопривода, типа применяемого актюатора и в существенной степени определяется условиями эксплуатации пьезопривода. В частности, погрешность установления очень чувствительна к уровню механических вибрационных воздействий;
— значение емкостной нагрузки высоковольтного усилителя (емкость актюатора) определяет инерционные свойства пьезопривода как объекта управления.
Управляемый пьезопривод для микроперемещений состоит из пьезоактюатора, управляемого объекта и чувствительного элемента датчика микроперемещений, объединенных в единый конструктивный узел. Актюатор перемещает объект, с которым жестко связана подвижная часть датчика микроперемещений.
На рис. 1 приведена функциональная схема управляемого привода для микроперемещений. Управляющее воздействие формируется микропроцессором (МП) и через усилитель подается на актюатор. Сигнал, представляющий собой оценку реального положения (и микроперемещения) управляемого пьезоактюатором объекта, формируется датчиком микроперемещений. В качестве датчика микроперемещений используется емкостной датчик с чувствительным элементом специальной конструкции. Сигнал оценки реального микроперемещения передается в МП.
Рис. 1
На рис. 2 приведена типовая переходная характеристика тонкопленочного пьезоактюа-тора (А — перемещение, I — время). Колебательность процесса у тонкопленочной керамики сильно подавлена. Объясняется это свойство большой собственной емкостью керамики и высокой вязкостью материала.
На рис. 3 приведена типовая статическая характеристика многослойного пьезоактюатора, определенная по результатам стендовых испытаний. Из рисунка видна неоднозначность положения объекта при его прямом и обратном перемещениях. Максимальная неоднозначность характеристики (гистерезис) получается при перемещении объекта в полном диапазоне работы привода. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергетическим потерям, вызванным
внутренним трением слоев керамики, которая характеризует качество применяемого пьезома-териала. Гистерезис статической характеристики может достигать 20—30 % перемещения пье-зоактюатора и негативно сказываться на динамических и точностных свойствах привода.
0 0,01 0,02 0,03 0,04 t, с 0 20 40 60 80 U, В
Рис. 2 Рис. 3
Пьезокерамике присуще свойство ползучести. Изменение установившегося значения микроперемещения, реализуемого пьезоактюатором при постоянном входном напряжении высоковольтного усилителя, приводит к снижению точностных свойств привода.
Заключение. Для компенсации гистерезисных свойств и ползучести пьезоактюатора используется замкнутое по положению управление с контролем микроперемещения с помощью прецизионного датчика перемещений. Этот подход универсален. Требования к разрешающей способности (порогу чувствительности) датчика микроперемещений в данном случае оказываются весьма высокими. Обычно при диапазоне перемещений порядка 20 мкм требуется обеспечить разрешение датчика на уровне 0,05 мкм и меньше. Еще более жесткими оказываются требования к стабильности во времени параметров преобразовательной характеристики датчика микроперемещений.
Реализация управляемых микроперемещений объектов в прецизионном приборостроении с использованием пьезоприводов на основе низковольтных пленочных пьезоактюаторов и датчиков микроперемещений с чувствительными элементами специальной конструкции является комплексной научно-технической проблемой.
Все исследования проведены при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 07-08-12085-офи, 09-08-00857-а).
список литературы
1. Бойков В. И., Быстров С. В., Григорьев В. В., Обертов Д. Е. Пьезопривод на основе тонкопленочных пьезоактюаторов // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52, № 11. С. 84—87.
2. Бобцов А. А., Бойков В. И., Быстров С. В., Григорьев В. В., Коровьяков А. Н. Комплекс для исследования адаптивного управления пьезоприводом // Сб. мат. 1-й Российской мультиконференции по проблемам управления. Мехатроника, автоматизация, управление. 2006. С. 308—313.
3. Пат. РФ № 76138. Устройство для испытания пьезоэлектрического привода и его элементов / А. А. Бобцов, В. И. Бойков, С. В. Быстров, А. Б. Бушуев, В. В. Григорьев. 2008.
4. Бобцов А. А., Бойков В. И., Быстров С. В., Григорьев В. В. Разработка и исследование пьезопривода на основе многослойных тонкопленочных пьезоактюаторов // Сб. докл. 5-й Науч. конф. „Управление и информационные технологии" (УИТ-2008). 2008. Т. 2. С. 172—176.
Сведения об авторах
Владимир Иванович Бойков — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный
университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра систем управления и информатики; E-mail: viboykov@mail.ru
90
В. И. Бойков, С. В. Быстров, А. Н. Коровьяков, И. П. Салмыгин
Сергей Владимирович Быстров
Анатолий Николаевич Коровьяков —
Игорь Петрович Салмыгин
канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра систем управления и информатики; E-mail: sbystrov@mail.ru
канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра систем управления и информатики; E-mail: anatoliyru@mail.ru
ст. преподаватель; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра систем управления и информатики; E-mail: igorsalmygin@yandex.ru
Рекомендована кафедрой систем управления и информатики
Поступила в редакцию 01.07.09 г.
