钨青铜系列压电陶瓷驱动器迟滞特性的改善

　　1　引　　言

　　随着纳米测量技术的发展,对于能够实现纳米级定位的多自由度微动工作台的研究越来越受到人们的重视。微动工作台驱动元件的选择和使用直接影响着最终的性能指标。目前,在实践中采用的微小位移驱动元件有很多种,而压电陶瓷驱动器以其体积小、重量轻、驱动电压不高、精度和位移分辨率高、频率响应快、不发热、不产生噪声、承载力大等特性,成为微定位控制领域应用最广的驱动元件之一。但是,压电陶瓷材料所固有的非线性特性、迟滞特性、蠕变特性等,都大大限制了压电陶瓷驱动器定位精度的进一步提高,其中迟滞误差对精度的影响最大。因此,如何改善压电陶瓷驱动器的迟滞特性成为我们实现超精密定位所需解决的首要问题。对此国内外专家学者进行了大量的研究,　并提出了一系列的理论和方法来改善其特性。目前在驱动器的开环或半闭环控制中提出的减小迟滞的方法　主要有:(1)电荷控制法;(2)在压电陶瓷两端串联小电容的方法;(3)Preisach模型;(4)通用化的Maxwell模型;(5)多项式近似模型;(6)采用电容和电阻组成桥路[1]。这些方法大都是通过建立复杂的数学模型来进行控制[2～4]。

　　本研究采用了一种新型的硬性钨青铜结构的压电陶瓷驱动器,这种驱动器和软性的钙钛矿结构压电陶瓷驱动器相比,迟滞特性、蠕变误差均有很大改善,特别在性能方面上比较稳定[5～6]。我们根据其电畴结构与晶体结构在变形过程中产生迟滞的主要原因,提出了一种新的“抗迟滞”驱动方式,大大改善了压电陶瓷驱动器的迟滞特性。

　　2　抗迟滞驱动方法的工作原理

　　现在应用最广的是以机械串联、电学并联方式极化而成的多层压电陶瓷驱动器。当在驱动器上施加恒定压力时,其压电方程可以表示为:

　　ΔL=Nd33V

　　式中,N为陶瓷叠层数;d33为压电常数;V为所加的电压;ΔL为沿厚度方向所产生的位移。

　　图1为钨青铜系列压电陶瓷驱动器在开环控制下实际测量得到的压电陶瓷电压—位移曲线,从中可以看出,当电压从最大值开始减小时,其位移不是从上升的位移曲线返回,而是出现了较大的位移滞后,特别是在50V的控制电压下,相同输入电压对应的位移滞后已经达到0.231μm。

　　这种电压—位移间的滞后关系就是压电陶瓷驱动器的迟滞特性。这是因为,只有当材料是单晶单畴状态处于弱电场时,d才为常数。但是对于由多晶体构成的压电陶瓷材料来说,由于其组成晶体存在着大量的电畴,当存在强电场作用时,电畴的转向运动使得d不再是常数,而成为了随电场强度E变化的函数。这样,驱动器所产生的位移量不仅与电压有关,并且还与变　　化的压电常数有关。当电畴处于转角为180°的状态时,当其反转时,驱动器不会产生位移滞后现象;但是当电畴处于转角为90°的状态时,当电压下降时,90°畴的反转就会使驱动器在平行或垂直于电场方向上的位移量成非线性增加,而这也就导致压电陶瓷驱动器出现电压—位移迟滞现象[5～6]。