Пьезоэлектрические технические средства для создания микроперемещений широко применяются в системах управления адаптивной оптикой, в технологических мехатронных и робототехнических комплексах, в подвижках микроскопов и других оптических приборов в качестве исполнительных устройств. Везде, где они применяются, постоянно растут требования к стабильности их статических и динамических характеристик, что главным образом определяет качество переходных процессов и точностные свойства систем управления. Главной причиной этой нестабильности является флуктуация свойств и параметров пьезокерамики, из которой изготовлен активный элемент пьезодвигателя. Конечно, решать данную проблему нужно в первую очередь, повышая качество пьезокерамики, над чем активно работают многие производители. По объективным причинам полной стабильности свойств материалов достичь не возможно. Представляется, что есть и другой путь, который заключается в разработке новых робастных алгоритмов управления такими устройствами, обеспечивающих субмикронную точность позиционирования объектов и высокое качество переходных процессов в условиях действия внутренних и внешних возмущений. Для этого нужно выявить основные негативные факторы, влияющие на изменение свойств материалов, и оценить возможные диапазоны изменения их параметров. Используя полученную информацию и математическое описание пьезоэлектрических исполнительных устройств, можно рассчитать и построить области возможного изменения уже их характеристик. Полученные данные позволят построить желаемые алгоритмы управления.
В данной статье эта задача решается на примере составного пьезодвигателя с активным элементом из пьезокерамики ЦТС-19. В качестве основных дестабилизирующих факторов будем рассматривать: температуру, воздействие электрического поля, старение и технологический разброс параметров [6, с. 5].
Основные параметры пьезокерамики. Пьезокерамика системы ЦТС (цирконат-титанат-свинца) и ее зарубежный аналог PZT являются наиболее распространённым видом пьезокерамики. К основным её параметрам относятся пьезомодуль в направлении рабочих деформаций, модуль Юнга, коэффициент электромеханической связи, механическая добротность и относительная диэлектрическая проницаемость. Они определяют диапазон перемещений, упругие и резонансные свойства, эффективность преобразования электрической энергии в механическую, степень затухания колебательных процессов [1]. В таблице 1 приведены численные значения указанных параметров пьезоматериалов [5, с. 7]. Анализ результатов экспериментальных исследований пьезоматериалов показывает, что механическая добротность и модуль Юнга остаются неизменными при влиянии указанных внешних факторов, относительная диэлектрическая проницаемость , пьезоэлектрический модуль и коэффициент электромеханической связи изменяются. Так как коэффициент электромеханической связи зависит от двух других рассматриваемых параметров [2, с.44], то далее рассматриваются только изменения и .
Таблица 1
Основные характеристики пьезоматериалов
| Параметр | Обозначение | Единицы измерения |
Марка материала |
||||||
| ЦТБС-3 | ЦТСНВ-1 | ЦТС-19 | ЦТС-19М | ЦТСтБС-1 | ЦТССт-3 | ПКВ-460 | |||
| Относительная диэлектрическая проницаемость | εT33/ε0 | — | 2325 | 1650 | 1850 | 4100 | 1400 | 1450 | |
| Тангенс угла диэлектрических потерь | tg δ
|
— | 0,012 | 0,022 | 0,030 | 0,025 | 0,027 | 0,008 | 0,003 |
| Пьезоэлектрический модуль | (-) d31 | 10-12 Кл/Н | 158 | 200 | 155 | 183 | 289 | 130 | 145 |
| d33 | 10-12 Кл/Н | 360 | 425 | 360 | 410 | 600 | 290 | 315 | |
| Коэффициент электромеханической связи | k31 | — | 0,3 | 0,34 | 0,29 | 0,35 | 0,38 | 0,31 | 0,33 |
| k33 | — | 0,64 | 0,67 | 0,64 | 0,72 | 0,73 | 0,67 | 0,71 | |
| Механическая добротность | Qm | — | 200 | 70 | 90 | 90 | 50 | 800 | 1200 |
В таблице 2 приведены предельные изменения параметров пьезоматериалов [5, с. 9]. В первой колонке указан технологический разброс значений диэлектрической проницаемости и пьезомодуля при изготовлении пьезокерамики, во второй – данные по температурной стабильности и в третьей – данные по временной стабильности (естественное старение, которое максимально наблюдается в первые 2 года после выпуска пьезокерамики). Из таблицы 1 видно, что в среднем значение каждого из рассматриваемых параметров изменяется относительно колонки в среднем до ± 20, в то время как в общей сложности они могут изменяться до 55%.
Таблица 2
Предельные изменения параметров пьезоматериалов
|
Марка материала |
Норма изменения параметров пьезоматериала по ТУ, % | Изменение параметров пьезоматериала после воздействия климатических факторов: повышенной и пониженной предельных температур ±60 °С, % |
Предельные изменения значений параметров за период старения 2 года в отапливаемом помещении, %
|
|||
|
εT33 /ε0 |
d31, 10-12Кл/Н | εT33 /ε0 | d31, 10-12Кл/Н | εT33 /ε0 |
d31, 10-12Кл/Н |
|
| ЦТБС-3 | ±19,2 | от 0 и выше | ±20,0 | ±17,0 | -14,0 | -17,0 |
| ЦТСНВ-1 | ±21,0 | от 0 и выше | ±22,0 | ±20,0 | -13,0 | -13,0 |
| ЦТС-19 | ±20,0 | от 0 и выше | ±10,0 | ±10,0 | -10,0 | -10,0 |
| ЦТС-19М | ±20,0 | от 0 и выше | ±10,0 | ±10,0 | -10,0 | -10,0 |
| ЦТСтБС-1 | ±10,4 | от 0 и выше | ±10,0 | ±10,0 | -12,0 | -12,0 |
| ЦТССт-3 | ±14,3 | от 0 и выше | ±10,0 | ±10,0 | -9,0 | -9,0 |
| ПКВ-460 | ±13,4 | от 0 и выше | ±8,0 | ±8,0 | -7,0 | -7,0 |
Очень важным эксплуатационным фактором является действие постоянного электрического поля. Условно, электрические поля можно разделить на слабые (до 75 В/мм), средние (до 300 В/мм) и сильные (более 300 В/мм). Изменение пьезомодуля в слабых полях не превышает 5%, в средних – 27% и в сильных – свыше 27% и до потери керамики пьезоэлектрических свойств [4, с. 4-5].
Оценка влияния изменения диэлектрической проницаемости и пьезомодуля на параметры пьезодвигателя. Математическая модель пьезодвигателя может быть представлена функцией вида (1):
На основе рассмотренных формул и данных, представленных в таблицах, были построены области статических и динамических характеристики двигателя, актюатор которого изготовлен из пьезокерамики ЦТС-19 при максимально допустимых изменений параметров диэлектрической проницаемости и пьезомодуля (рисунок 1,2). На рисунке 1 заштрихованная область показывает расположение всех статических характеристик пьезодвигателя в зависимости от начальных технологических параметров пьезокерамики и согласно изменению пьезомодуля в различных видах постоянных полей, кривая 1 – статическая характеристика пьезодвигателя при максимальных технологических и рассматриваемых параметров, кривая 2 – при минимальных технологических и рассматриваемых параметров.
Переходные характеристики пьезодвигателя представлены на рисунке 2.
Рисунок 2.Динамические характеристики пьезодвигателя
Область голубого цвета определяет границы, где будут находиться все переходные характеристики пьезодвигателя при изменении диэлектрической проницаемости и пьезомодуля. W2 – переходная характеристика пьезодвигателя при минимальных технологических параметрах пьезокерамики и единовременном уменьшении 
Заключение
Для того, чтобы оценить влияние основных внешних факторов на параметры пьезокерамики, в работе учитывались:
— технологический максимальный разброс значений параметров керамики;
— изменение параметров при изменении температуры;
-изменение параметров при действии временных факторов – естественного старения, которое имеет существенное значение в первые 2 года после выпуска керамики. Основываясь на результатах моделирования, можно сделать вывод о том, что изменение параметров керамики влияет
- изменение коэффициента передачи пьезодвигателя – в пределах 94%;
- на время переходного процесса (в меньшей мере) – в пределах 31%;
- на значение перерегулирования (в меньшей мере) – от 22 до 38%.
Полученная информация является исходной для построения робастных алгоритмов управления пьезоэлектрическими исполнительными устройствами.
Список литературы:
- Бардин В.А., Васильев В.А. Актюаторы нано- и мироперемещений для систем управления, контроля и безопасности // Современная техника и технологии. 2014. № 2 [Электронный ресурс]. URL: (дата обращения: 15.02.2016).
- Бобцов А.А., Бойков В.И., Быстров С.В., Григорьев В.В. Исполнительные устройства и системы для микроперемещений. – СПБ ГУ ИТМО, 2011.- 131 с.
- Джагупов Р.Г., Ерофеев А.А. Пьезоэлектронные устройства вычислительной техники, систем контроля и управления: Справочник. – СПб.: Политехника, 1994.-60 с.: ил.
- Ланин В.А. Старение пьезокерамики системы ЦТС под действием электрических и механических напряжений: автореф. дис. …канд. техн. наук. Томск, 2006.
- Справочный каталог ООО «Аврора-ЭЛМА» [Электронный ресурс]. URL: (дата обращения: 17.02.2016).
- Угрюмова М.А. Современные и перспективные пьезокерамические материалы: ЦНИИ «Ремб». – Ленинград, 1979,-104 с.[schema type=»book» name=»НЕСТАБИЛЬНОСТЬ ПАРАМЕТРОВ ПЬЕЗОКЕРАМИКИ И ЕЁ ВЛИЯНИЕ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЬЕЗОДВИГАТЕЛЕЙ» description=»В данной статье рассматривается влияние на характеристики пьезодвигателей различных факторов. К ним относятся: технологический разброс параметров, изменение температуры, воздействие электрических полей, старение материалов и т.д. Так как основные рабочие элементы двигателей данного типа выполняются из пьезокерамики, то особое внимание уделяется изменениям диэлектрической проницаемости и пьезомодуля. На основе анализа математической модели составного пьезодвигателя оценивается влияние флуктуаций данных параметров пьезокерамики на основные его статические и динамические характеристики, строятся области возможного их изменения.» author=»Быстров Сергей Владимирович, Григорьев Валерий Владимирович, Малофеева Ольга Александровна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2016-12-27″ edition=»euroasia-science.ru_26-27.02.2016_2(23)» ebook=»yes» ]