Пособие пьезоисполнительные устройства. А. А. Бобцов, В. И. Бойков, С. В. Быстров, В. В. Григорьев, П. В. Карев исполнительные устройства
 Скачать 3.72 Mb.
|
|
А.А. Бобцов, В.И. Бойков, С.В. Быстров, В.В. Григорьев, П.В. Карев ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ ДЛЯ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ Санкт-Петербург 2017 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УНИВЕРСИТЕТ ИТМО А.А. Бобцов, В.И. Бойков, С.В. Быстров, В.В. Григорьев, П.В. Карев ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ ДЛЯ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ Учебное пособие Санкт-Петербург 2017 А.А. Бобцов, В.И. Бойков, С.В. Быстров, В.В. Григорьев, П.В. Карев Исполнительные устройства и системы для микроперемещений. – СПб: Университет ИТМО, 2017. – 134 с. Содержание дисциплины охватывает круг вопросов, связанных с разработкой, ис- следованием и применением исполнительных пьезоэлектрических преобразова- телей. В первом разделе дается историческая справка внедрения пьезоэлектриче- ского эффекта в технические системы. Раскрывается физическая природа прямого и обратного пьезоэффектов, предлагается подход к их математическому описа- нию. Второй раздел пособия посвящен материальной базе пьезоэлектрических ис- полнительных устройств: от современной пьезокерамики до законченного в своем конструктивном исполнении пьезодвигателя. В третьем разделе рассматри- вается подход к составлению модели пьезодвигателя на примере многослойного пьезоактюатора с нагрузкой, рассматриваются проблемы, связанные с нелиней- ностью статических характеристик пьезоактюаторов, называются причины их по- явления, даются рекомендации по их учету при моделировании. Четвертый раз- дел содержит рекомендации по структуре и составу функциональных схем циф- ровых пьезоприводов, рассматриваются часто встречающиеся варианты с регули- рованием по выходу и подчиненным регулированием. В качестве примеров при- водятся системы и приводы, разработанные авторами в последние годы. Учебное пособие адресовано магистрантам, обучающимся по следующим направлениям подготовки: 27.04.03 «Системный анализ и управление» и 27.04.04 «Управление в технических системах». Рекомендовано к печати Учёным советом Факультета СУиР, 21.02.2017, протокол №2. Университет ИТМО – ведущий вуз России в области информационных и фотонных технологий, один из немногих российских вузов, получивших в 2009 году статус национального исследовательского университета. С 2013 года Университет ИТМО – участник программы повышения конкурентоспособности российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров, известной как проект «5 в 100». Цель Университета ИТМО – становление исследовательского университета мирового уровня, предпринимательского по типу, ориентированного на интернационализацию всех направлений деятельности. Университет ИТМО, 2017 А.А. Бобцов, В.И. Бойков, С.В. Быстров, В.В. Григорьев, П.В. Карев, 2017 3 С О Д Е Р Ж А Н И Е Введение……………………………………………………………………….. ….....5 1. Пьезопреобразователи, тенденции развития, принцип действия…………………………………………………………........... …..7 1.1 Тенденции развития и использования пьезоэлектрических исполнительных устройств……………………………………... …….7 1.2 История открытия пьезоэффекта……………………………….. ……14 1.3 Явление пьезоэлектрического эффекта…………………………. …15 2. Материально-техническая база пьезоэлектрических исполнительных устройств……………………………………………. …21 2.1 Пьезоэлектрические материалы………………………………... ……21 2.1.1 Пьезоэлектрики – монокристаллы……………………. .…21 2.1.2 Поликристаллические пьезоэлектрики….…………... …23 2.2 Пьезоэлементы………………………………………………….. ……34 2.3 Пьезокерамические актюаторы………………………………… ……41 2.3.1 Пакетная конструкция………………………………... ……42 2.3.2 Биморфная конструкция…………………………........ …46 2.4 Пьезоэлектрические двигатели. Особенности конструкций……………………………………………………... …50 2.4.1 Резонансный (ультразвуковой) пьезоэлектрический двигатель (РПД)……………………………………..... …51 2.4.2 Силовые двигатели с ограниченным диапазоном угловых и линейных перемещений………………….. ….56 2.4.3 Шаговые двигатели………………………………..…. …..61 3. Математическое описание пьезоэлектрических исполнительных устройств………………………………………………………………. .….63 3.1 Математическая модель многослойного тонкопленочного актюатора………………………………………………………… …63 3.2 Гистерезис, последействие и ползучесть пьезоэлектрических исполнительных устройств……………………………………... …67 3.3 Учет влияния гистерезиса и последействия (ползучести) при проектировании и моделировании пьезоэлектрических исполнительных устройств…………………………………….. ….69 4. Цифровой пьезоэлектрический привод………………………………. ….76 4.1 Пьезоэлектрический привод с регулированием по положению………………………………………………………. ….76 4.2 Пьезоэлектрический привод с подчиненным регулированием…………………………………………………. ….79 4.3 Особенности широтно-импульсного управления пьезоприводом…………………………………………………... …80 4.3.1 Импульсное управление пьезоактюатором………...… …80 4.3.2 Моделирование пьезопривода с ШИМ- Управлением………………………………………....... …82 4 4.4 Система управления многосегментным адаптивным зеркалом телескопа…………………………………………….. ….85 4.5 Цифровой контрольно-измерительный стенд………………… ….89 4.5.1 Функциональная схема измерительного стенда…...… ….89 4.5.2 Принцип действия стенда…………………………….. …90 4.5.3 Структурная схема измерительной системы……….... …...92 4.5.4 Математическая модель процесса измерения………. ....93 Литература..…………………………………………………………..… ....96 Приложение А………………………………………………………….. ....98 Приложение Б………………………………………………………….. …101 Приложение В………………………………………………………….. ..103 Приложение Г………………………………………………………….. ..104 Приложение Д………………………………………………………….. ..109 Приложение Е………………………………………………………….. ..110 Приложение Ж…………………………………………………………. ..114 Приложение З…………………………………………………………... ..117 Приложение И……………………………………………………......... ..120 Приложение К…………………………………………………………. ..122 Приложение Л…………………………………………………………. …123 Приложение М…………………………………………………………. ….124 Приложение Н………………………………………………………… …127 Приложение О…………………………………………………………. …128 5 ВВЕДЕНИЕ Во все времена электромеханическим системам отводилось центральное место, уровень их развития определял производственные возможности многих отраслей промышленности, успешность проведения различных научных иссле- дований, боевые качества военной техники, потребительские характеристики товаров народного потребления. Вот и сейчас, когда взят курс на развитие нано - технологий, в первую очередь должны решаться задачи развития и совершен- ствования элементной базы электромеханических систем. Для решения различ- ных задач в микрометровом, а тем более в нанометровом диапазоне, требуются совершенно новые технологии и технические средства. Самой актуальной проблемой является повышение точности позициониро- вания. Субмикронный диапазон погрешностей линейного позиционирования и секундный диапазон для угловых перемещений характерен для современных металлообрабатывающих станков, оптико-механических приборов, роботов микроманипуляторов и т.д. Попытки решения данной проблемы с помощью традиционных электромеханических систем наталкиваются на целый ряд техни- ческих трудностей. При создании микроперемещений и работе на сверхнизких скоростях электромашинные устройства постоянного и переменного тока рабо- тают в неустойчивых (зарегулированных) режимах, что проявляется в нерегу- лярных колебаниях объекта позиционирования в направлении движения. Кроме того, существенное влияние оказывают нелинейности кинематических передач (люфты, сухое трение, зоны нечувствительности и т.д.), пренебречь которыми в данных условиях не представляется возможным. Даже в лучших шарико- винтовых передачах повторяемость позиции достигается с погрешностью от де- сятков долей до единиц микрометров. Большое влияние на точность микропере- мещений оказывают тепловые и вибрационные возмущения, которые при боль- ших диапазонах перемещений, как правило, не учитываются. Таким образом, можно сделать вывод о том, что традиционные электромашинные исполнитель- ные устройства в данном направлении свои возможности исчерпали и необходим переход на другой технологический уровень с применением новых материалов, иных физических эффектов и конструктивных решений. Уже не один десяток лет у нас в стране и за рубежом ведутся исследования и разработки исполнительных устройств нового типа, преодолевающих пере- численные недостатки. Это и магнитострикционные, и пьезоэлектрические, и электромагнитные, и даже тепловые преобразовательные устройства. Анализ ре- зультатов поиска в технической литературе и Интернете показывает, что пьезо- электрические устройства занимают лидирующие позиции, обгоняя все осталь- ные типы устройств еще и по таким показателям, как энергосбережение, миниа- тюризация и адаптивность к компьютерным системам управления. Такое лидер- ство накладывает серьезные обязательства на производителей пьезоматериалов и устройств на их основе в плане улучшения их свойств и характеристик, повы- шения стабильности параметров. За последние пять лет многое сделано в этом направлении как у нас в стране, так и за рубежом. Разработаны новые типы пье- зокерамик, созданы новые и совершенствуются известные пьезокерамические 6 элементы и компоненты, предназначенные специально для исполнительных устройств нового поколения. Авторы благодарят магистрантов О.А. Малофееву, О.Б. Дмитриеву за по- мощь в обработке и подготовке материалов учебного пособия. 7 1 ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ 1.1 Тенденции развития и использования пьезоэлектрических исполнительных устройств В начале ХХI века пьезотехника переживает бум в своем развитии. Рас- ширяются области применения пьезоэлектрических преобразователей раз- личного назначения: от пьезозажигалок, акустических излучателей и приемников до коммутирующих устройств, компенсаторов вибраций и микророботов. Несмотря на то, что пьезоэффект был открыт еще в XIX веке, а со второй поло- вины XX активно развивалась теория и технология создания пьезокерамических материалов, считается, что пьезокерамика – один из перспективных материалов XXI века. Причиной такого взгляда является то, что замечательные свойства, присущие пьезокерамике, до сих пор не в полной мере востребованы наукой, техникой и технологиями. Пристальное внимание, которое в особенности теперь уделяется пьезоматериалам и элементам на их основе, объясняется целым рядом их достоинств: 1. Высокая надежность – выходит на уровень электронных схем (например, интенсивность отказов пьезоэлементов <10 -6 1/час). Ос- новными причинами отказов являются электропробой и разрыв со- единительного шва у биморфных элементов, который происходит в ре- зультате изгибных колебаний. 2. Малые массогабаритные показатели – определяются размерами пье- зоэлементов (массогабаритные показатели отдельных узлов систем управления могут быть снижены при применении ПД в десятки раз). 3. Высокая радиационная стойкость – ПД могут сохранять работо- способность при воздействии всех известных видов радиоактивного излучения. 4. Стойкость к действию различных агрессивных сред – из известных в настоящее время химических соединений только плавиковая кислота способна оказать разрушающее действие на пьезокерамику, что позво- ляет использовать ПД в ряде химических производств. 5. Высокая термостойкость – элементы, изготовленные из некоторых марок пьезокерамики ЦТС, ПКР не теряют своей работоспособности при температурах до 300–400°С, а на основе кобальта способны вы- держивать температуру равную и более 700°С. Разработана также вы- сокотемпературная и высокостабильная пьезоэлектрическая керамика, предназначенная для применения в топливных системах двигателей современных автомобилей. Весьма важным является то, что данная ке- рамика обладает значительной стойкостью к высоким температурам и механическим воздействиям. Единообразная частотная реакция делает датчики из данной керамики пригодной для любого типа автомобиль- ного двигателя. 8 6. Возможность использования ПД непосредственно без дополни- тельных кинематических связей с объектом измерения – что обес- печивает отсутствие дополнительных погрешностей измерения (меха- нических, тепловых и др.). 7. Диэлектрическая природа пьезоэлемента – функционирование за счет действия электрического поля (а не тока проводимости), практи- ческое отсутствие тока и связанных с этим тепловыделений в диапазоне инфранизких частот обеспечивают ему качество взрывобезопасного элемента (возможно использование на нефтехимических произ- водствах). Активное использование пьезокерамики в различных областях началось в середине XX века. Достаточно хорошо были изучены и использованы свойства пьезокерамических датчиков и пьезокерамических преобразователей [1–3]. Неоспоримо первенство пьезокерамики в использовании для ультразвуковой ди- агностики в медицине, авиационном и железнодорожном транспорте, энергетике, нефтегазовом комплексе, в ультразвуковой сварке, чистке поверхностей, нанесении покрытий, сверлении. В то же время пьезокерамика еще недостаточно используется для создания генераторов, актюаторов в комбинированных си- стемах. Если 20–30 лет назад главными потребителями подобных устройств счита- лись только разработчики систем адаптивной оптики для лазерной и космической техники, а также прецизионных оптических инструментов, то сейчас пьезо- техника активно шагнула в станкостроение, автомобилестроение и бытовую технику. Ярким примером комплексного использования пьезокерамических элементов, узлов и деталей на их основе могут послужить совместные разработки американской компании APC International, Ltd. [15] c производителями ком- плектующих для автомобильной промышленности. Современные, технически сложные автомобили постоянно требуют внедрения дополнительной электрони- ки для повышения надежности, безопасности и комфорта. В настоящее время американские производители автомобильной техники активно используют устройства и узлы на базе пьезоэлектрической керамики. Примерами таких устройств могут служить: пьезоактюаторы-клапаны впрыска топлива; пьезоактюаторы-клапаны для газораспределительной системы двига- теля; датчики поворота для определения угла положения дроссельной за- слонки; датчики детонации; датчики уровня заправочных жидкостей; датчики давления для измерения давления в топливном баке с целью определения утечки топлива; пьезоприводы зеркал; пьезоприводы регулировки сидений; 9 передние ультразвуковые дистанционные датчики (датчики предот- вращения столкновений); боковые дистанционные датчики; задние (парковочные) ультразвуковые дистанционные датчики; датчики системы сигнализации и зуммеры оповещения; скоростные сенсоры в передней панели для подушек безопасности; боковые ударные сенсоры подушек безопасности; аварийные датчики-сенсоры подушек безопасности; актюаторы системы антиблокировки тормозов; пьезоприводы системы подвески; датчики угловой скорости и линейные акселерометры малых пе- регрузок, ориентированные по трем осям автомобиля, предназна- ченные для автоматизированного управления маршрутом; пьезоприводы регулировки фар; датчики и актюаторы положения фар для обеспечения динамического регулирования луча света передних фар в зависимости от профиля дороги и изменения величины полезной нагрузки автомобиля; пьезоакустические системы адаптивного регулирования скорости ав- томобиля. Инновационные разработки пьезоактюаторов (пьезоприводов) и датчиков обеспечивают решение многих проблем автомобилестроения и улучшают экс- плуатационные качества автомобиля, отвечающие жестким эксплуатационным требованиям. Одним из самых перспективных направлений использования со- ставных пьезоактюаторов является управление гидравлическими клапанами. Примерами этого могут служить последние разработки пьезокерамических вы- сокоскоростных клапанов как для топливной аппаратуры дизельных двигателей легковых и грузовых автомобилей, так и для газораспределительных систем ди- зелей и двигателей внутреннего сгорания. В дизельном двигателе (рисунок 1.1) процесс сгорания топлива в цилиндре тесно связан с процессом впрыскивания топлива. Путем управления периодичностью впрыскивания, ее длительностью, каче- ством топлива и скоростью протекания топлива как функции времени становится возможным эффективно управлять рабочими характеристиками двигателя. К сожалению, параметры единовременного впрыскивания не обеспечивают одно- временно минимума выбросов, наилучшей экономии топлива и высокой вели- чины крутящего момента. Система общей топливной магистрали (Common Rail) – это система впрыска, которая подает топливо высокого давления в любой момент. Для снижения шума двигателя и эмиссии необходимо добавить несколько предварительных впрыскиваний в основное впрыскивание в течение рабочего цикла дизельного двигателя. Основной компонент общей топливной магистрали – это инжектор, в состав которого входит пьезоэлектрический актюатор, который выполняет роль быстродействующего пьезопривода. 10 Рисунок 1.1 – Дизельный двигатель Использование пьезоэлектрических актюаторов обеспечивает возможность соответствия стандарту Евро V–VI в будущем как для дизельных, так и для бен- зиновых двигателей. Такая система впрыска топлива уменьшает задержку вос- пламенения топлива за счет: − очень высокого давления впрыска, что приводит к сверхтонкому рас- пылению топлива; − быстрого и независимого управления форсунками (длительность одного впрыска 200 мкс), что позволяет осуществлять несколько впрысков в один и тот же цилиндр в течение одного цикла; − дозирования с высокой точностью количества топлива на различных фазах работы двигателя, что увеличивает КПД двигателя, увеличивает срок службы, снижает расходы топлива и улучшает экономичность автотранс- порта. Электронный быстродействующий клапан со встроенным пьезоэлектриче- ским актюатором, позволяет управлять формой и длительностью импульса впрыска, что приводит к улучшению рабочих характеристик и гибкости системы управления впрыска топлива по заданному алгоритму для различных режимов управления: − экономичный режим, обеспечивающий максимальное КПД и минимальное потребление топлива. Для его реализации, желательно производить сгорание топлива при достижении максимальной температуры в центре зоны (TDC), при этом форма импульса впрыска обеспечивает плавное нарастание и падение скорости протекания топлива; − режим экологически чистый, обеспечивающий минимальный уровень вы- броса вредных примесей в атмосферу. Для его реализации желательно со- здание в цилиндре профиля скорости инжекции с низкой начальной ско- ростью инжекции в сочетании с резким снижением температуры и после- дующим резким фронтом спада; 11 − режим форсажа, обеспечивающий максимальную тягу. Профиль скорости инжекции характеризуется плавно нарастающим фронтом, за которым следует относительно длительный цикл и далее резкий спад фронта. При длительном цикле достигается максимально высокая температура. Рисунок 1.2 – Применение пьезокерамического актюатора для впрыска топлива При работе пьезоэлектрического актюатора в составе форсунки (рисунок 1.2), под действием электрического напряжения, пьезопакеты, из которых состоит актюатор, расширяются в направлении электрического поля, при этом обеспечивая перемещение, пропорциональное управляющему напряжению и длине актюатора, и развиваемое усилие, пропорциональное площади поперечно- го сечения элемента. Таким образом, движение пьезопакета передается беспре- пятственно прямо к игле форсунки без какого-либо механического элемента. Малая инерционность позволяет работать с частотой до 100 Гц (длительность импульса 100–200 мс), что позволяет точнее дозировать количество впрыскивае- мого топлива и тем самым сократить количество вредных веществ, возникающих при сгорании. Другим перспективным направлением их применения является точная настройка станков (нанопозиционирование). Благодаря своей жесткой структуре пьезоприводы являются идеальным инструментом для быстрой и точной их настройки. Прилагая фиксированное напряжение к шаблону в фазе с вращением шпинделя, можно обеспечить высокую точность обработки детали, режущим инструментом станка. Кроме того, они используются для подавления (компен- сации) вибрации. Нежелательную вибрацию станков можно компенсировать с 12 помощью составных (многослойных) пьезоактюаторов, работающих в противо- фазе с вибрационными колебаниями. Это, в свою очередь, будет способствовать повышению качества конечного изделия, а также позволит избежать чрезмерного износа инструмента и существенно снизит уровень шума станка. Компенсаторы вибрации могут найти применение не только в станкостроении, но и в других сферах. Таким образом, пьезокерамика благодаря своим уникальным свойствам находит все большее применение в различных областях техники и технологии. Многие зарубежные научные центры и производители пьезокерамики, элементов и компонентов на ее базе, пытаясь более полно удовлетворить современные требования рынка, проводят исследования и конструкторские работы с целью улучшения параметров и характеристик керамики и пьезоприводов, на что вы- деляются значительные финансовые средства. Анализируя этот опыт исследова- ний и разработок элементов и устройств пьезотехники, можно выделить два ба- зовых направления развития. Первое заключается в совершенствовании пьезо- материалов (их свойств и характеристик) с целью обеспечения, в конечном итоге, стабильности параметров пьезоэлектрических устройств на их основе. Второе – нацелено на разработку адаптивных алгоритмов управления пьезоэлектри- ческими устройствами в условиях постоянно изменяющихся параметров и ха- рактеристик пьезоматериалов под действием внешних воздействий (температура, давление, механические воздействия). Результативное проведение комплекса указанных работ позволит уверенно использовать все возможности пьезоэлек- трических устройств при создании таких сверхточных приборов как интерферо- метры, спектрометры, туннельные микроскопы и др., т.е. там, где наряду с ма- лыми диапазонами перемещений требуется высокая точность позиционирования и строгая параллельность смещения оптических элементов и других рабочих ор- ганов. Растет интерес к гибким актюаторам, которые используются в пьезо- электрических датчиках изгибающего момента, скоростей и ускорений, в устройствах, читающих по методу Брайля в электронных системах для слепых, в качестве электронных переключателей. Создание ленточных актюаторов суще- ственно расширило их использование. Изначально ленточный актюатор был разработан по запросу текстильной промышленности для компьютерных систем подачи нитей в жаккардовых машинах. Благодаря высокой чувствительности, относительно большой блокирующей силе и величине отклонения новые пьезо- элементы позволяют использовать их в качестве сенсорных выключателей и контакторов, пьезоприводов, бесшумных успокоителей в электронном оборудо- вании, микрокомпрессоров, закрывающих и открывающих клапанов различного назначения, в том числе для программируемой дозированной подачи лекарств, вакуумных клапанов. Активно развиваются сейчас ультразвуковые пьезодвигатели, которые яв- ляются современной альтернативой двигателям постоянного тока, они также из- вестны как вибрационные двигатели. Используются в прецизионных микропо- движках, устройствах лентопротяжки, микророботах (рисунок 1.3). Преимуще- ствами подобных двигателей являются высокое нанометрическое разрешение, 13 скорость и мощность, несоизмеримая с их размерами. Пьезодвигатели уже до- ступны на коммерческой основе, а также применяются на некоторых роботах. Рисунок 1.3 – Ультразвуковые пьезоэлектрические микророботы Перспективность развития и использования пьезоэлектрических преобразо- вателей подтверждается огромным научным интересом к ним многих фирм – производителей в разных странах мира: Фирма Keramos, США [17] разработала новую пьезокерамику К12, которая может работать при экстремально высоких температурных условиях до 820°С. Piezo Systems, Inc. [18] ведет интенсивные исследования свойств пье- зоматериалов, их зависимость от внешних возмущающих воздействий. Фирма PI (Великобритания) [19] на своем сайте демонстрирует огромное разнообразие современных конструкций пьезоэлектри- ческих элементов и устройств. Ученые шведского Линкопингского университета и университета Вандербильта (США) разработали микророботов на пьезодвигателях, работающих на клеточном уровне (по материалам сайта http://www.scientific.ru). В России основным разработчиком и производителем пьезоактю- аторов является ОАО «ЭЛПА» [13]. В настоящее время с целью удо- влетворения современных требований к пьезоактюаторам в ОАО «ЭЛПА» проводятся исследования и разработки новейших типов пье- зоактюаторов на базе современных инновационных технологий. Новая конструктивно-технологическая база позволяет выпускать по тре- бованиям заказчика уникальные образцы пьезоактюаторов, в полной 14 мере соответствующих уровню разработок лучших аналогичных за- рубежных образцов. Их использование в управляемых приводах мик- роперемещений позволит достигать самые высокие технические ха- рактеристики среди устройств данного класса (диапазон перемещений, чувствительность, линейность характеристик, быстродействие). |