压电致动器技术

大家好！

欢迎大家收看本期

执行器培训， 我们将介绍压电

执行器。

我是 Rodney Miranda。

我将主持本次 培训，感谢音频

和执行器团队的支持， 我们将主要介绍如何

实现扬声器和

执行器的出色性能。

今天我们将介绍

压电材料是 什么、它的主要特性、

制造过程和机电模型，

然后通过一个示例应用

进行综合介绍。

希望您在本培训最后

能够了解压电执行器

及其重要性和如何能改进

您的终端应用。

此外，为了 提供更多信息，

幻灯片上的 内容比我要讨论的

内容更多。

如果您看到 您感兴趣的主题，

请按下暂停键， 然后在阅读完后继续。

压电材料是什么？

压电材料 是自然界中存在的

一种特定 类型的材料，

它具有将机械能 与电能相互转换的

独特功能。

一些典型材料包括 陶瓷、晶体、骨骼

等。

压电效应可以 将机械能转换为

电能，因此 我们可以将它

用作传感器 或能量收集器。

同样，逆压电效应

可将电能 转换为机械能。

因此，我们可以 将它用作执行器。

为了节省演示时间，

后续幻灯片 将仅讨论执行器。

这里没有详细比较

压电执行器与 其他执行器，

而是显示了压电 执行器的一般优缺点。

例如，压电执行器的

精度范围可检测纳米级

到毫米级的移动。

此外，机械尺寸还能 实现更多设计自由，

因为它的厚度 通常可低于 1 毫米。

其最重要的特性之一是

没有吸持功率。

在这里不做详述，

这是使用压电 执行器的主要原因，

我们将在后续 幻灯片中讨论。

任何解决方案都会有缺点。

压电执行器的 一个缺点是，

它需要高电压才能 达到全机械摆幅。

此电压范围通常 高达 130 至 300 伏，

在某些情况下 还可能更高，

最终取决于压电材料。

此外，压电执行器 在正常操作下可能

出现非线性或迟滞， 但可以使用一些技术

来帮助减少这种情况。

通常，压电材料

在工厂中生产可达到

更精密的移动检测。

这需要对 材料进行电镀，

以便可以 进行电气连接。

施加高电压信号 以将偶极对齐到一起。

然后去除信号 以使偶极对齐。

现在，可以向压电 执行器应用电气信号

来操作和使用 压电执行器。

注意，这个锁定过程

是可逆的，方法是 对压电执行器进行

反偏压或 达到居里温度，

这样就能使偶极 移动，再一次

不对齐。

压电执行器 可以在几种不同的

机电关系 或模式下实施。

下一张幻灯片 显示了更多描述图。

压电执行器有三种

不同的位移模式。

D33 纵向 执行器的压电板

与移动方向垂直。

此类执行器可在 极小的机械移动下，

提供非常强的力。

D15 剪切 执行器的压电板

与移动方向平行。

不过，这实际 是剪切方向。

它们通常具有 最大的机电系数，

但确实存在一些

实施限制。

D31 收缩 执行器的压电板

与移动方向平行。

与 D33 相似，它可以 在短位移下提供强大的

定向力。

下面三张图显示了 不同堆叠场景下的

这三种模式。

我们将在后续 幻灯片中详细讨论。

另外两种实施形式

是管执行器和弯曲器。

弯曲器是常用的 压电执行器之一，

因为它可以 实现更长位移，

但阻滞力极小。

弯曲是通过连接两个

异向驱动的 压电执行器实现的，

可以使用一个收缩 执行器和一个膨胀

执行器来产生弯曲 行为，或将压电执行器

连接到一块扁平 金属或硬质基材，

这样在压电 执行器膨胀或收缩时，

会产生弯曲行为。

我们已经 介绍了机械特性，

接下来可以 讨论机电模型。

通常，Van Dyke 模型是广受认可的，

从中可将压电执行器 建模为电容器 C0，

与 RLC 电路并联。

这会在低频率 下产生纯电容，

然后在更高频率 下产生最小和最大

谐振阻抗。

作为参考，弯曲器 电容通常小得多，

约为低毫微法拉 范围，纵向堆叠的

电容更高， 在微法范围内。

此 C0 电容 通常与执行器中的

压电材料量成正比。

我之前说过， 压电执行器

可能为 非线性和迟滞，

这两张图在 y 轴上 显示了位置或位移，

在 x 轴上显示了 驱动或衡量的

基准电压。

这摘自 Flemings 和 Moheimani 的论文，

表明了在通过电压 驱动压电执行器时，

差异约为位移的 10% 至 15%，

而当通过电荷驱动时， 差异为 1% 至 2%。

根据此项研究， 压电执行器应通过

电荷或电流驱动， 以在应用中更大限度

降低位移的

非线性。

请注意，这仅 适用于低频应用，

其中压电执行器充当 C0，而非 RLC 电路。

进一步说明一下， 对于低频场景，

每个物理特性

都可与电气特性对应。

我们知道，通过 位置导数可得到速度，

通过二阶导数 可得到加速度。

我们对电容器 使用基本阻抗公式，

I 等于 C 乘以 dV/dT，然后确定

它们之间的相应关系。

这张表说明它们之间

有着紧密的关系，

这实际上还说明一点。

通过电流驱动时，

压电执行器 不仅会更加线性，

用户还可以直接 控制位置、速度

及其加速度。

这对于确保压电执行器 不会因机械过载而损坏

非常重要。

最后，通过想办法 测量压电执行器上的

电压，用户可以 强制电流、测量电压

与时间的关系， 从而计算压电执行器的

阻抗。

与许多其他应用一样，

负载诊断能够为

预防性维护 带来诸多好处，

包括更大限度减少 停机时间、优化系统。

深入说明一下， 现今典型应用使用的是

具有限流电阻器的 电压驱动 OPAMP。

通过将电流驱动 OTA 的电流限制

设置为与 OPAMP 和 电阻相同的电流限制，

OTA 可实现 三倍的调节速度。

接下来讨论功率， 在低频或静态系统中，

压电执行器的行为 方式类似 C0 电容器，

因此，围绕 某个点的调节

只需要移动少量电荷。

这是没有吸持 功率的基础原因。

重申一下，在公式 1 中，如果 dQ 等于 0，

则电流 I 等于 0，

因此电流乘以电压

所得出的功率等于 0。

对于输出不断 变化的动态系统，

功率随应用的

电压、频率以及 压电执行器的电容

按比例变化。

这可以在图中 或公式中看到。

随着位移在电压下 更长，在频率下更快，

或在压电电容下更强，

系统需要更大的功率。

现在您已熟悉 压电执行器的

机械和电气参数， 我可以重新将

压电执行器 堆叠或并联到一起。

降低较高 电压的一种方法

是将压电执行器堆叠 在一起，这样一来，

许多较小位移在相加 后将达到所需位移。

不过在这一情况下， 制造成本将上升，

同样，电容也会上升。

这里显示了两个示例 压电执行器，一个的

峰峰值电压为 120 伏，电流为 4 毫安，

另一个为 2 伏 RMS 和 150 毫安电流。

猜猜哪一个层数更多？

既然您已经非常 了解压电材料，

接下来我们来看 一个典型应用。

大多数电控工业阀门

使用电磁阀 执行器调节流量。

它的优点是简单、 为人熟知并且依靠

工业电源运行。

缺点是分辨率很低。

电流需要始终

穿过电磁阀 以保持磁场。

问问自己，我们能否 改进或修复这个系统？

我们可以修复 移动的分辨率。

这可以通过一些 复杂的调节环路

减轻，但这 需要额外功率

才能运行。

我们能尽可能 降低这一功耗吗？

虽然可以通过一些新的 驱动电路来降低功耗，

但由于电磁阀 技术的物理原理，

我们无法完全 减轻这一问题。

那么再问问自己， 有没有其他技术

能解决这些问题？

有，压电执行器。

从我们已经介绍的 内容来看，压电执行器

具有无吸持功率优势，

因为它的行为 与电容器类似。

这一功率优势可能 看似并不重要，但想想

有 100,000 个 压电执行器的工厂。

功率会很快增加。

还有我们之前 讨论的一些缺点

需要解决或减轻。

问问自己，我们 能否减轻这些缺点？

解决每个缺点？ 我们能否满足

高电压要求？

可以。

TI 在直流/直流转换器 方面拥有丰富经验。

可以通过将升压 转换器集成到 IC

来提供此高电压。

非线性可以修复吗？

可以。

我们已经讨论了 可通过电荷控制

进行改进， 实施闭环系统

也可以大大改进调节。

对电气过驱敏感？

是的。

通过控制驱动 信号的电流和 di/dT，

可以控制 机械应力的大小。

还有成本。

很遗憾，我们无法从 电气角度降低成本，

因为这是由供应商 制定的制造成本。

不过，价格 在持续下降。

随着产量 随时间增加，

价格也会开始下降。

此外，随着金属和铁

材料成本的增加， 电磁阀的成本将

继续升高。

那么旧系统与新系统相比如何？

控制信号 和电源轨相同，

性能更佳、功耗更低。

请注意，这在现如今

已在工业内实施。

可以从表中看出，

工业阀门可以利用

所有压电参数。

实际上，这只是可从 使用压电执行器中

获益的诸多 应用中的一个。

这里显示了 一长串应用列表。

判断您的应用 能否获益的关键方法是

使用左上角的表。

总而言之，压电 执行器功耗低、

位移精确且响应快速，

从而能增加价值。

此外，配合 合适的驱动器，

可以减轻 压电材料的不利影响。

希望本次培训 能帮助您了解

压电执行器。

如有任何问题、 请联系您当地的

销售助理或 音频和执行器产品

业务部门的人员。

谢谢观看。

祝大家愉快。

大家好！

欢迎大家收看本期

执行器培训， 我们将介绍压电

执行器。

我是 Rodney Miranda。

我将主持本次 培训，感谢音频

和执行器团队的支持， 我们将主要介绍如何

实现扬声器和

执行器的出色性能。

今天我们将介绍

压电材料是 什么、它的主要特性、

制造过程和机电模型，

然后通过一个示例应用

进行综合介绍。

希望您在本培训最后

能够了解压电执行器

及其重要性和如何能改进

您的终端应用。

此外，为了 提供更多信息，

幻灯片上的 内容比我要讨论的

内容更多。

如果您看到 您感兴趣的主题，

请按下暂停键， 然后在阅读完后继续。

压电材料是什么？

压电材料 是自然界中存在的

一种特定 类型的材料，

它具有将机械能 与电能相互转换的

独特功能。

一些典型材料包括 陶瓷、晶体、骨骼

等。

压电效应可以 将机械能转换为

电能，因此 我们可以将它

用作传感器 或能量收集器。

同样，逆压电效应

可将电能 转换为机械能。

因此，我们可以 将它用作执行器。

为了节省演示时间，

后续幻灯片 将仅讨论执行器。

这里没有详细比较

压电执行器与 其他执行器，

而是显示了压电 执行器的一般优缺点。

例如，压电执行器的

精度范围可检测纳米级

到毫米级的移动。

此外，机械尺寸还能 实现更多设计自由，

因为它的厚度 通常可低于 1 毫米。

其最重要的特性之一是

没有吸持功率。

在这里不做详述，

这是使用压电 执行器的主要原因，

我们将在后续 幻灯片中讨论。

任何解决方案都会有缺点。

压电执行器的 一个缺点是，

它需要高电压才能 达到全机械摆幅。

此电压范围通常 高达 130 至 300 伏，

在某些情况下 还可能更高，

最终取决于压电材料。

此外，压电执行器 在正常操作下可能

出现非线性或迟滞， 但可以使用一些技术

来帮助减少这种情况。

通常，压电材料

在工厂中生产可达到

更精密的移动检测。

这需要对 材料进行电镀，

以便可以 进行电气连接。

施加高电压信号 以将偶极对齐到一起。

然后去除信号 以使偶极对齐。

现在，可以向压电 执行器应用电气信号

来操作和使用 压电执行器。

注意，这个锁定过程

是可逆的，方法是 对压电执行器进行

反偏压或 达到居里温度，

这样就能使偶极 移动，再一次

不对齐。

压电执行器 可以在几种不同的

机电关系 或模式下实施。

下一张幻灯片 显示了更多描述图。

压电执行器有三种

不同的位移模式。

D33 纵向 执行器的压电板

与移动方向垂直。

此类执行器可在 极小的机械移动下，

提供非常强的力。

D15 剪切 执行器的压电板

与移动方向平行。

不过，这实际 是剪切方向。

它们通常具有 最大的机电系数，

但确实存在一些

实施限制。

D31 收缩 执行器的压电板

与移动方向平行。

与 D33 相似，它可以 在短位移下提供强大的

定向力。

下面三张图显示了 不同堆叠场景下的

这三种模式。

我们将在后续 幻灯片中详细讨论。

另外两种实施形式

是管执行器和弯曲器。

弯曲器是常用的 压电执行器之一，

因为它可以 实现更长位移，

但阻滞力极小。

弯曲是通过连接两个

异向驱动的 压电执行器实现的，

可以使用一个收缩 执行器和一个膨胀

执行器来产生弯曲 行为，或将压电执行器

连接到一块扁平 金属或硬质基材，

这样在压电 执行器膨胀或收缩时，

会产生弯曲行为。

我们已经 介绍了机械特性，

接下来可以 讨论机电模型。

通常，Van Dyke 模型是广受认可的，

从中可将压电执行器 建模为电容器 C0，

与 RLC 电路并联。

这会在低频率 下产生纯电容，

然后在更高频率 下产生最小和最大

谐振阻抗。

作为参考，弯曲器 电容通常小得多，

约为低毫微法拉 范围，纵向堆叠的

电容更高， 在微法范围内。

此 C0 电容 通常与执行器中的

压电材料量成正比。

我之前说过， 压电执行器

可能为 非线性和迟滞，

这两张图在 y 轴上 显示了位置或位移，

在 x 轴上显示了 驱动或衡量的

基准电压。

这摘自 Flemings 和 Moheimani 的论文，

表明了在通过电压 驱动压电执行器时，

差异约为位移的 10% 至 15%，

而当通过电荷驱动时， 差异为 1% 至 2%。

根据此项研究， 压电执行器应通过

电荷或电流驱动， 以在应用中更大限度

降低位移的

非线性。

请注意，这仅 适用于低频应用，

其中压电执行器充当 C0，而非 RLC 电路。

进一步说明一下， 对于低频场景，

每个物理特性

都可与电气特性对应。

我们知道，通过 位置导数可得到速度，

通过二阶导数 可得到加速度。

我们对电容器 使用基本阻抗公式，

I 等于 C 乘以 dV/dT，然后确定

它们之间的相应关系。

这张表说明它们之间

有着紧密的关系，

这实际上还说明一点。

通过电流驱动时，

压电执行器 不仅会更加线性，

用户还可以直接 控制位置、速度

及其加速度。

这对于确保压电执行器 不会因机械过载而损坏

非常重要。

最后，通过想办法 测量压电执行器上的

电压，用户可以 强制电流、测量电压

与时间的关系， 从而计算压电执行器的

阻抗。

与许多其他应用一样，

负载诊断能够为

预防性维护 带来诸多好处，

包括更大限度减少 停机时间、优化系统。

深入说明一下， 现今典型应用使用的是

具有限流电阻器的 电压驱动 OPAMP。

通过将电流驱动 OTA 的电流限制

设置为与 OPAMP 和 电阻相同的电流限制，

OTA 可实现 三倍的调节速度。

接下来讨论功率， 在低频或静态系统中，

压电执行器的行为 方式类似 C0 电容器，

因此，围绕 某个点的调节

只需要移动少量电荷。

这是没有吸持 功率的基础原因。

重申一下，在公式 1 中，如果 dQ 等于 0，

则电流 I 等于 0，

因此电流乘以电压

所得出的功率等于 0。

对于输出不断 变化的动态系统，

功率随应用的

电压、频率以及 压电执行器的电容

按比例变化。

这可以在图中 或公式中看到。

随着位移在电压下 更长，在频率下更快，

或在压电电容下更强，

系统需要更大的功率。

现在您已熟悉 压电执行器的

机械和电气参数， 我可以重新将

压电执行器 堆叠或并联到一起。

降低较高 电压的一种方法

是将压电执行器堆叠 在一起，这样一来，

许多较小位移在相加 后将达到所需位移。

不过在这一情况下， 制造成本将上升，

同样，电容也会上升。

这里显示了两个示例 压电执行器，一个的

峰峰值电压为 120 伏，电流为 4 毫安，

另一个为 2 伏 RMS 和 150 毫安电流。

猜猜哪一个层数更多？

既然您已经非常 了解压电材料，

接下来我们来看 一个典型应用。

大多数电控工业阀门

使用电磁阀 执行器调节流量。

它的优点是简单、 为人熟知并且依靠

工业电源运行。

缺点是分辨率很低。

电流需要始终

穿过电磁阀 以保持磁场。

问问自己，我们能否 改进或修复这个系统？

我们可以修复 移动的分辨率。

这可以通过一些 复杂的调节环路

减轻，但这 需要额外功率

才能运行。

我们能尽可能 降低这一功耗吗？

虽然可以通过一些新的 驱动电路来降低功耗，

但由于电磁阀 技术的物理原理，

我们无法完全 减轻这一问题。

那么再问问自己， 有没有其他技术

能解决这些问题？

有，压电执行器。

从我们已经介绍的 内容来看，压电执行器

具有无吸持功率优势，

因为它的行为 与电容器类似。

这一功率优势可能 看似并不重要，但想想

有 100,000 个 压电执行器的工厂。

功率会很快增加。

还有我们之前 讨论的一些缺点

需要解决或减轻。

问问自己，我们 能否减轻这些缺点？

解决每个缺点？ 我们能否满足

高电压要求？

可以。

TI 在直流/直流转换器 方面拥有丰富经验。

可以通过将升压 转换器集成到 IC

来提供此高电压。

非线性可以修复吗？

可以。

我们已经讨论了 可通过电荷控制

进行改进， 实施闭环系统

也可以大大改进调节。

对电气过驱敏感？

是的。

通过控制驱动 信号的电流和 di/dT，

可以控制 机械应力的大小。

还有成本。

很遗憾，我们无法从 电气角度降低成本，

因为这是由供应商 制定的制造成本。

不过，价格 在持续下降。

随着产量 随时间增加，

价格也会开始下降。

此外，随着金属和铁

材料成本的增加， 电磁阀的成本将

继续升高。

那么旧系统与新系统相比如何？

控制信号 和电源轨相同，

性能更佳、功耗更低。

请注意，这在现如今

已在工业内实施。

可以从表中看出，

工业阀门可以利用

所有压电参数。

实际上，这只是可从 使用压电执行器中

获益的诸多 应用中的一个。

这里显示了 一长串应用列表。

判断您的应用 能否获益的关键方法是

使用左上角的表。

总而言之，压电 执行器功耗低、

位移精确且响应快速，

从而能增加价值。

此外，配合 合适的驱动器，

可以减轻 压电材料的不利影响。

希望本次培训 能帮助您了解

压电执行器。

如有任何问题、 请联系您当地的

销售助理或 音频和执行器产品

业务部门的人员。

谢谢观看。

祝大家愉快。