壓電效應是一種施加應力能產(chǎn)生電荷,施加電場能產(chǎn)生尺寸上變形的效應。本質上是一種機械能與電能交互作用的現(xiàn)象。壓電效應分為正壓電效應和逆壓電效應,正壓電效應一般應用在壓電式傳感器上,即將機械能轉為電能。壓電式驅動器大多是逆壓電效應,利用磁效應制成。壓電驅動將變形直接作用于從動件實現(xiàn)機械驅動,不同于傳統(tǒng)驅動器那種需要先形成旋轉再轉換為目標動力,因此壓電驅動一般具有結構簡單、可控性高、適應性強和精度高響應快的特點。
因為壓電式驅動到足夠高的頻率可以產(chǎn)生可聞噪聲,在應用上壓電式驅動器用途廣泛。而且在響應速度上,相比LRA,ERM以及電磁閥驅動,壓電式驅動的響應速度有極大領先,通常壓電式驅動響應速度僅在1ms左右,遠快過其他驅動。
TI DRV壓電驅動系列
TI的DRV壓電驅動系列為Mide,Mplus,PI Ceramic,PUI Audio,TDK等主流運控廠商提供了業(yè)內(nèi)高性能的壓電驅動芯片。從總體上來看,高驅動電壓,較低的系統(tǒng)功率以及最快響應時間是這個系列的優(yōu)勢所在。
(DRV2700,TI)
DRV2700的輸入信號既可以是差分信號,也可以是單端信號,而且交流或直流耦合均支持。因此DRV2700可以驅動高壓和低壓壓電負載。升壓電壓是通過兩個外部電阻進行設置的。 升壓電流限值可通過R(REXT)電阻進行編程。與此同時,升壓轉換基于滯后架構,可最大程度上降低開關損耗,從而提高效率。另外,DRV2700支持四種 GPIO 控制的增益:28.8dB、34.8dB、38.4dB 和 40.7dB。
在集成了多種器件的情況下,DRV2700的啟動時間也僅為1.5ms,從速度上來看這個系列肯定是極為理想的壓電驅動選擇。
圣邦微高速壓電驅動芯片
(高速壓電驅動芯片,SGMICRO)
SGM4547是高速壓電驅動芯片,集成了升壓DC/DC以實現(xiàn)高驅動電壓。SGM4547集成的升壓DC/DC在常用5V的供電下,最大可以輸出26V驅動電壓。在超聲波換能器驅動和壓電發(fā)生器驅動上,這個系列是比較優(yōu)秀的國產(chǎn)選擇。
同時,SGM4547的電路設計是很獨特的,可以提供超高速驅動,能夠將2A的峰值電流傳遞到高電容負載中。在控制上也比較靈活,可以同時控制兩路信號輸入。匹配的上升和下降延遲時間提高了速度和驅動能力—這些匹配的延遲可保持輸入至輸出脈沖寬度的完整性,以減少定時誤差和時鐘偏移問題。動態(tài)開關損耗則通過非重疊驅動技術得以最小化。另外,該系列輸出阻抗很低,同時內(nèi)置了欠壓保護,在可靠性上也有相當?shù)谋WC。
Thorlabs 壓電陶瓷芯片系列
(壓電陶瓷芯片,Thorlabs)
Thorlabs帶?2 mm中心通孔的壓電陶瓷驅動器由帶交叉電極的分立式壓電陶瓷層構成,這種多層設計可以實現(xiàn)高共振頻率和亞毫秒級的響應時間,而交叉電極的使用最大程度地縮小了驅動電壓的范圍,驅動電壓范圍為0-150 V。
這種結構緊湊的壓電陶瓷芯片易于集成到系統(tǒng)中,用于精密位移,且可提供的最大自由行程位移從1.8 μm到3.0 μm。該芯片的四個外側面都有一層絕緣的陶瓷層,內(nèi)部有通孔,可以防止其受潮。與鍍環(huán)氧樹脂的設計相比,陶瓷層的防潮能力更佳。其余兩個側面具有絲網(wǎng)印刷的銀電極,用來施加驅動電壓。
從Thorlabs壓電陶瓷芯片的驅動電壓范圍和亞微米級的分辨率來看,在真空和OEM應用上,壓電陶瓷芯片的優(yōu)勢極大。
小結
壓電驅動隨著新材料的出現(xiàn)不斷發(fā)展,新的壓電陶瓷促進了新應用的發(fā)展。可被驅動到高頻率同時擁有極短響應時間的壓電驅動已經(jīng)被開發(fā)用作納米級的精密驅動,成為近年來精密驅動的主要構造方式之一。
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