积层式压电陶瓷驱动器的特性分析

积层式压电陶瓷驱动器除了具有压电陶瓷所共有的性质外，还具有其自有的特性，主要包括迟滞特性、蠕变特性、温度特性、压力特性、刚度特性以及电容特性等几个方面。积层式压电驱动器的特性直接影响到压电驱动式高压共轨喷油器机械结构和控制系统的设计，以及压电喷油器的喷油特性，因而必须对其性能加以研究分析。

1.迟滞特性

积层式压电驱动器的迟滞特性是影响积层式压电驱动器位移输出精度的主要因素。积层式压电驱动器的迟滞特性表现为驱动电压—位移曲线的升压与降压不重合，如图6-42所示。驱动电压相同时，升压过程和降压过程的输出位移不同；同是在降压过程，返回电压的峰值不同，输出的位移也不相同。但是，频率对迟滞和非线性的影响不明显。压电陶瓷的迟滞非线性属于非局部存储型迟滞非线性，这是压电陶瓷固有的特性。其主要特点是：系统下一时刻的输出不仅仅取决于当前时刻的输入，还取决于输入的历史。压电陶瓷的迟滞环是不对称的，即上升轨迹和下降轨迹之间没有对称轴。压电陶瓷的位移不仅与电介质极化电荷有关，还与剩余极化电荷有关。

图6-42 不同驱动电压下的滞环曲线

压电陶瓷位移与电场强度及电极化强度之间有如下关系

式中 ΔL——压电陶瓷的伸长量；

E——压电陶瓷的内部电场强度；

Q′——电介质表面的极化电荷；

ε——压电介质的介电常数；

ε₀——真空中的介电常数；

Q_r——极化后的剩余电荷；

S——压电陶瓷的横截面积；

K——压电陶瓷叠片的弹性模量；

M——电致伸缩系数。

式（6-98）表明了压电陶瓷位移量与电场强度之间的关系，即压电陶瓷位移量与所加电压之间的关系E=U/d。

式（6-98）中的ε不是常量，而是和所加电压及加压过程有关，由关系式可见压电陶瓷的位移量与电场强度的关系式中有ε项，因而压电陶瓷位移和电场强度（电压）的特性曲线存在迟滞。

2.蠕变特性

压电陶瓷堆的蠕变是电场（电压）一定的情况下，其位移形变随时间产生变化的一种特性。这是由于在恒定电场作用时压电晶体电畴缓慢排列所引起的现象，如图6-43所示。压电堆施加电压的阶跃变化会在毫秒之内产生，之后更长时间是小变化。蠕变总是同电压阶跃引起的变化方向相一致。研究蠕变特性主要研究压电陶瓷在外电场作用下位移和时间的关系。如果测量位移的系统的精度只能达到1μm，所以只有当压电陶瓷堆的蠕变达到1μm时才可以测量得出来，可以看得出在压电陶瓷堆两端电压稳定在80V时，当时间超过10s才测到位移形变增加了1_μm，而压电陶瓷堆作为喷油器驱动器，工作频率非常快，所以压电陶瓷堆的这种蠕变特性不会影响到它的控制精度。(www.xing528.com)

图6-43 压电堆执行器已达到60_μm时的蠕变曲线

为了改善蠕变特性，可依据其时间特性在反馈控制中加入时间常数以减小或消除蠕变的影响，也可采用闭环控制来监测和消除蠕变的影响。蠕变的速率以时间的对数而下降。下列方程可用于对蠕变进行描述

式中 ΔL_t=0.1——电压完全改变后0.1s所达到的位移（m）；

γ——蠕变系数。

3.温度特性

在高精度定位及某些特殊应用场合，压电陶瓷的温度特性也是不容忽视的，压电陶瓷的温度特性主要表现在两个方面：

（1）线膨胀 这是指压电陶瓷随着温度的变化而伸长的特性，由于积层式压电陶瓷执行器是由多片压电陶瓷片粘接而成，因而其线膨胀系数既受压电陶瓷片的影响，也受陶瓷片之间连接材料的影响。

（2）温度对压电效应的影响 压电陶瓷的输出位移随着温度的增加而减小，且位移减小幅度较小，在0～50℃范围内仅减少5%～8%。压电陶瓷的迟滞也随温度而变化，但是变化较小。

4.刚度特性

刚度是指器件本身抵抗外力而产生变形的能力。压电堆刚度特性研究的是压电堆的变形量与输出力的关系。通过测试，可以确定压电执行器的最大位移和最大输出力，此两点数据决定了压电元件的刚度，同时负载的刚度如果已知的话，则可以确定压电执行器的工作点。如图6-44所示，有两种刚度的负载曲线，在不同的驱动电压下与压电执行器刚度曲线相交的点有3个，这3个点就是该压电执行器在此负载下，不同电压下的工作状态点。

图6-44 压电执行器刚度曲线和负载刚度曲线

图6-45 压电堆执行器等效电路

5.电容特性

压电元件为电容性元件，因此积层式压电堆驱动器可以看作是很多个电容器并联在一起的电容。在工作中，当用电信号对其进行控制时，要充分考虑到其电容特性，即充放电能力。对于外加电场而言，压电陶瓷相当于电容性负载，在稳态时功耗极小。积层式压电堆驱动器的电容比较大，类型不同电容大小也不同，一般该值从1～5μF不等。德国BOSCH公司压电陶瓷驱动的高压共轨喷油器的积层式压电堆驱动器的电容经测试，在一定预紧力下，为3.3μF。其实积层式压电堆驱动器应看作电容、电感和电阻相互联系的结合体，电感和电阻为耗能系统，工作时使积层式压电堆驱动器产生热量，电容只提供充放电的功能，但只有在高频工作时才体现出电感的特性。等效电路如图6-45所示。压电堆作为电容性器件，在驱动信号频率较高的情况时，必须为其设计高频放电回路，才能有效利用其逆压电效应。