PI: actuateurs piezos, platines et electroniques

 
Physik Instrumente

 
 
Théorie du Piézo
 
Caractéristiques et Applications des Systèmes de Positionnement Piézos
Glossaire
Symboles et Unités
Introduction
Aperçu rapide
Fondamentaux de la  Piézoélectricité
Fondamentaux de la Piézomécanique
Actuateurs et Capteurs
Fondamentaux des Actuateurs  Piézoélectriques
Fondamentaux du Fonctionnement Dynamique
Fondamentaux Electriques des Actuateurs Piézos
Contrôle des Actuateurs  et Platines Piézos
Conditions Environnementales et Influences
Conception Basique des Systèmes de Positionnement Piézos
Cinématique / Métrologie Parallèlles et Série
PMN Comparés aux  PZT
Résumé
Guide de Montage et de Maniement des Translateurs Piézos

THÉORIE DU PIÉZO


 

Contrôle des Actuateurs et des Platines  Piézos 
Servocommande de Position

Une  servocommande de position élimine le comportement non linéaire des  piézocéramiques tels que l'hystérésis et le fluage et est la solution pour les  déplacements nanométriques  hautement répétitifs. 

PI offre la plus grande sélection  de mécanismes piézos à boucle fermée et  d'électroniques de commande. Les avantages d'une servocommande de position sont:

 
  • Linéarité, stabilité, répétabilité et précision  élevées
  • Compensation automatique en cas de variation de charges ou de forces
  • Raideur pratiquement  infinie (dans les limites de la charge)
  • Élimination des effets d'hystérésis et de fluage


Les actuateurs et les systèmes piézos à boucle fermée de PI sont équipés  de  systèmes de mesure de la position  fournissant une résolution subnanométrique, une linéarité meilleure que 0,01 %, et une bande  passante  jusqu'à  10 kHz. Un contrôleur  asservi    (numérique ou analogique) détermine la tension appliquée sur la céramique  PZT en comparant un signal de référence  (position commandée) au signal de position du capteur réel  (voir Fig. 28).

Pour une précision maximum, il est recommandé que le capteur  mesure directement le déplacement de la pièce  dont la position est importante (métrologie directe). PI offre une grande  variété d'actuateurs piézos avec des capteurs de métrologie directe  intégrés. Les capteurs capacitifs fournissent la meilleure précision (voir section 5, “Capteurs de Position Capacitifs ”). Des systèmes plus simples et moins précis mesurent des valeurs telles que la  déformation dans les éléments d'entraînement.

Résolution en Boucle Ouverte et en Boucle Fermée
Les systèmes piézos asservis en position offrent une linéarité et une  répétabilité plusieurs fois supérieures aux systèmes à boucle ouverte. La  résolution (déplacement  incrémentiel minimum) des actuateurs  piézos est  réellement meilleure pour des systèmes à boucle ouverte que  pour des  systèmes à boucle fermée. Ceci est dû au fait que  la résolution du piézo n'est pas limitée par la friction mais plutôt par le bruit électronique. En boucle ouverte, il n'y a pas de capteur ni d'électronique d'asservissement pour ajouter un bruit supplémentaire sur le signal de  contrôle. Dans un système piézo asservi, les électroniques du capteur et de contrôle sont donc particulièrement importantes. Avec des systèmes appropriés de haute qualité, une résolution subnanométrique  est aussi  possible en mode à boucle fermée, comme décrit Fig. 30 et 31. Les capteurs capacitifs  permettent d'atteindre la résolution, la linéarité et la stabilité les plus élevées.
 
Données de Calibrage Piézo 
Chaque contrôleur de position piézo asservi de  PI est calibré  avec le système spécifique de positionnement piézo à boucle fermée pour obtenir la gamme de déplacement, la réponse en fréquence et le temps de stabilisation optimaux.  Le calibrage est effectué en usine  et un rapport donnant les valeurs de la précision en positionnement tabulées et tracées est  fourni  avec le système  (voir p. see link). Afin d'optimiser le calibrage, il est nécessaire de connaître en détail  l'application spécifique. Pour plus d'informations  voir   p. see link  dans la section  “ Piézo Drivers & Nanopositioning Controllers"

Les contrôleurs numériques peuvent lire automatiquement les valeurs de calibrage  importantes inscrites sur une puce personnalisée intégrée dans le mécanisme  piézo. Cette fonction facilite l'utilisation d'un contrôleur  avec différents  actuateurs/platines et vice versa.


 

SUITE  

Fig. 27. Variety of digital piezo controllers.
Fig. 27. Quelques contrôleurs piézos numériques

Fig. 28. Block diagram of a typical PI closed-loop piezo positioning system.
Fig. 28. Schéma fonctionnel d'un système de positionnement piézo à boucle fermée de PI.

Fig. 29. Closed-loop position servo-control. For optimum performance, the sensor is mounted directly on the object to be positioned (direct metrology).
Fig. 29. Servocommande de position à boucle fermée. Pour une performance optimale, le capteur est monté directement sur l'objet devant être positionné (métrologie directe)

Fig. 30. Response of a closed-loop PI piezo actuator (P-841.10, 15 µm, strain gauge sensor) to a 3 nm peak-to-peak square-wave control input signal, measured with servo-control bandwidth set to 240 Hz and 2 msec settling time. Note the crisp, backlash-free behavior in the nanometer range.
Fig. 30. Réponse d'un actuateur piézo à boucle fermée (P-841.10, 15µm, capteur à jauge de déformation) à un signal d'entrée  de commande carrée de 3 nm crête à crête, mesuré  avec une bande passante d'asservissement  fixée à 240 Hz et un temps d'établissement de 2 msecondes. A noter le comportement  sans jeu et sans à-coup  dans la gamme du nanomètre.


Fig. 31. PI piezo actuators with capacitive position sensors can achieve extremely high resolutions, as seen in the above result of a 250 picometer step by a S-303 phase corrector (Controller: E-509.C1A servo-controller and E-503 amplifier). The measurements were made with an ultra-sensitive capacitive sensor having a resolution of ±0.02 nm.
Fig. 31. Les actuateurs piézos  de PI avec des capteurs de position capacitifs peuvent atteindre des résolutions  extrêmement élevées, comme  dans le résultat présenté ci-dessus d'un pas de 250 picomètres par un correcteur de phase S-303 (Contrôleur: servocontrôleur E-509.C1A et   amplificateur E-503). Les mesures ont été effectuées avec un capteur capacitif ultra-sensible ayant une résolution de ± 0.02 nm.

 

Fig. 32. Open-loop vs. closed-loop performance graph of a typical PI piezo actuator.
Fig. 32. Courbes de performance d'un actuateur piézo de PI typique fonctionnant en boucle ouverte 
n    

Pour nous contacter,
ou
pour recevoir le nouveau catalogue PI cliquez:
  
Physik Instrumente  

Distribué en France par POLYTEC-PI
32 rue Delizy   -  93694  -   PANTIN CEDEX
Tel: 01.48.10.39.38  Fax: 01.48.10.08.03
e-mail:
pi.pic@polytec-pi.fr

Retour Accueil