什么是开环、什么是闭环?
我们已经了解了压电陶瓷特性中存在迟滞特性、蠕变特性、非线性,也就是开环压电陶瓷、纳米定位台等压电产品的位移量不会随着电压的线性升降而线性变化。我们称之为开环状态。
为压电陶瓷或纳米定位台产品配置高分辨率传感器,控制器配置传感检测模块,传感模块对压电陶瓷或纳米定位台的位移进行检测,再将检测到的位置信号反馈给驱动模块,驱动模块改变电压调整压电产品的位移,从而使非线性得以修正,实现精准定位,定位精度可以达到纳米量级。我们把这样带有位置传感反馈功能的回路称之为闭环。
如何确定选择开环与闭环?
由于压电陶瓷的迟滞、蠕变、非线性,大约10%左右满行程位移量的位置偏差,首先要确定这个偏差是否在应用要求可接受范围内,如果可以,那么选择开环即可,如果需要位置的准确性大于满行程位移的1%,则需要选择闭环版本。
开环版本压电产品非常适用于要求超快响应速度、非常高的分辨率,但绝对定位不那么重要的应用中。它也可以用于采用外部反馈控制系统,如:干涉仪、PSD(定位敏感二极管)、CCD芯片/图像处理系统、操作员手眼控制等。
闭环版本压电产品配置了高分辨率、响应速度快的传感器,配备在机构中合适的位置,通过向控制器反馈高带宽、纳米级定位精度的反馈信号。
闭环传感器类型
目前芯明天的压电传感器包括三种:电容式CAP、电感式LVDT、电阻式SGS 。从定位精度角度来讲,电容式传感器远远高于其他两种,而从性价比及工艺结构特点来看,目前电阻式传感器在压电产品中应用广泛。
分析
电容式:定位精度是满行程的0.001%
芯明天目前提供的IT.Z1000为电容式传感闭环压电纳米定位台,行程为1mm, 满行程闭环定位精度为10nm,在光学显微聚焦应用领域发挥着重要的作用。
电阻式:定位精度是满行程的0.05%
芯明天采用高分辨率、高响应频率的进口SGS传感器,配置在压电产品适合的位置,产品的重复定位精度可达满行程0.05%,配套芯明天E00/01系列24位闭环控制器产品,实现亚纳米级分辨率,纳米级定位精度。芯明天SGS传感器使用全桥配置以消除热漂移,并保证光学定位在纳米范围的稳定性。
闭环驱动注意事项
闭环压电产品需要与闭环控制器配套使用,在出厂前,技术人员需要对闭环控制器进行连接测试及标定,因此闭环压电产品与闭环控制器为一一对应,错误的连接可能会引起损坏。
举例
下图描述的是开环和闭环操作下模拟信号电压线性施加到压电纳米定位台,执行电压顺序(0V→10V→0V)。
开环工作:芯明天控制器XE-650.OW与芯明天P11.X压电纳米定位台
闭环工作: 芯明天控制器E72.S1L与芯明天P12压电扫描台
小常识
在几千赫兹以上的高动态操作,迟滞蠕变特性不能完全呈现,因此开环即可。
与闭环电路控制相比,开环版本控制系统的响应时间(带宽)会更快。
对于闭环版本,由于受到位置传感器与PID算法的双重影响,分辨率相较于开环要略低,对于只对分辨率有很高要求的应用,选择开环即可。
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