Почему резонансная частота важна в пьезоэлектрических приборах?

Резонанс возникает, когда резонансная частота (также называемая собственной частотой) объекта или системы равна или очень близка к частоте, на которой они возбуждаются. Это вызывает сильную вибрацию объекта или системы и может привести к неожиданным последствиям.–а иногда и катастрофическое поведение.

Когда один колеблющийся объект или система (пьезопривод или контроллер) приводит в действие другую систему (пьезодвигатель или исполнительный механизм) на собственной частоте второй системы или вблизи нее, вторая система будет колебаться с высокой амплитудой на определенной частоте. Когда эффект демпфирования невелик, резонансная частота системы приблизительно равна ее собственной частоте.

Где:

f₀= резонансная частота (без нагрузки) (Гц)

k_T = пьезоэлектрическая жесткость (Н/м)

m_{эффективный} = эффективная масса (кг)

Резонансная частота пьезодвигатель или исполнительный механизм зависит от состава материала, формы и объема. Например, более толстый пьезоэлемент будет иметь более низкую резонансную частоту, чем более тонкий элемент той же формы. Кроме того, подключение нагрузки к пьезодвигателю или исполнительному механизму снижает его резонансную частоту – чем выше нагрузка, тем больше снижается резонансная частота. В спецификациях производителя резонансная частота, указанная для пьезопривода, предполагает, что он разгружен и один конец закреплен или прикреплен к массе, которая значительно превышает массу привода.

Где:

f₀‘ = резонансная частота с добавленной массой (Гц)

m_{эффективный} = м_{эффективный} + дополнительная масса (кг)

В электрической цепи, представляющей собой пьезоэлемент, частота, на которой полное сопротивление цепи является минимальным, является последовательной резонансной частотой, f_s И наоборот, параллельная резонансная частота, f_p, в эквивалентной схеме возникает, когда полное сопротивление в цепи теоретически бесконечно (при условии, что механические потери игнорируются). Это также известно как антирезонансная частота, f_a.

Последовательные и параллельные частоты являются подходящими приближениями минимальных и максимальных частот полного сопротивления – f_m и f_n, соответственно – и, следовательно, используются для определения параметров пьезоэлектрического двигателя или системы. Максимальный отклик пьезосистемы происходит в интервале f_m и f_nПьезосистемы с более высокой резонансной частотой будут иметь лучшую фазовую и амплитудную характеристику, что означает, что рабочая частота может быть выше.

Теоретически резонансная частота — это рабочая частота, при которой пьезоматериал наиболее легко вибрирует и наиболее эффективно преобразует электрическую энергию в механическую. Однако пьезосистемы (особенно приводы, используемые для позиционирования) часто работают ниже своих резонансных частот, чтобы свести к минимуму фазовый сдвиг между управляющим сигналом и приводом.

При работе ниже своих резонансных частот пьезоприводы действуют как конденсаторы, смещение которых пропорционально накопленному заряду. При быстром увеличении управляющего напряжения пьезосистема обычно может достичь номинального смещения за 1/3 периода своей резонансной частоты. Однако это приводит к значительному превышению скорости, которое должно быть компенсировано контроллером.