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從開(kāi)環(huán)到閉環(huán)：壓電位移控制精度的躍遷之路

閱讀：63      發(fā)布時(shí)間：2025-10-11
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    在納米級(jí)定位需求日益增長(zhǎng)的今天，壓電位移臺(tái)因響應(yīng)快、精度高的特性成為精密制造與科研的關(guān)鍵設(shè)備。然而，開(kāi)環(huán)控制下的壓電系統(tǒng)只關(guān)注輸出動(dòng)作，不考量動(dòng)作結(jié)果是否符合預(yù)期，導(dǎo)致定位誤差累積。閉環(huán)控制的引入，通過(guò)實(shí)時(shí)反饋矯正這一缺陷，將壓電位移臺(tái)的定位精度提升至設(shè)定目標(biāo)。本文將從開(kāi)環(huán)與閉環(huán)對(duì)比和閉環(huán)在壓電控制的必要性這兩方面，剖析閉環(huán)控制在壓電系統(tǒng)中的決定性作用。




 開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的對(duì)比 


     開(kāi)環(huán)和閉環(huán)是控制領(lǐng)域最基礎(chǔ)，也最核心的兩種控制模式。開(kāi)環(huán)控制指的是控制裝置與被控對(duì)象之間僅存在單向作用，不存在任何反向信息傳遞的控制過(guò)程，由此構(gòu)成的系統(tǒng)被稱為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制則是把被控對(duì)象的輸出量直接或間接送回輸入端，形成一個(gè)閉合回路，利用輸出反饋來(lái)調(diào)整控制行為的控制方式。
     開(kāi)環(huán)的英文名稱是 open-loop，因其無(wú)需反饋環(huán)節(jié)，也常被直接稱作開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。它的核心特征是 “不回頭看"—— 不會(huì)將控制結(jié)果反饋到輸入端來(lái)修正當(dāng)前的控制動(dòng)作。這就像一種單向指令執(zhí)行：我們給控制器設(shè)定一個(gè)參數(shù)，控制器就嚴(yán)格按照這個(gè)參數(shù)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，只關(guān)注輸出動(dòng)作，不考量動(dòng)作結(jié)果是否符合預(yù)期。這種系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原理易懂，操作和維護(hù)都很方便。但短板也十分明顯，精度提升和響應(yīng)速度都受到先天限制，因此通常只用在外界干擾可忽略、被控對(duì)象慣性小，或者對(duì)控制精度要求不高的場(chǎng)景，實(shí)際應(yīng)用中往往表現(xiàn)為穩(wěn)定性較差。打個(gè)比方，開(kāi)環(huán)相當(dāng)于開(kāi)水龍頭，只負(fù)責(zé)擰到一定的位置，實(shí)際出水的流量是否有變化，變化小還是大，是沒(méi)有監(jiān)測(cè)的。

圖1 開(kāi)環(huán)流程圖

     閉環(huán)又稱閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)，其核心是由信號(hào)的正向傳輸通路和反向反饋通路共同構(gòu)成的閉合回路。它的工作邏輯是：先設(shè)定一個(gè)期望的目標(biāo)值，再通過(guò)檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)測(cè)量被控對(duì)象的實(shí)際輸出值。將兩者進(jìn)行比較得出偏差，最后通過(guò)算法調(diào)整正向傳輸。閉環(huán)反饋加算法補(bǔ)償讓實(shí)際輸出不斷接近期望目標(biāo)。簡(jiǎn)單說(shuō)，就是閉環(huán)系統(tǒng)能 “自我監(jiān)測(cè)、自我修正"—— 人們?cè)O(shè)定好目標(biāo)后，系統(tǒng)自帶的檢測(cè)電路會(huì)持續(xù)反饋實(shí)際狀態(tài)，整個(gè)控制過(guò)程就是跟蹤目標(biāo)的動(dòng)態(tài)調(diào)整過(guò)程。還是以開(kāi)水龍頭為例，閉環(huán)系統(tǒng)則是給水龍頭裝上了流量傳感器，通過(guò)實(shí)時(shí)反饋，控制調(diào)節(jié)水龍頭開(kāi)啟增大或減小以保證穩(wěn)定的流量，可有效改善水壓不穩(wěn)定出水量不統(tǒng)一的情況。這種系統(tǒng)定位精度高，但系統(tǒng)復(fù)雜，主要用于高精度的系統(tǒng)。

圖2 閉環(huán)流程圖

     換言之，開(kāi)環(huán)控制是 “指令下達(dá)即執(zhí)行到底"，只要參數(shù)設(shè)定好，就會(huì)按固定邏輯運(yùn)行，不會(huì)因結(jié)果偏差改變動(dòng)作；而閉環(huán)控制是 “指令下達(dá)后持續(xù)收反饋"，若反饋顯示實(shí)際狀態(tài)與目標(biāo)偏離，就可能調(diào)整甚至?xí)和Ｔ噶睢?/span>

  閉環(huán)在壓電控制中的技術(shù)必要性  

     壓電控制的工作原理是基于逆壓電效應(yīng)，即壓電陶瓷在外部電場(chǎng)作用下產(chǎn)生與電場(chǎng)強(qiáng)度成比例的機(jī)械形變，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)位移。因?yàn)閴弘姴牧显诮邮芎艽箅妷簳r(shí)，僅能產(chǎn)生微納米級(jí)別的位移。這一特性使其在精密驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域具備天然優(yōu)勢(shì)，但壓電陶瓷材料本身的固有缺陷卻嚴(yán)重制約了定位精度的提升。


圖3 逆壓電效應(yīng)原理圖


     其中，非線性誤差是突出的問(wèn)題。遲滯誤差作為典型的非線性表現(xiàn)，在壓電陶瓷的充放電過(guò)程中尤為明顯，其誤差范圍可達(dá) 3%-15%，這意味著相同電壓輸入在升壓和降壓過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生顯著的位移偏差，形成閉合的遲滯回環(huán)。蠕變誤差則表現(xiàn)為在恒定電壓作用下，位移隨時(shí)間持續(xù)緩慢變化，誤差速率可達(dá) 0.1%-1%/h，對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定定位的場(chǎng)景極為不利。此外，環(huán)境溫度波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致壓電陶瓷的介電常數(shù)和彈性模量發(fā)生變化，負(fù)載變化則會(huì)改變形變的力平衡狀態(tài)，這些因素都會(huì)進(jìn)一步加劇位移誤差，若不加以控制，將喪失壓電位移臺(tái)的精密定位價(jià)值。


圖4 壓電材料遲滯現(xiàn)象示意圖

     開(kāi)環(huán)控制模式下，系統(tǒng)僅依賴預(yù)設(shè)的輸入電壓 - 位移模型進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，該模型通?；诶硐牍r建立，無(wú)法實(shí)時(shí)感知壓電陶瓷的實(shí)際位移狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)遲滯、蠕變、溫度漂移或負(fù)載變化等擾動(dòng)時(shí)，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)缺乏誤差檢測(cè)與修正機(jī)制，只能按照固定程序運(yùn)行，最終的定位誤差往往遠(yuǎn)超應(yīng)用需求。
     閉環(huán)控制技術(shù)通過(guò)引入實(shí)時(shí)位移反饋環(huán)節(jié)，構(gòu)建了 “指令輸入 - 位移輸出 - 反饋檢測(cè) - 偏差修正" 的完整控制閉環(huán)，從根本上解決了開(kāi)環(huán)控制的固有缺陷。在該模式下，反饋單元實(shí)時(shí)采集壓電陶瓷的實(shí)際位移數(shù)據(jù)，并與目標(biāo)位移值進(jìn)行對(duì)比運(yùn)算，控制器根據(jù)偏差信號(hào)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類誤差的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。
     聯(lián)合光科所有的壓電位移臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)品都采用閉環(huán)控制的方式，多種型號(hào)間分別實(shí)現(xiàn)了最小步距從十納米到百納米的精密控制，而且更小步距的壓電位移臺(tái)還可以接受定制。
     另外，聯(lián)合光科的壓電推桿非常具有特色，是業(yè)界少有的能夠閉環(huán)控制的壓電推桿。壓電推桿為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)，內(nèi)置光柵尺或電阻編碼器做閉環(huán)反饋實(shí)現(xiàn)位置的精準(zhǔn)控制；推桿非旋轉(zhuǎn)式直線進(jìn)給，頂端接觸點(diǎn)不易磨損因此不會(huì)出現(xiàn)因接觸點(diǎn)磨損導(dǎo)致精度下降的問(wèn)題。壓電推桿使用場(chǎng)景適合替換鏡架、位移臺(tái)手動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)螺紋副/微分頭實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電氣化控制。壓電推桿提供大氣環(huán)境使用鋁合金版本和真空環(huán)境低至10-5Pa壓強(qiáng)使用不銹鋼版本。閉環(huán)控制最小步進(jìn)低至30nm，開(kāi)環(huán)控制更是低至6nm。
     閉環(huán)控制在壓電系統(tǒng)中的決定性作用，聯(lián)合光科的壓電位移臺(tái)和壓電推桿均采用閉環(huán)控制方式，滿足客戶對(duì)高精度需求，歡迎大家咨詢！

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