CN100494931C

CN100494931C - 实现自感知执行器的时分复用解耦法与控制系统

Info

Publication number: CN100494931C
Application number: CNB2007100104104A
Authority: CN
Inventors: 董维杰; 贾艳丽; 崔玉国
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2027-02-09
Also published as: CN101097165A

Abstract

本发明属于机电系统的测控技术领域，涉及到基于双向机电换能材料的自感知执行器实现方法和控制系统。实现自感知执行器的时分复用解耦法与控制系统采用双向换能元件，利用开关时序控制电路控制双向换能元件作为传感器或执行器，当双向换能元件作为传感器时，采用传感开关切换，当双向换能元件作为执行器时，采用执行开关切换，采用放电开关给双向换能元件放电，这三个开关在开关时序控制电路的控制下交替导通和截止。本发明降低机电系统的体积和重量，使被控结构集成化和微型化，降低工艺和安装难度；做到了同位控制，提高控制的稳定性。适用于结构振动主动控制、系统辨识和健康诊断等，尤其适用于体积和重量受到限制的柔性结构。

Description

实现自感知执行器的时分复用解耦法与控制系统

技术领域

本发明属于机电系统的测控技术领域，涉及到基于双向机电换能材料的传感器与执行器功能集成的实现方法，即自感知执行器的实现方法和控制系统。

背景技术

无论是对传统的机电系统还是对近年来的微机电系统，实施测量与控制通常同时需要执行器和传感器。执行器产生位移或力，完成期望的控制动作；传感器测量位移或力等物理量，开环监测和闭环控制中都离不开传感器。一般来说，组建一个控制系统的技术路线是采用独立的传感器和独立的执行器，这种方法的缺点是不利于同位控制、不便于系统集成化和微型化。

双向机电换能材料主要包括压电材料和磁致伸缩材料。压电材料在应力或应变作用下产生电荷，将机械能转换成电能，称为正压电效应，利用此效应可制成传感器；压电材料在电场作用下发生形变或产生驱动力，将电能转换成机械能，称为逆压电效应，利用此效应可制成执行器。磁致伸缩材料在应力或应变作用下产生感应电压，将机械能转换成电能；磁致伸缩材料在通电流后，即在磁场作用下，发生形变或产生驱动力，将电能转换成机械能。两种材料的传感器技术和执行器技术都比较成熟。实际上，在双向机电换能材料内部，机→电、电→机两个方向的能量转换是同时存在的，只是传感器的敏感电信号与执行器的驱动电信号混合在一起。如果通过适当的解耦方法把敏感电信号与驱动电信号分开，一个双向机电换能器件就可以兼有传感器和执行器两种功能，这种器件被称为自感知执行器(Self-Sensing Actuator)，还有自敏感致动器、自传感执行器等翻译形式。

迄今为止，实现压电自感知执行器主要采用电桥电路解耦法。美国专利US5,347,870首次公开了压电自感知执行器实现方法，基于电桥解耦法使一片压电换能器同时具有激发和感知位移、速度或加速度两种作用；US5,656,779和US5,913,955公开了把电桥解耦法压电自感知执行器用于结构振动测量与控制的方法；US6,600,619公开了利用电桥解耦法使压电微执行器自感知机械应变、并应用于磁盘磁头精密定位过程中振动控制的方法。电桥解耦法的难题是电桥电路不容易平衡，原因是作为电桥电路桥臂之一的压电元件的电容随边界条件变化。US5,578,761公开了采用模拟和数字混合自适应技术跟踪压电电容变化、以便实时调电桥平衡的方法。在公开发表的论文中磁致伸缩材料自感知执行器也采用电桥解耦法。申请人在CN ZL200410020496.5中公开了实现压电自感知执行器的空分复用解耦法，压电陶瓷/晶体有两个电极面，一个电极面做公共地电极，另一个电极面被分割成两组，分别做传感电极和执行电极，通过这两组在空间上分离的电极，驱动电压信号和敏感电压信号自然分离。传感电极和执行电极可做成回字形或叉指形或环形，在空间上充分交叉靠近。因此，一片压电陶瓷/晶体既做执行器又做传感器，即实现了压电自感知执行器；而且传感器和执行器是同位配置。在空分复用解耦法中增加了电极分割工序，对于柱形或管形或多层压电换能元件不是很方便；磁致伸缩元件大多棒形，所以，空分复用解耦法适用的双向换能材料和形状有一定局限。通信和计算机技术等领域都有时分复用技术，例如信道时分复用技术、数据地址时分复用技术等，受此启发，在电桥电路解耦法、空分复用解耦法之后，提出一种新的时分复用解耦法，实现基于一般机电双向换能材料的自感知执行器。

发明内容

本发明的目的是采用时分复用解耦法使一个双向换能元件作为自感知执行器，采用时序电路控制传感器和执行器的快速切换，来实现自感知执行器。该方法不存在电桥解耦法中电桥不易平衡的问题；不必做任何电极分割，保持双向换能元件原样，简便通用；降低了自感知执行器的设计难度。减小了结构的体积和重量、促进结构的集成化和微型化；体现了能量流、物料流和信息流的集成，本发明使基于双向换能材料实现自感知执行器的方法形成了一个比较完整的体系。

本发明采用的技术方案是一种实现自感知执行器的时分复用解耦法，采用双向换能元件，其特征在于：采用开关时序控制电路5控制双向换能元件1作为传感器或执行器，当双向换能元件1作为传感器使用时，采用传感开关K₁切换，当双向换能元件1作为执行器使用时，采用执行开关K₂切换，采用放电开关K₃给双向换能元件1放电，这三个开关在开关时序控制电路5的控制下交替导通和截止；双向换能元件1先作为传感器检测速度或力信号，然后作为执行器产生位移或力，最后双向换能元件放电，完成一次传感和执行功能；一次传感和执行的具体步骤为：首先闭合传感开关K₁、断开执行开关K₂和放电开关K₃，双向换能元件1上的敏感信息经传感开关K₁进入传感器信号放大电路7，此时双向换能元件1作为传感器使用，检测结构的速度或力等信息；然后闭合执行开关K₂、断开传感开关K₁和放电开关K₃，控制器6输出的控制量经执行器驱动电路9后驱动双向换能元件1，此时双向换能元件1作为执行器使用，执行器产生位移或力；最后闭合放电开关K₃、断开传感开关K₁和执行开关K₂，双向换能元件1上积累的电能由放电通道4释放；传感器和执行器的切换速度高，切换速度等于信号采样频率，传感器和执行器的切换速度应大于结构最高受控模态频率的2倍；一个传感执行周期T等于传感时隙τ₁、执行时隙τ₂、放电时隙τ₃的总和，在一个传感执行周期T内，执行时隙τ₂大于传感时隙τ₁，在保证传感信号采样正确前提下，增大执行时隙τ₂，缩短传感时隙τ₁，缩短放电时隙τ₃。

实现自感知执行器的时分复用解耦法控制系统包括双向换能元件1、传感通道2、执行通道3、放电通道4、开关时序控制电路5和控制器6；双向换能元件1的上电极面B接地；双向换能元件1的下电极面A接传感开关K₁、执行开关K₂和放电开关K₃的左端；传感通道2由传感开关K₁、传感器信号放大电路7和低通滤波器8组成，传感开关K₁的右端接传感器信号放大电路7，传感器信号放大电路7的输出接低通滤波器8，低通滤波器8的输出接控制器6；执行通道3由执行开关K₂和执行器驱动电路9组成，控制器6的输出接执行器驱动电路9，执行器驱动电路9的输出接执行开关K₂的右端；放电通道4由放电开关K₃和放电电阻R₁组成，放电开关K₃的右端接放电电阻R₁，放电电阻R₁接地。

实现自感知执行器的时分复用解耦法与控制系统，其特征是双向换能元件1为压电元件和磁致伸缩元件；开关时序控制电路5是数字逻辑电路或脉冲信号发生器；控制器6是数字信号处理器DSP或微型计算机或单片机系统。

本发明的效果和益处是采用时分复用解耦法使一个双向换能元件作为自感知执行器，采用时序电路控制传感器和执行器的快速切换，不涉及调整电桥平衡的问题，没有空分复用解耦法中的电极分割的工序，降低工艺和安装难度。适用于任何形状、尺寸的双向换能元件，传感器的检测点和执行器的控制点是一个点，做到了同位控制，提高控制稳定性；适用于结构振动主动控制、系统辨识和健康诊断等，尤其适用于体积和重量受到限制的柔性结构。

附图说明

图1是压电材料的机电双向换能示意图，其中U—电压；I—电流；F—力v—速度；1—双向换能元件。

图2是时分复用解耦法示意图，其中1—双向换能元件；2—传感信号通道；3—执行信号通道；4—放电通道；5—开关时序控制电路；6—控制器；7—传感器信号放大电路；8—低通滤波器；9—执行器驱动电路；A—下电极面；B—上电极面；K₁—传感开关；K₂—执行开关；K₃—放电开关；V_k1—开关K₁的控制电压；V_k2—开关K₂的控制电压；V_k3—开关K₃的控制电压；R₁—放电电阻。

图3是开关时序脉冲波形，其中τ₁—传感时隙；τ₂—执行时隙；τ₃—放电时隙；T—传感执行周期，V_k1—开关K₁的控制电压；V_k2—开关K₂的控制电压；V_k3—开关K₃的控制电压。

图4是采用压电自感知执行器的悬臂梁振动主动控制系统，其中，1—双向换能元件；6—控制器；7—传感器信号放大电路；8—低通滤波器；9—执行器驱动电路；10—悬臂梁；A—电极面；B—电极面；R₁—放电电阻；R₂—传感开关K₁的偏置电阻；R₃—执行开关K₂的偏置电阻；R₄—放电开关K₃的偏置电阻；IC₁、IC₂—Photo MOS继电器集成电路芯片AQW214EH；p₁～p₈—IC₁、IC₂的引脚；DI/DO—数字量输入/输出模块；A/D—模拟/数字信号转换器；D/A—数字/模拟信号转换器，V_k1—开关K₁的控制电压；V_k2—开关K₂的控制电压；V_k3—开关K₃的控制电压，+5V—电源电压。

图5是示波器记录的控制前后电涡流位移计测量的振动波形，其中：t₁—控制起始时刻；0.42V—控制前振动信号峰的峰值；0.31V—控制后振动信号峰的峰值。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图，详细说明本发明的具体实施方式和实施例。

本发明的物理基础是功能材料的机电双向换能理论，如附图1所示。双向换能元件1做传感器时，将机械端口的力F或速度v变换成电学端口的电压U或电流I；双向换能元件1做执行器时，将电学端口的电压U或电流I变换成机械端口的力F或速度v。通常只利用一个方向的换能，此时器件单独做传感器或单独做执行器。本发明是让双向换能元件1既做执行器同时又做传感器，要解决的问题是如何将传感器的敏感电信号与执行器的驱动电信号分开。

在附图2中，采用开关时序控制电路5控制传感开关K₁、执行开关K₂和放电开关K₃的导通与截止，使双向换能元件1作为传感器或执行器使用。根据所选用的开关器件和三个开关时序控制脉冲的逻辑关系，开关时序控制电路5为数字逻辑电路或脉冲信号发生器或数字逻辑电路结合软件编程；控制器6为数字信号处理器DSP或微型计算机或单片机系统，控制器6的外围电路要包含A/D和D/A模块。时分复用解耦法的实现步骤是：第一步，当闭合传感开关K₁、断开执行开关K₂和放电开关K₃时，传感通道2单独工作，检测结构的速度或力等信息，经传感器信号放大电路7放大、低通滤波器8滤除高频干扰后，进入控制器6；控制器6完成必要的数据处理和运行控制算法，根据传感时隙内获得的状态反馈信息，生成对执行器的控制量。第二步，当闭合执行开关K₂、断开传感开关K₁时，执行通道3单独工作，进入执行时隙，控制器6输出的控制量经执行器驱动电路9后施加到双向换能元件1的电极面A，驱动执行器产生期望的位移和力。第三步，下一个时隙应是双向换能元件1再做传感器，但是双向换能元件1的电极面A可能储存着执行过程中产生的驱动电信号，此时双向换能元件1电极面A上既有敏感电信号又有驱动电信号，所以为了准确地提取敏感电信号，在执行时隙和传感时隙之间插入放电时隙，即通过放电通道4释放驱动电信号，从而使下一时隙的传感信号不受当前执行信号的影响；当断开传感开关K₁和执行开关K₂，闭合放电开关K₃时，进入放电时隙。第四步，重复上述三个步骤，传感时隙τ₁、执行时隙τ₂和放电时隙τ₃构成一个传感执行周期T，如附图3，传感器和执行器的切换速度等于控制系统的信号采样频率，也等于传感执行周期T的倒数，传感器和执行器的切换速度应大于结构最高受控模态频率的2倍。在开关控制电压V_k1、V_k2和V_k3低电平时各开关导通，V_k1低电平时为传感时隙，V_k2低电平时为执行时隙，V_k3低电平时为放电时隙。这样双向换能元件1在一个时隙内作为测量振动的传感器，在另一个时隙内作为控制振动的执行器，如此在传感器和执行器之间快速交替切换，传感器和执行器相当于是同时工作的，即执行器同时也具有传感器的功能，从而实现了自感知执行器。在一个传感执行周期T内，执行时隙τ₂大于传感时隙τ₁，在保证传感信号采样正确的前提下，增大执行时隙τ₂、缩短传感时隙τ₁，缩短放电时隙τ₃。

附图4是本发明的一个实施例，利用压电双向换能元件具有正压电效应和逆压电效应的特点，通过设计开关电路、开关时序控制电路和放电电路，使一个压电双向换能元件在一个时隙内做执行器，在另一个时隙内做传感器，执行功能和传感功能以时分复用方式交替进行，执行器同时兼有传感器功能。本例中，以时分复用方法实现压电自感知执行器、并将其应用于悬臂梁的振动主动控制。双向换能元件1为一片压电陶瓷晶片，其电极面B粘贴在悬臂梁10的根部并接地，电极面A作为电荷检测面和执行器驱动面；悬臂梁10为铝梁，一阶模态频率为13.6Hz。本例中传感器信号放大电路7设计为电荷放大器，它不仅将电荷放大成电压，而且其积分作用使离散的敏感电压转换成连续的信号，电荷放大器可选用商用产品或自行设计；低通滤波器8用来滤除传感信号中的高频干扰，设计成二阶巴特沃斯滤波器；压电执行器的驱动电压要具有一定的功率，压电执行器驱动电路9可选用商用功率放大器或以高压运算放大器为核心自行设计。控制器6由PC机和插在PC机PCI槽上的NI PCI6221数据采集卡组成，PCI6221数据采集卡上带有A/D、D/A模块和数字量输入输出DI/DO模块，开关时序控制电路5由PCI6221数据采集卡的DI/DO模块完成。

IC₁和IC₂为同型号的Photo MOS继电器AQW214EH，IC₁的引脚p₁、p₂、p₇和p₈担当传感开关K₁，控制脉冲V_k1施加到IC₁的引脚p₂上；IC₁的引脚p₃、p₄、p₅和p₆担当执行开关K₂，控制脉冲V_k2施加到IC₁的引脚p₄上；IC₂的引脚p₁、p₂、p₇和p₈担当放电开关K₃，控制脉冲V_k3施加到IC₂的引脚p₂上。IC₁和IC₂的交流负载电压峰值为400V，而驱动压电片所需的控制电压峰值约为150V，满足高压要求；导通时间为0.5ms，截止时间为0.08ms，最高开关切换频率接近2kHz，用于一阶模态频率只有十几Hz的悬臂梁系统能够满足速度要求。偏置电阻R₂、R₃、R₄的一端联接在一起接电源+5V，R₂＝R₃＝R₄＝2.5kΩ。

开关时序控制电路5即为NI PCI6221数据采集卡的DI/DO模块，该模块提供三路控制脉冲V_k1、V_k2和V_k3，波形如附图3。具体方法是：由定时计数器的频率作为时钟基准，τ₁、τ₂和τ₃必须是定时计数器周期的整数倍；根据悬臂梁10的模态频率、IC₁、IC₂的开关速度及要达到的控制效果，确定τ₁、τ₂和τ₃的大小和定时计数器的频率；选择DI/DO的端口0，写入端口控制字，运行程序即可产生脉冲波形；通过修改端口控制字，可调整传感时隙和执行时隙的长度，调整传感器和执行器的切换频率。本例中，τ₁＝τ₃＝1.5ms，τ₂＝3ms，T＝6ms，表明传感器和执行器在1秒内切换167次，控制系统的采样率为167Hz。

在传感时隙内，V_k1控制IC₁的引脚p₇和p₈连通，电极面A上的电荷经IC₁的引脚p₈被传感器信号放大电路7放大成电压，经低通滤波器8滤除高频干扰，由控制器6中的A/D转换器采样进入PC机作为状态反馈数据；状态反馈数据在PC机内经过必要的数据处理和一定控制算法下的运算形成控制量；PC机通过D/A转换器输出控制量，在执行时隙内，V_k2控制IC₁的引脚p₅和p₆连通，控制量经执行器驱动电路9进行功率放大，经引脚p₆施加到电极面A。压电元件是容性器件，在执行过程中电极面A储存的驱动电荷不会马上消失，如果在执行时隙之后马上进入下一个传感时隙，那么电极面A上既有敏感电荷又有驱动电荷。为了使驱动电荷不影响敏感电荷，V_k3控制IC₂的引脚p₇和p₈连通，使电极面A通过IC₂的引脚p₈连接放电电阻R₁，电荷由R₁释放，R₁＝200Ω。

控制算法为正位置反馈。对悬臂梁10施加恒定扰动振动，令压电元件检测该扰动振动并抑制此振动，采用独立的电涡流位移计监测控制效果。电涡流位移计的输出电压波形由Tektronic示波器TDS1002记录，如图5，电压幅值越大表示振动幅度越大。t₁是控制的起始时刻，控制前悬臂梁10的振动信号峰的峰值为0.42V，控制后振动信号峰的峰值为0.31V，控制后悬臂梁的振动幅度降低为控制前的75％，可见采用压电自感知执行器对悬臂梁进行振动主动控制是有效果的。控制算法的选取非常关键，虽然这里采用的控制算法不是最佳的，但是足以证明实现自感知执行器的时分复用解耦法是可行的。本实施例适用于对低模态频率结构尤其是柔性结构进行自感知振动主动控制、系统辨识和健康诊断。

Claims

1.一种实现自感知执行器的时分复用解耦法，采用双向换能元件，其特征在于：采用开关时序控制电路(5)控制双向换能元件(1)作为传感器或执行器，当双向换能元件(1)作为传感器使用时，采用传感开关(K₁)切换，当双向换能元件(1)作为执行器使用时，采用执行开关(K₂)切换，采用放电开关(K₃)给双向换能元件(1)放电，这三个开关在开关时序控制电路(5)的控制下交替导通和截止；双向换能元件(1)先作为传感器检测速度或力信号，然后作为执行器产生位移或力，最后双向换能元件放电，完成一次传感和执行功能；一次传感和执行的具体步骤为：首先闭合传感开关(K₁)、断开执行开关(K₂)和放电开关(K₃)，双向换能元件(1)上的敏感信息经传感开关(K₁)进入传感器信号放大电路(7)，此时双向换能元件(1)作为传感器使用，检测结构的速度或力等信息；然后闭合执行开关(K₂)、断开传感开关(K₁)和放电开关(K₃)，控制器(6)输出的控制量经执行器驱动电路(9)后驱动双向换能元件(1)，此时双向换能元件(1)作为执行器使用，执行器产生位移或力；最后闭合放电开关(K₃)、断开传感开关(K₁)和执行开关(K₂)，双向换能元件(1)上积累的电能由放电通道(4)释放；传感器和执行器的切换速度高，切换速度等于信号采样频率，传感器和执行器的切换速度应大于结构最高受控模态频率的2倍；一个传感执行周期(T)等于传感时隙(τ₁)、执行时隙(τ₂)、放电时隙(τ₃)的总和，在一个传感执行周期(T)内，执行时隙(τ₂)大于传感时隙(τ₁)，在保证传感信号采样正确的前提下，增大执行时隙(τ₂)，缩短传感时隙(τ₁)，缩短放电时隙(τ₃)。

2.如权利要求1所述的实现自感知执行器的时分复用解耦法的控制系统，其特征是：包括双向换能元件(1)、传感通道(2)、执行通道(3)、放电通道(4)、开关时序控制电路(5)和控制器(6)；双向换能元件(1)的上电极面(B)接地；双向换能元件(1)的下电极面(A)接传感开关(K₁)、执行开关(K₂)和放电开关(K₃)的左端；传感通道(2)由传感开关(K₁)、传感器信号放大电路(7)和低通滤波器(8)组成，传感开关(K₁)的右端接传感器信号放大电路(7)，传感器信号放大电路(7)的输出接低通滤波器(8)，低通滤波器(8)的输出接控制器(6)；执行通道(3)由执行开关(K₂)和执行器驱动电路(9)组成，控制器(6)的输出接执行器驱动电路(9)，执行器驱动电路(9)的输出接执行开关(K₂)的右端；放电通道(4)由放电开关(K₃)和放电电阻(R₁)组成，放电开关(K₃)的右端接放电电阻(R₁)，放电电阻(R₁)接地。

3.如权利要求2所述的实现自感知执行器的时分复用解耦法的控制系统，其特征是双向换能元件(1)为压电元件和磁致伸缩元件；开关时序控制电路(5)是数字逻辑电路或脉冲信号发生器；控制器(6)是数字信号处理器DSP或微型计算机或单片机系统。