CN106059385A - 具有迟滞补偿功能的压电陶瓷驱动电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有迟滞补偿功能的压电陶瓷驱动电源，包括直流稳压模块、迟滞补偿模块、功率放大模块和位移检测模块，直流稳压模块分别为功率放大模块和迟滞补偿模块提供直流电压；所述迟滞补偿模块用于补偿压电陶瓷的迟滞非线性，迟滞补偿模块的输入端和输出端之间设置有切换开关，当第一次使用或更换不同型号压电陶瓷片时切换开关闭合，迟滞补偿模块被短路；所述功率放大模块对迟滞补偿模块的输出信号进行电压和功率放大；所述位移检测模块仅在第一次测量或更换不同型号压电陶瓷片时启用，用于测量响应位移并保存到迟滞补偿模块。本发明引入了迟滞补偿模块，能大大减小迟滞现象对控制精度的影响，具有结构简单、稳定性高等优点。

Description

具有迟滞补偿功能的压电陶瓷驱动电源

技术领域

本发明涉及压电陶瓷驱动电源技术，特别是一种带迟滞补偿功能的压电陶瓷驱动电源。

背景技术

压电陶瓷利用逆压电效应原理工作，具有纳米级分辨率、响应速度快、噪声小、发热少、体积小等优点，在微电子技术、微机电系统、光学精密工程、纳米工程等领域具有广泛的应用前景。

在超精密定位中，需要达到微米级甚至纳米级定位精度，但由于压电驱动器本身存在迟滞现象，使得输入电压与输出位移存在非线性关系，大大影响了定位和控制精度。目前的压电陶瓷驱动电源直接对输入电压进行线性放大，无法解决压电陶瓷的迟滞现象对控制精度的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有迟滞补偿功能的压电陶瓷驱动电源。

实现本发明目的的技术方案为：一种具有迟滞补偿功能的压电陶瓷驱动电源，包括直流稳压模块、迟滞补偿模块、功率放大模块和位移检测模块，所述迟滞补偿模块的输入端接输入电压，输出端与功率放大模块的输入端连接，所述功率放大模块的输出端与压电陶瓷的输入端连接，所述压电陶瓷的输出端与位移检测模块的输入端连接，位移检测模块的输出端与迟滞补偿模块连接；

所述直流稳压模块分别为功率放大模块和迟滞补偿模块提供直流电压；

所述迟滞补偿模块用于补偿压电陶瓷的迟滞非线性，迟滞补偿模块的输入端和输出端之间设置有切换开关，当第一次使用或更换不同型号压电陶瓷片时切换开关闭合，迟滞补偿模块被短路；

所述功率放大模块对迟滞补偿模块的输出信号进行电压和功率放大；

所述位移检测模块仅在第一次测量或更换不同型号压电陶瓷片时启用，用于测量响应位移并保存到迟滞补偿模块。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)本发明引入了迟滞补偿模块，同以往的压电陶瓷驱动电源相比，驱动电源具有补偿压电驱动器迟滞非线性的功能，使得输入电压与输出位移线性化，能大大减小迟滞现象对控制精度的影响；(2)本发明可以对现有压电陶瓷驱动电源进行改进，无需重新设计，仅需要增加迟滞补偿模块；(3)针对不同型号的压电陶瓷片，只需要在第一次使用时，接入位移检测模块；(4)本发明将直流稳压模块、功率放大模块、迟滞补偿模块和位移检测模块进行封装，作为一个整体直接对压电驱动器进行驱动，能有效降低环境因素的影响。

附图说明

图1为本发明测量迟滞曲线的压电陶瓷驱动电源结构图。

图2为本发明具有迟滞补偿功能的压电陶瓷驱动电源结构图。

图3为本发明迟滞补偿功能实现流程图。

图4(a)为期望位移与输出电压的迟滞图，图4(b)为输入电压与响应位移的迟滞图，图4(c)为补偿后的迟滞图，图4(d)为逆模型开环补偿原理图。

图5(a)为基于Preisach逆模型的开环控制前的迟滞曲线图，图5(b)为基于Preisach逆模型的开环控制后的迟滞曲线图。

具体实施方式

下面结合附图1-5对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

结合图1、图2，本发明的一种具有迟滞补偿功能的压电陶瓷驱动电源，包括直流稳压模块、迟滞补偿模块、功率放大模块和位移检测模块，所述迟滞补偿模块的输入端接输入电压，输出端与功率放大模块的输入端连接，所述功率放大模块的输出端与压电陶瓷的输入端连接，所述压电陶瓷的输出端与位移检测模块的输入端连接，位移检测模块的输出端与迟滞补偿模块连接；

所述直流稳压模块分别为功率放大模块和迟滞补偿模块提供直流电压；

所述迟滞补偿模块用于补偿压电陶瓷的迟滞非线性，迟滞补偿模块的输入端和输出端之间设置有切换开关，当第一次使用或更换不同型号压电陶瓷片时切换开关闭合，迟滞补偿模块被短路；

所述功率放大模块对迟滞补偿模块的输出信号进行电压和功率放大；

所述位移检测模块仅在第一次测量或更换不同型号压电陶瓷片时启用，用于测量响应位移并保存到迟滞补偿模块。

位移检测模块包括位移传感器，位移传感器用于测量压电陶瓷的位移，并将采集的位移信号输出到迟滞补偿模块。

所述迟滞补偿模块根据采集到的压电陶瓷的位移和输入电压建立迟滞数学模型，求取模型参数，根据模型参数获取迟滞逆模型，即期望位移与输入电压的关系。

本发明具有迟滞补偿功能的压电陶瓷驱动电源的迟滞补偿方法包括以下步骤：

步骤1、闭合切换开关，接入位移检测模块，采集压电陶瓷驱动器的位移，根据对应的输入电压得到电压-位移曲线，并存储到迟滞补偿模块；

步骤2、建立迟滞数学模型，根据电压-位移曲线确定模型参数；

步骤3、获取迟滞逆模型；

步骤4、将位移检测模块移除且断开切换开关，输入期望位移经过逆模型开环补偿得到补偿后的输出电压，作用于压电陶瓷产生响应位移。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例

如图1所示，具有迟滞补偿功能的压电陶瓷驱动电源包含直流稳压模块、迟滞补偿模块、功率放大模块和位移检测模块；迟滞补偿模块的输入端和输出端之间设置有切换开关，当第一次使用或更换不同型号压电陶瓷片时切换开关闭合，迟滞补偿模块被短路；

位移检测模块在第一次启动压电陶瓷驱动电源或更换不同型号的压电陶瓷片时接入，此时切换开关S闭合，将检测到的输入电压与对应响应位移输出并存储到迟滞补偿模块中。

如图2所示，当切换开关S断开，位移检测模块不接入时，直流稳压模块分别为迟滞补偿模块和功率放大模块供电，期望位移经过迟滞补偿模块和功率放大模块补偿后获得输出电压，用来驱动压电陶瓷。

图3是驱动陶瓷驱动电源迟滞补偿功能实现流程图，具体包括：

第一步，测量如图1所示不具有迟滞补偿功能的压电陶瓷驱动电源的输入电压与输出位移的迟滞曲线，此时开关S闭合，位移检测模块接入，迟滞补偿模块不接入系统，通过位移传感器采集压电陶瓷驱动器的位移，并将采集的位移信号和对应的电压信号存储到迟滞模块中；

第二步，建立迟滞数学模型，常用的压电陶瓷迟滞模型有Preisach模型、Prandtl-Ishlinskii模型、Bouc-Wen模型和Maxwell模型，本实施例中选用Preisach模型，该模型的数学表达式为：

$f\left(t\right)=\∫{\∫}_{\mathrm{\α}\≥\mathrm{\β}}u(\mathrm{\α},\mathrm{\β})\widehat{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}}\[u\left(t\right)\]d\mathrm{\α}d\mathrm{\β}---\left(1\right)$

式(1)中，f(t)为位移输出，u(α,β)为迟滞算子的权值函数，为迟滞算子，即继电器算子，α与β为输入阀值；建立Preisach模型的关键在于权值函数的求取，即u(α,β)的求取；

采用变幅值输入与奇异值分解方法辨识模型参数，该方法通过将Preisach平面离散，设单元具有均匀密度u_ij，将二重积分转化为求和：

$f\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{i}{\Σ}}{\mathrm{\γ}}_{ij}{u}_{ij}{s}_{ij}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{i}{\Σ}}{\mathrm{\γ}}_{ij}{v}_{ij}---\left(2\right)$

式(2)中，n为离散水平；s_ij为单元格(i,j)的面积，该面积已知，γ_ij为单元格(i,j)继电器输出，v_ij＝u_ijs_ij，故只要辨出v_ij就能求出模型权值函数u_ij；

对式(2)在时间t₁≤t≤t_m内采样，[t₁，t_m]为输入电压的一个周期，获得N个迟滞采样方程，构成线性矩阵：

Ax＝b(3)

式中：A^T＝[A^T ₁ A^T ₂ ... A^T _N]，A_i＝[γ₁₁ γ₂₁ γ₂₂ ... γ_ij ... γ_nn]

x＝[v₁₁ v₂₁ v₂₂ … v_ij … v_nn]，b＝[f(1) f(2) … f(n)]^T

采用具有变幅值的输入信号构造式(3)，生成更多的迟滞回路，产生更多的线性独立方程，提高矩阵A的秩，从而提高参数辨识精度。对矩阵A^TA进行奇异值分解，从而得出离散化Preisach模型的权值函数。

采用估计法求取Preisach逆模型：基于建立的Preisach模型，在t时刻给模型一个输入u(t)，得到一个对应的输出f(t)，在t-1时刻历史输入和输出值分别为u(t-1)和f(t-1)，用模型的输出值与期望输出值对比，通过调整输入值，使得估计的输出值与期望输出值最相近。此时Preisach模型的输入值即可作为逆模型的输出值。

第三步，断开开关S，将迟滞补偿模块串联接入系统，位移检测模块移除。输入期望位移经过逆模型开环补偿得到补偿后的输出电压，作用于压电驱动器产生响应位移。

图4(a)描述的是逆模型的迟滞，即根据期望位移计算输出电压；图4(b)描述的是压电陶瓷的迟滞，即输入电压与响应位移的关系；理论上如果逆模型的精度足够高，能与压电陶瓷的迟滞相互抵消，构成一个近似线性系统，使期望位移与响应位移呈现线性关系，如图4(c)所示；图4(d)描述的是基于逆模型的开环控制原理图：期望位移作为系统的输入，迟滞逆模型的输出作为压电陶瓷的驱动电压，得到响应位移。

图5(a)和图5(b)分别为采用基于Preisach逆模型开环控制前后效果图。经实验验证，压电陶瓷驱动电源中迟滞补偿模块的引入，大大提高了压电驱动器的定位精度。

Claims (2)

1.一种具有迟滞补偿功能的压电陶瓷驱动电源，其特征在于，包括直流稳压模块、迟滞补偿模块、功率放大模块和位移检测模块，所述迟滞补偿模块的输入端接输入电压，输出端与功率放大模块的输入端连接，所述功率放大模块的输出端与压电陶瓷的输入端连接，所述压电陶瓷的输出端与位移检测模块的输入端连接，位移检测模块的输出端与迟滞补偿模块连接；

所述直流稳压模块用于为功率放大模块和迟滞补偿模块提供直流电压；

所述迟滞补偿模块用于补偿压电陶瓷的迟滞非线性，迟滞补偿模块的输入端和输出端之间设置有切换开关，当第一次使用或更换不同型号压电陶瓷片时切换开关闭合，迟滞补偿模块被短路；

所述功率放大模块对迟滞补偿模块的输出信号进行电压和功率放大；

所述位移检测模块仅在第一次测量或更换不同型号压电陶瓷片时启用，用于测量响应位移并保存到迟滞补偿模块。

2.根据权利要求1所述的具有迟滞补偿功能的压电陶瓷驱动电源，其特征在于：位移检测模块包括位移传感器，位移传感器用于测量压电陶瓷的位移，并将采集的位移信号输出到迟滞补偿模块。