CN106533252B - 基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器 - Google Patents
基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106533252B CN106533252B CN201610939857.9A CN201610939857A CN106533252B CN 106533252 B CN106533252 B CN 106533252B CN 201610939857 A CN201610939857 A CN 201610939857A CN 106533252 B CN106533252 B CN 106533252B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- input terminal
- comparator
- high pressure
- pressure amplifier
- output end
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims abstract description 45
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 abstract description 6
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 3
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 230000003631 expected effect Effects 0.000 description 1
- 230000005283 ground state Effects 0.000 description 1
- 230000008676 import Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000004621 scanning probe microscopy Methods 0.000 description 1
- 230000007306 turnover Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
- H02N2/06—Drive circuits; Control arrangements or methods
- H02N2/062—Small signal circuits; Means for controlling position or derived quantities, e.g. for removing hysteresis
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
- Feedback Control In General (AREA)
Abstract
基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器,涉及压电陶瓷功率驱动器,目的是为解决现有电荷控制器控制精度不高的问题。本发明中,电阻输入电阻R1和并联电阻Rp形成直流通路,一方面为高压运放A1的失调电流提供泄放回路,另一方面稳定电路的低频电压放大增益,保证在全频带范围内的电压增益相同。输入电容C1和压电陶瓷Cp串联,因而两者的电荷量始终相等。高压运放A1的输出电压经固定增益K1衰减后与输入信号Vin求差。可调增益K2用来调整求差后的输出信号非线性的强弱,本发明通过调节可调增益K2的增益值来调节加载到压电陶瓷Cp两端的电压,使压电陶瓷位移精度提高4倍,适合于工业化应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电陶瓷功率驱动器,具体涉及一种基于非线性电荷控制的压电陶瓷功率驱动电路。
背景技术
压电陶瓷是精密机械系统中常见的制动元件。具有体积小,刚度大,输出位移分辨率高,响应速度快等一系列优点,因而被广泛应用于扫描探针显微镜,微操作,纳米定位,精密伺服阀等众多领域。然而,压电材料固有的迟滞非线性在很大程度上限制了高运动精度的实现。为了解决这一问题,反馈控制和前馈控制是当前主要采用的技术方案,但都存在一定的问题。反馈控制系统的性能很大程度上依赖于所采用的传感器,而高精度的微位移传感器通常价格很高,甚至依赖于进口。前馈控制方案尽管不需要使用传感器,但需要建立精确的数学模型来描述迟滞非线性这一复杂的行为,所以通常导致系统构成复杂,很难在工业系统中发挥预期的作用。与上述方法不同,基于线性电荷控制的驱动方法可以在不使用传感器也不依赖数学模型的条件下大幅度改善迟滞效应,将输出位移的非线性减小80%-90%。但很多实际应用对输出位移的线性度要求很高,上述结果仍不能满足实际需求。
发明内容
本发明是为解决现有电荷控制器控制精度不高的问题,提出两种基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器。
第一种基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动包括输入电阻R1、输入电容C1、并联电阻Rp、压电陶瓷Cp、高压运放A1、固定增益K1、可调增益K2、第一比较器M1、第二比较器M2以及反向器N;
所述反向器N的输入端与第一比较器M1的反馈信号输入端连接,连接点作为所述基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器的电源正极接入端,反向器N的输出端连接第二比较器M2的参考信号输入端,第一比较器M1的输出端连接可调增益K2的输入端,可调增益K2的输出端连接第二比较器M2的反馈信号输入端;输入电阻R1与输入电容C1并联,构成第一并联支路;压电陶瓷Cp与并联电阻Rp并联,构成第二并联支路;第二比较器M2的输出端与第一并联支路的一端连接,第一并联支路的另一端与第二并联支路的一端连接,且连接点作为高压运放A1的反相输入端,高压运放A1的同相输入端接地,高压运放A1的输出端同时连接第二并联支路的另一端和固定增益K1的输入端,固定增益K1的输出端连接第一比较器M1的参考信号输入端。
第二种基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动包括输入电阻R1、输入电容C1、并联电阻Rp、高压运放A1、高压运放A2、固定增益K1、可调增益K2、第一比较器M1以及第二比较器M2;
第一比较器M1的参考信号输入端连接第二比较器M2的参考信号输入端,且连接点作为所述基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器的电源正极接入端,第二比较器M2的输出端连接可调增益K2的输入端,可调增益K2的输出端连接第一比较器M1的反馈信号输入端,第一比较器M1的输出端连接高压运放A1的同相输入端;输入电阻R1与输入电容C1并联,构成第一并联支路;压电陶瓷Cp与并联电阻Rp并联,构成第二并联支路;高压运放A1的输出端同时连接第一并联支路的一端和高压运放A2的同相输入端,第一并联支路的另一端同时连接第二并联支路的一端、高压运放A2的反向输入端和固定增益K1的输入端,固定增益K1的输出端连接第二比较器M2的反馈信号输入端,第二并联支路的另一端接地,高压运放A2的输出端连接高压运放A1的反相输入端。
现有线性电荷驱动器残存的误差来源于驱动信号对迟滞效应的过补偿。因而可以通过调整输出电压的非线性度进一步提高电荷驱动方式的定位精度。为了达到这一目的,需要首先对输出电压进行衰减直至与输入电压幅值相同,然后将两者的差值通过一个可调增益返回到输入端,与原输入信号共同构成新的输入信号。通过改变可调增益的数值,输出补偿电压的非线性度可以被增大或者减小。因此,过补偿效应可以被有效地降低,使得定位精度得到大幅度提升。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
一、本发明提出的方案通过控制加载到压电陶瓷两端的电压的非线性度来提高压电陶瓷输出位移的线性度,与已有电荷驱动器相比,定位精度提升了4倍。压电陶瓷输出位移的非线性减小了97%。
二、本发明提出的方案与其他控制方案相比,在不使用传感器和复杂数学模型的条件下,能够提供类似的定位精度,因此很大程度上降低了系统的成本和复杂性,适合于工业化应用。
附图说明
图1是实施方式一所述的基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器的电路原理图;
图2是实施方式二所述的基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器的电路原理图;
图3是实施方式三所述的基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器的电路原理图。
具体实施方式
具体实施方式一:结合图1说明本实施方式,本实施方式所述的基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器包括输入电阻R1、输入电容C1、并联电阻Rp、压电陶瓷Cp、高压运放A1、固定增益K1、可调增益K2、第一比较器M1、第二比较器M2以及反向器N;
所述反向器N的输入端与第一比较器M1的反馈信号输入端连接,连接点作为所述基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器的电源正极接入端,反向器N的输出端连接第二比较器M2的参考信号输入端,第一比较器M1的输出端连接可调增益K2的输入端,可调增益K2的输出端连接第二比较器M2的反馈信号输入端;输入电阻R1与输入电容C1并联,构成第一并联支路;压电陶瓷Cp与并联电阻Rp并联,构成第二并联支路;第二比较器M2的输出端与第一并联支路的一端连接,第一并联支路的另一端与第二并联支路的一端连接,且连接点作为高压运放A1的反相输入端,高压运放A1的同相输入端接地,高压运放A1的输出端同时连接第二并联支路的另一端和固定增益K1的输入端,固定增益K1的输出端连接第一比较器M1的参考信号输入端。
浮地式结构将压电陶瓷接于高压运放的输入端和输出端之间,驱动器一端处于“虚地”状态。结合图1说明本实施方式,本实施方式中,电阻输入电阻R1和并联电阻Rp形成直流通路,一方面为高压运放A1的失调电流提供泄放回路,另一方面稳定电路的低频电压放大增益,保证在全频带范围内的电压增益相同。但是由于电阻的引入,电路仅在高于转折频率的范围内呈现出电荷控制作用,在低于此频率的范围内呈现出电压控制。转折频率其中表示输入电阻R1的阻值,表示输入电容C1的电容值,表示并联电阻Rp的阻值,表示压电陶瓷Cp的电容值,以及的值取决于压电陶瓷Cp的参数。输入电容C1和压电陶瓷Cp串联,因而两者的电荷量始终相等。高压运放A1的输出电压经固定增益K1衰减后与输入信号Vin求差。可调增益K2用来调整求差后的输出信号非线性的强弱,当可调增益K2的增益值小于0时,输出非线性增强;当可调增益K2的增益值大于0时,输出非线性减弱;当可调增益K2的增益值等于0时,驱动电路与已有的线性电荷驱动电路等效,因此,上述驱动器可以通过调节可调增益K2的增益值来调节加载到压电陶瓷Cp两端的电压。
具体实施方式二:结合图2说明本实施方式,本实施方式所述的基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器的原理与实施方式一相同,驱动器电路如图2所示。
具体实施方式三:结合图3说明本实施方式,本实施方式所述的基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器,包括输入电阻R1、输入电容C1、并联电阻Rp、高压运放A1、高压运放A2、固定增益K1、可调增益K2、第一比较器M1以及第二比较器M2;
第一比较器M1的参考信号输入端连接第二比较器M2的参考信号输入端,且连接点作为所述基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器的电源正极接入端,第二比较器M2的输出端连接可调增益K2的输入端,可调增益K2的输出端连接第一比较器M1的反馈信号输入端,第一比较器M1的输出端连接高压运放A1的同相输入端;输入电阻R1与输入电容C1并联,构成第一并联支路;压电陶瓷Cp与并联电阻Rp并联,构成第二并联支路;高压运放A1的输出端同时连接第一并联支路的一端和高压运放A2的同相输入端,第一并联支路的另一端同时连接第二并联支路的一端、高压运放A2的反向输入端和固定增益K1的输入端,固定增益K1的输出端连接第二比较器M2的反馈信号输入端,第二并联支路的另一端接地,高压运放A2的输出端连接高压运放A1的反相输入端。
接地式结构将压电陶瓷Cp接于高压运放A1的输出端与参考地之间,所述驱动器的一端处于接地状态,这种连接方式在实际应用中更为普遍。高压运放A1和高压运放A2均为差分运算放大器。输入电阻R1和并联电阻Rp的作用与实施方式一中的作用相同。输入电容C1与压电陶瓷Cp串联,因而两者的电荷量在电荷驱动状态下始终相等。高压运放A2用来保证输入电容C1两端的电压与高压运放A2同相输入端的输入电压相同。固定增益K1和可调增益K2的作用与实施方式一相同。
Claims (2)
1.基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器,其特征在于,包括输入电阻R1、输入电容C1、并联电阻Rp、压电陶瓷Cp、高压运放A1、固定增益K1、可调增益K2、第一比较器M1、第二比较器M2以及反向器N;
所述反向器N的输入端与第一比较器M1的反馈信号输入端连接,连接点作为所述基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器的电源正极接入端,反向器N的输出端连接第二比较器M2的参考信号输入端,第一比较器M1的输出端连接可调增益K2的输入端,可调增益K2的输出端连接第二比较器M2的反馈信号输入端;输入电阻R1与输入电容C1并联,构成第一并联支路;压电陶瓷Cp与并联电阻Rp并联,构成第二并联支路;第二比较器M2的输出端与第一并联支路的一端连接,第一并联支路的另一端与第二并联支路的一端连接,且连接点作为高压运放A1的反相输入端,高压运放A1的同相输入端接地,高压运放A1的输出端同时连接第二并联支路的另一端和固定增益K1的输入端,固定增益K1的输出端连接第一比较器M1的参考信号输入端。
2.基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器,其特征在于,包括输入电阻R1、输入电容C1、并联电阻Rp、高压运放A1、高压运放A2、固定增益K1、可调增益K2、第一比较器M1以及第二比较器M2;
第一比较器M1的参考信号输入端连接第二比较器M2的参考信号输入端,且连接点作为所述基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器的电源正极接入端,第二比较器M2的输出端连接可调增益K2的输入端,可调增益K2的输出端连接第一比较器M1的反馈信号输入端,第一比较器M1的输出端连接高压运放A1的同相输入端;输入电阻R1与输入电容C1并联,构成第一并联支路;压电陶瓷Cp与并联电阻Rp并联,构成第二并联支路;高压运放A1的输出端同时连接第一并联支路的一端和高压运放A2的同相输入端,第一并联支路的另一端同时连接第二并联支路的一端、高压运放A2的反向输入端和固定增益K1的输入端,固定增益K1的输出端连接第二比较器M2的反馈信号输入端,第二并联支路的另一端接地,高压运放A2的输出端连接高压运放A1的反相输入端。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201610939857.9A CN106533252B (zh) | 2016-10-25 | 2016-10-25 | 基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201610939857.9A CN106533252B (zh) | 2016-10-25 | 2016-10-25 | 基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN106533252A CN106533252A (zh) | 2017-03-22 |
CN106533252B true CN106533252B (zh) | 2019-01-04 |
Family
ID=58292459
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201610939857.9A Active CN106533252B (zh) | 2016-10-25 | 2016-10-25 | 基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN106533252B (zh) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109981074B (zh) * | 2017-12-27 | 2020-10-16 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 应用于压电喷头的分数阶微积分比例放大电路设计方法 |
CN110138269B (zh) * | 2019-05-06 | 2021-02-19 | 上海理工大学 | 用于多个压电陶瓷同步线性操作的电荷控制器 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102004019052A1 (de) * | 2003-05-14 | 2004-12-16 | Physik Instrumente (Pi) Gmbh & Co. Kg | Verfahren und Schaltungsanordnung zur Linearisierung des Auslenkungsverhaltens bei der dynamischen oder statischen Ansteuerung eines Piezoaktors, umfassend einen Treiberanschluss, einen Verstärker, insbesondere invertierenden Operationsverstärker, sowie einen Gegen- oder Rückkopplungszweig |
CN104079203A (zh) * | 2014-06-19 | 2014-10-01 | 哈尔滨工程大学 | 一种高动态电荷型压电陶瓷驱动电源 |
-
2016
- 2016-10-25 CN CN201610939857.9A patent/CN106533252B/zh active Active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102004019052A1 (de) * | 2003-05-14 | 2004-12-16 | Physik Instrumente (Pi) Gmbh & Co. Kg | Verfahren und Schaltungsanordnung zur Linearisierung des Auslenkungsverhaltens bei der dynamischen oder statischen Ansteuerung eines Piezoaktors, umfassend einen Treiberanschluss, einen Verstärker, insbesondere invertierenden Operationsverstärker, sowie einen Gegen- oder Rückkopplungszweig |
CN104079203A (zh) * | 2014-06-19 | 2014-10-01 | 哈尔滨工程大学 | 一种高动态电荷型压电陶瓷驱动电源 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN106533252A (zh) | 2017-03-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN106533252B (zh) | 基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器 | |
CN107544241B (zh) | 压电陶瓷执行器迟滞的非线性pid逆补偿控制方法 | |
CN102005941B (zh) | 一种实现数控电位器调节的压电陶瓷驱动电源 | |
CN104601040B (zh) | 一种开关线性混合式压电陶瓷驱动电路 | |
CN107924983A (zh) | 控制压电驱动器的装置 | |
CN106410772A (zh) | 过电压保护电路 | |
CN106301068B (zh) | 一种数字驱动电源 | |
CN101043186B (zh) | 一种动态压电或电致伸缩陶瓷驱动电源 | |
CN204906223U (zh) | 超磁致伸缩驱动的二自由度精密微定位系统 | |
CN104320017A (zh) | 压电陶瓷驱动装置 | |
CN106301311A (zh) | 一种高精度高斜率线性电流槽 | |
CN1773742A (zh) | 压电陶瓷驱动电源 | |
CN106487349B (zh) | 一种具有复合低频通路的接地式压电陶瓷电荷驱动器 | |
CN110518829B (zh) | 一种压电双晶片电荷驱动电路 | |
CN105048864A (zh) | 新型误差放大式压电陶瓷驱动电路 | |
CN105119579B (zh) | 伺服阀放大器 | |
CN208386500U (zh) | 一种非线性调节器及其死区电路 | |
DE2913935A1 (de) | Mechanisch-elektrischer druckwandler | |
CN105187064A (zh) | 一种基于石墨烯传感器的自校正系统 | |
CN208252213U (zh) | 柴油机油门位置的信号放大电路 | |
CN102610345B (zh) | 一种基于忆阻器的电位器 | |
CN209115455U (zh) | 一种模拟型闭环伺服执行器控制器 | |
CN207559974U (zh) | 一种模拟电平调节电路 | |
CN106253741A (zh) | 压电陶瓷驱动装置 | |
CN203406838U (zh) | 新型指数可变增益放大电路 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |