CN108599615B - 一种反馈式eap驱动系统及其反馈控制方法 - Google Patents

一种反馈式eap驱动系统及其反馈控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种反馈式EAP驱动系统及其反馈控制方法，系统包括被控EAP作动器、状态传感器模块、高压生成模块和系统控制器；状态传感器模块包括形变传感器、温度传感器和湿度传感器，分别检测EAP作动器的形变信号、温度信号和湿度信号，传输至系统控制器；系统控制器根据形变期望值数据，以及状态传感器模块检测到的EAP状态信号，确定EAP作动器的驱动电压初始值，进而根据驱动电压初始值控制高压生成模块生成相应的初始驱动电压信号，输出至EAP作动器的驱动控制端；在EAP作动器的动作过程中，系统控制器根据状态传感器模块实时检测到的形变信号与形变期望值数据的差值，控制高压生成模块对输出的驱动控制信号中的驱动电压进行调节，以使得实际形变数据趋近于形变期望值数据。

Description

一种反馈式EAP驱动系统及其反馈控制方法
技术领域
本发明设计EAP驱动技术领域，特别是一种反馈式EAP驱动系统及其反馈控制方法。
背景技术
EAP(Electroactive Polymer)，即电活性聚合物材料，是一种可以对外界施加的电刺激产生响应的新型高分子材料。EAP材料多对电信号产生机械形变响应，常被制成人工肌肉等机械驱动装置。EAP驱动相对传统方式具有结构简单、体积小、能量效率高、响应迅速等优势。
当前对于EAP驱动技术的研究仍处于初期阶段，对EAP材料本身的电学、力学、性质及制备方法研究较多，而对其状态监测及控制方法的研究仍处于空白状态。EAP作为一种高分子弹性材料，在反复动作产生疲劳或工作环境(如温度、湿度、震动、加速度等)变化的情况下其响应特性会产生漂移，而目前EAP驱动仍多使用开环控制方法，缺乏闭环控制方案，导致系统无法对EAP形变状态进行有效控制，对实用化进程产生较大阻碍。
发明内容
本发明的目的是，提出一种反馈式EAP驱动系统及其反馈控制方法，以闭环控制的形式实现对EAP的反馈控制，保障EAP驱动的长期有效性。
本发明采取的技术方案为：一种反馈式EAP驱动系统，包括被控EAP作动器、状态传感器模块、高压生成模块和系统控制器；
状态传感器模块包括形变传感器、温度传感器和湿度传感器，分别检测EAP作动器的形变信号、温度信号和湿度信号，传输至系统控制器；
系统控制器根据形变期望值数据，以及状态传感器模块检测到的EAP状态信号，确定EAP作动器的驱动电压初始值，进而根据驱动电压初始值控制高压生成模块生成相应的初始驱动电压信号，输出至EAP作动器的驱动控制端；在EAP作动器的动作过程中，系统控制器根据状态传感器模块实时检测到的形变信号与形变期望值数据的差值，控制高压生成模块对输出的驱动控制信号中的驱动电压进行调节，以使得实际形变数据趋近于形变期望值数据。
优选的，所述形变传感器采用电容式形变传感器，其包括两个柔性电极片，分别附着于作动器形变轴向的两端。
优选的，所述形变传感器为由多个电容式形变传感器组成的阵列，多个电容之间相互并联。
优选的，所述高压生成模块将低压直流电源转换为用于驱动电子型EAP作动器的高压直流电源，电源等级为103V级别。
优选的，高压生成模块包括依次级联的DC-DC升压级、逆变升压级和倍压整流级；
DC-DC升压级接收系统控制器输出的控制信号，将低压直流电源转换为一级高压直流电源；逆变升压级对所述一级高压直流电源进行逆变，进而利用升压变压器进行升压，输出升压后的二级高压交流电源；倍压整流极利用倍压整流电路对二级高压交流电源进行倍压整流，输出用于驱动EAP的高压直流电源。
上述DC-DC升压级、逆变升压级和倍压整流级皆可采用现有技术。
优选的，DC-DC升压级包括低压基准电源、MOS开关管、Boost控制器、分压电阻、数字电位器和储能电容；分压电阻与数字电位器串联后，与MOS管的源极和漏极，以及储能电容三者并联于低压基准电源的正负极之间；Boost控制器包括反馈输入端和控制输出端，反馈控制端连接在分压电阻与数字电位器之间，数字电位器的控制端连接系统控制器；Boost控制器的控制输出端连接MOS开关管的栅极；DC-DC升压级输出的一级高压直流电源即储能电容两端的电压。Boost控制器为现有技术。所述低压基准电源可由电池或其它低压直流源提供。
优选的，系统控制器中存储有驱动电压与数字电位器电阻阻值之间的关联关系数据，以及驱动电压与EAP作动器形变量、温湿度值之间的关联关系数据；系统控制器根据形变期望值和驱动电压与EAP作动器形变量、温湿度值之间的关联关系数据，计算驱动电压值；然后根据驱动电压值和驱动电压与数字电位器电阻阻值之间的关联关系数据，计算数字电位器的电阻阻值；进而通过控制数字电位器的电阻阻值，实现对驱动电压的调节，使得实际形变量趋近于形变量期望值。
优选的，DC-DC升压级中的Boost控制器还包括运行控制端，系统控制器通过所述运行控制端控制Boost控制器的工作或停止。从而可实现对整个高压生成模块的启停控制。
优选的，逆变升压级包括变压器驱动器和多个升压变压器组成的变压器组，变压器驱动器对一级高压直流电源进行逆变，同时对变压器组进行驱动；所述变压器组中的多个升压变压器的原边对应抽头互相并联，并连接变压器驱动器的电压输出端，副边互相串联；所述二级高压交流电源即为多个升压变压器副边串联后两端的电压。变压器驱动器为现有产品。
优选的，倍压整流级采用Cockcroft–Walton/Greinacher倍压整流电路，倍压整流电路为现有电路结构。
(优选的，系统控制器还包括用于接收外部控制信号的控制输入端口。外部控制信号可为形变期望值信号等，当然，形变期望值数据也可根据EAP的具体应用固化至系统控制器中。)
本发明还包括基于上述反馈式EAP驱动系统的反馈控制方法，包括：
S1，设定形变量、温度和湿度数据与EAP作动器驱动电压之间的关联关系数据；
S2，根据形变量期望值，以及S1设定的关联关系数据，计算驱动电压初始值；
S3，根据驱动电压初始值，控制高压生成模块将低压直流电源，转换为与驱动电压初始值相应的高压驱动电压源，对EAP作动器进行初始控制；
S4，实时监测实际形变量和温湿度值，将实际形变量数据与形变量期望值进行对比，并根据对比结果，控制高压生成模块对驱动电压进行调节。
优选的，S4中，所述根据对比结果控制高压生成模块对驱动电压进行调节包括：
若实际形变量小于/大于形变量期望值，且两者之间的差值大于设定的差值阈值，则控制使得驱动电压以设定的变化量增大/减小，使得实际形变量变大/变小，直至两者之间的差值小于设定的差值阈值，则停止驱动电压进行调节。
作为另一种实施方式，S4中，所述根据对比结果控制高压生成模块对驱动电压进行调节包括：
若实际形变量小于/大于形变量期望值，且两者之间的差值大于设定的差值阈值，则根据S1设定的关联关系数据，基于实际形变量和当前温湿度数据，计算当前驱动电压值；同时根据S1设定的关联关系数据，基于形变量期望值和当前温湿度数据，计算当前驱动电压参考值；
将当前驱动电压值与当前驱动电压参考值进行对比，根据两者之间的大小关系和差值对当前驱动电压值进行调节。如当前驱动电压值较小则根据差值调节使其增大。本实施方式考虑了工作环境的变化因素，调节效率更高，更准确。
有益效果
与现有技术相比，本发明具有以下优点和进步：
(1)本发明考虑了EAP在反复动作产生疲劳或工作环境变化的情况下其响应特性会产生漂移的因素，通过对工作中的EAP作动器进行形变量、工作环境状态数据的监测，实现对EAP作动器的形变量反馈控制，可保障EAP驱动在长期工作过程中的有效性；
(2)本发明中，高压生成模块由多级升压电路组成，DC-DC升压级可实现本发明由电阻控制到驱动电压控制的转换，及低压直流电源的升压，逆变升压级和倍压整流极则可进一步对电压进行升压，保障驱动电压的有效性，且当升压需求不同时，本发明的逆变升压级和倍压整流极电路结构调整非常简便。
附图说明
图1所示为本发明系统结构示意图；
图2所示为本发明高压生成模块电路结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步描述。
参考图1所示，本发明反馈式EAP驱动系统，包括被控EAP作动器、状态传感器模块、高压生成模块和系统控制器；
状态传感器模块包括形变传感器、温度传感器和湿度传感器，分别检测EAP作动器的形变信号、温度信号和湿度信号，传输至系统控制器；
系统控制器根据形变期望值数据，以及状态传感器模块检测到的EAP状态信号，确定EAP作动器的驱动电压初始值，进而根据驱动电压初始值控制高压生成模块生成相应的初始驱动电压信号，输出至EAP作动器的驱动控制端；在EAP作动器的动作过程中，系统控制器根据状态传感器模块实时检测到的形变信号与形变期望值数据的差值，控制高压生成模块对输出的驱动控制信号中的驱动电压进行调节，以使得实际形变数据趋近于形变期望值数据。
实施例
本实施例中，形变传感器采用电容式形变传感器，其包括两个柔性电极片，分别附着于作动器形变轴向的两端。
形变传感器为由多个电容式形变传感器组成的阵列，多个电容之间相互并联。
高压生成模块将低压直流电源转换为用于驱动电子型EAP作动器的高压直流电源，电源等级为103V级别。
参考图2所示，高压生成模块包括依次级联的DC-DC升压级、逆变升压级和倍压整流级；
DC-DC升压级接收系统控制器输出的控制信号，将低压直流电源转换为一级高压直流电源；逆变升压级对所述一级高压直流电源进行逆变，进而利用升压变压器进行升压，输出升压后的二级高压交流电源；倍压整流极利用倍压整流电路对二级高压交流电源进行倍压整流，输出用于驱动EAP的高压直流电源。
DC-DC升压级包括低压基准电源BT、MOS开关管Q、Boost控制器BoostCtrl、分压电阻Rh、数字电位器DigiR和储能电容Cout；分压电阻与数字电位器串联后，与MOS管的源极和漏极，以及储能电容三者并联于低压基准电源的正负极之间；Boost控制器包括反馈输入端和控制输出端，反馈控制端连接在分压电阻与数字电位器之间，数字电位器的控制端连接系统控制器；Boost控制器的控制输出端连接MOS开关管的栅极；DC-DC升压级输出的一级高压直流电源即储能电容两端的电压。Boost控制器为现有技术。所述低压基准电源可由电池或其它低压直流源提供。
系统控制器中存储有驱动电压与数字电位器电阻阻值之间的关联关系数据，以及驱动电压与EAP作动器形变量、温湿度值之间的关联关系数据；系统控制器根据形变期望值和驱动电压与EAP作动器形变量、温湿度值之间的关联关系数据，计算驱动电压值；然后根据驱动电压值和驱动电压与数字电位器电阻阻值之间的关联关系数据，计算数字电位器的电阻阻值；进而通过控制数字电位器的电阻阻值，实现对驱动电压的调节，使得实际形变量趋近于形变量期望值。
本发明中，驱动电压与EAP作动器形变量、温湿度值之间的关联关系数据可通过构建多项式函数进行定义，即VDrive＝f(D,T,H)，其中VDrive即驱动电压，D,T,H分别为形变量、温度、湿度数据。多项式函数中的各系数由实验数据或历史数据确定。系统控制器在确定形变量和环境参数数据后，可通过多项式函数得到驱动电压值，或者也可利用查表法来根据已知量确定驱动电压值。
如图2所示，本实施例中，DC/DC升压级①采用反馈式Boost电路结构，内含基准电压源VRef，由电池BT或其他低压直流源提供电能。
本级输出电压为VO1，经电阻Rh及数控电位器DigiR串联分压后，输入控制器的反馈端Feedback，由内部参考电压VRef进行反馈控制，保证输出端电压的稳定。
高压生成模块的调压功能主要在本级完成，通过系统控制器Vctrl信号调节数控电位器DigiR的阻值Rctrl改变Feedback端分压，从而实现调压功能。
稳定工作状态下，DC/DC级输出电压为：
其中VO1即电容Cout两端的电压。
DC-DC升压级中的Boost控制器还包括运行控制端，系统控制器通过所述运行控制端控制Boost控制器的工作或停止。从而可实现对整个高压生成模块的启停控制。
参考图2，逆变升压级②包括变压器驱动器TransDrv和多个升压变压器(T1、T2、T3、T4……Tn)组成的变压器组，变压器驱动器TransDrv对一级高压直流电源进行逆变，同时对变压器组进行驱动；所述变压器组中的多个升压变压器的原边对应抽头互相并联，并连接变压器驱动器的电压输出端，副边互相串联；所述二级高压交流电源即为多个升压变压器副边串联后两端的电压。变压器驱动器为现有产品。
在工作时每个变压器的输出电压由串联互相叠加。
逆变升压级输出电压的峰峰值V02与各变压器原副边匝数比RTi与变压器数量n有关：
图2中，倍压整流级③采用由高压电容与二极管网络组成的经典的Cockcroft–Walton/Greinacher倍压整流电路。从C1开始，每个电容与其后部连接的二极管组成一级，例如C1与D1、C2与D2等。电路中有n级，最大输出电压即为n倍。
该级输入为逆变升压级产生的高压交流电VO2，在成倍提升输出电压VO3的同时，也完成了AC/DC的整流工作，可以用来直接驱动EAP作动器。
该级电路在开始工作的若干周期后输出进入稳定状态，假设该级采用n倍压设计。除VC1＝|VO2|外，其余电容两侧电压均为VCn＝2|VO2|。因此当取出电路上臂电容串联的整体电压时(假设电容序号最大为n)，VO3＝(2n-1)|VO2|；取出下臂电容的整体电压时(假设电容序号最大为n)，VO3＝2n|VO2|。因此可知，若需n倍输出电压，使用n级上文所述的电容/二极管组合即可，奇数倍输出时电压从上臂取出(C1+C3……C2n+1)；偶数倍电压输出从下臂取出(C2+C4……C2n)。
为保证电路稳定工作，倍压整流级③中二极管和电容耐压值应为VO2的两倍以上；同时二极管应采用低导通电阻的型号，如肖特基二极管等。
由于在高压输出状态下二极管的导通压降可以忽略不计，该级最终最大输出电压近似为：
VO3＝nVO2
在上述三级升压电路的作用下，高压生成模块可将电池等低压直流电源提供的101V级别直流电提升至103V级别VDC。该高压生成系统在设计中即考虑到小型化，在目标设计要求下，可通过选择合适的参数，全部采用表面贴装元件进行制造，适合小微型EAP动作装置使用。
实施例2
基于实施例1所述反馈式EAP驱动系统的反馈控制方法，包括：
S1，设定形变量、温度和湿度数据与EAP作动器驱动电压之间的关联关系数据；
S2，根据形变量期望值，以及S1设定的关联关系数据，计算驱动电压初始值；
S3，根据驱动电压初始值，控制高压生成模块将低压直流电源，转换为与驱动电压初始值相应的高压驱动电压源，对EAP作动器进行初始控制；
S4，实时监测实际形变量和温湿度值，将实际形变量数据与形变量期望值进行对比，并根据对比结果，控制高压生成模块对驱动电压进行调节。
S4中，所述根据对比结果控制高压生成模块对驱动电压进行调节包括：
若实际形变量小于/大于形变量期望值，且两者之间的差值大于设定的差值阈值，则控制使得驱动电压以设定的变化量增大/减小，使得实际形变量变大/变小，直至两者之间的差值小于设定的差值阈值，则停止驱动电压进行调节。
实施例3
本实施例与实施例2不同的是，S4中，所述根据对比结果控制高压生成模块对驱动电压进行调节包括：
若实际形变量小于/大于形变量期望值，且两者之间的差值大于设定的差值阈值，则根据S1设定的关联关系数据，基于实际形变量和当前温湿度数据，计算当前驱动电压值；同时根据S1设定的关联关系数据，基于形变量期望值和当前温湿度数据，计算当前驱动电压参考值；
将当前驱动电压值与当前驱动电压参考值进行对比，根据两者之间的大小关系和差值对当前驱动电压值进行调节。如当前驱动电压值较小则根据差值调节使其增大。本实施方式考虑了工作环境的变化因素，调节效率更高，更准确。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种反馈式EAP驱动系统，其特征是，包括被控EAP作动器、状态传感器模块、高压生成模块和系统控制器；
状态传感器模块包括形变传感器、温度传感器和湿度传感器，分别检测EAP作动器的形变信号、温度信号和湿度信号，传输至系统控制器；
高压生成模块包括依次级联的DC-DC升压级、逆变升压级和倍压整流级；DC-DC升压级接收系统控制器输出的控制信号，将低压直流电源转换为一级高压直流电源；逆变升压级对所述一级高压直流电源进行逆变，进而利用升压变压器进行升压，输出升压后的二级高压交流电源；倍压整流极利用倍压整流电路对二级高压交流电源进行倍压整流，输出用于驱动EAP的高压直流电源；
系统控制器根据形变期望值数据，以及状态传感器模块检测到的EAP状态信号，确定EAP作动器的驱动电压初始值，进而根据驱动电压初始值控制高压生成模块生成相应的初始驱动电压信号，输出至EAP作动器的驱动控制端；在EAP作动器的动作过程中，系统控制器根据状态传感器模块实时检测到的形变信号与形变期望值数据的差值，控制高压生成模块对输出的驱动控制信号中的驱动电压进行调节，以使得实际形变数据趋近于形变期望值数据；其中，
DC-DC升压级包括低压基准电源、MOS开关管、Boost控制器、分压电阻、数字电位器和储能电容；分压电阻与数字电位器串联后，与MOS管的源极和漏极，以及储能电容三者并联于低压基准电源的正负极之间；Boost控制器包括反馈输入端和控制输出端，反馈控制端连接在分压电阻与数字电位器之间，数字电位器的控制端连接系统控制器；Boost控制器的控制输出端连接MOS开关管的栅极；DC-DC升压级输出的一级高压直流电源即储能电容两端的电压；
系统控制器中存储有驱动电压与数字电位器电阻阻值之间的关联关系数据，以及驱动电压与EAP作动器形变量、温湿度值之间的关联关系数据；系统控制器根据形变期望值和驱动电压与EAP作动器形变量、温湿度值之间的关联关系数据，计算驱动电压值；然后根据驱动电压值和驱动电压与数字电位器电阻阻值之间的关联关系数据，计算数字电位器的电阻阻值；进而通过控制数字电位器的电阻阻值，实现对驱动电压的调节，使得实际形变量趋近于形变量期望值。
2.根据权利要求1所述的反馈式EAP驱动系统，其特征是，所述形变传感器采用电容式形变传感器，其包括两个柔性电极片，分别附着于作动器形变轴向的两端。
3.根据权利要求1所述的反馈式EAP驱动系统，其特征是，DC-DC升压级中的Boost控制器还包括运行控制端，系统控制器通过所述运行控制端控制Boost控制器的工作或停止。
4.根据权利要求1所述的反馈式EAP驱动系统，其特征是，逆变升压级包括变压器驱动器和多个升压变压器组成的变压器组，变压器驱动器对一级高压直流电源进行逆变，同时对变压器组进行驱动；所述变压器组中的多个升压变压器的原边对应抽头互相并联，并连接变压器驱动器的电压输出端，副边互相串联；所述二级高压交流电源即为多个升压变压器副边串联后两端的电压。
5.基于权利要求1-4任一项所述反馈式EAP驱动系统的反馈控制方法，其特征是，包括：
S1，设定形变量、温度和湿度数据与EAP作动器驱动电压之间的关联关系数据；
S2，根据形变量期望值，以及S1设定的关联关系数据，计算驱动电压初始值；
S3，根据驱动电压初始值，控制高压生成模块将低压直流电源，转换为与驱动电压初始值相应的高压驱动电压源，对EAP作动器进行初始控制；
S4，实时监测实际形变量和温湿度值，将实际形变量数据与形变量期望值进行对比，并根据对比结果，控制高压生成模块对驱动电压进行调节。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，S4中，所述根据对比结果控制高压生成模块对驱动电压进行调节包括：
若实际形变量小于/大于形变量期望值，且两者之间的差值大于设定的差值阈值，则控制使得驱动电压以设定的变化量增大/减小，使得实际形变量变大/变小，直至两者之间的差值小于设定的差值阈值，则停止驱动电压进行调节。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征是，S4中，所述根据对比结果控制高压生成模块对驱动电压进行调节包括：
若实际形变量小于/大于形变量期望值，且两者之间的差值大于设定的差值阈值，则根据S1设定的关联关系数据，基于实际形变量和当前温湿度数据，计算当前驱动电压值；同时根据S1设定的关联关系数据，基于形变量期望值和当前温湿度数据，计算当前驱动电压参考值；
将当前驱动电压值与当前驱动电压参考值进行对比，根据两者之间的大小关系和差值对当前驱动电压值进行调节。
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