CN110138269B - 用于多个压电陶瓷同步线性操作的电荷控制器 - Google Patents

用于多个压电陶瓷同步线性操作的电荷控制器 Download PDF

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

本发明涉及一种用于多个压电陶瓷同步线性操作的电荷控制器，其特征在于，包括用于将正电压的输入电压信号Vin变换为负电压的反相单元，反相单元的输出端经由并联阻抗网络与高压功率放大器的反相端相连，高压功率放大器的正相端接地，高压功率放大器的反相端与输出端之间跨接压电致动器Cp1，T型电阻网络和压电致动器并联构成高压放大器负反馈网络，真正用来致动的n个压电陶瓷的一端与高压功率放大器的输出端相连，另一端接地，n个压电陶瓷的电容近似相等。本发明中通过改进传统电荷控制器中的直流反馈网络为T型电阻网络反馈，使得控制器的低频性能得到了有效的提升。控制器低频操作时非线性比原来降低了71％。

Description

用于多个压电陶瓷同步线性操作的电荷控制器
技术领域
本发明涉及一种压电致动器的控制器，属于纳米定位领域，特别是用在压电位移台或者使用压电陶瓷产生高精度的微小位移的装置。
背景技术
为了解决压电陶瓷的迟滞带来的位移轨迹非线性问题。很早以前就有人提出使用电荷控制的方法改善压电陶瓷的迟滞。相比于闭环和前馈控制。电荷控制器无需传感器且电路结构较为简单，常常被用在高精密的位移控制领域。传统压电致动器的电荷控制器，由于它们将压电陶瓷作为一种反馈元件来控制它的位移，这导致压电陶瓷致动器的负极并没有真正的接地。这也使得压电陶瓷致动器与控制器的连接线常常会引入高频噪声。而且在某些压电致动器要求内部必须接地，如压电管的公共极。传统电荷控制器的驱动电流受到前置运算放大器的影响，这导致其无法应用在大推力压电陶瓷致动器上。传统的电荷控制器方案中的直流反馈网路需要兆欧级的大电阻，这样大的电阻其阻值对于环境是敏感的。这对于控制器的稳定性也会造成影响。另外，多个压电致动器同步控制的控制器并目前并没有出现在市面上。但其需求是存在的，首先，多个压电致动器的同步操作可以实现推力的成倍增加。其次，它可以实现大尺寸零部件的高精度位置控制，这种需求常常出现在大尺寸光学元件上。
现有的典型电荷控制器电路结构原理如图1所示，图中压电致动器Cp并没有真正接地。电阻R1和电阻Rf的电阻值很大，电阻Rf的阻值甚至达到兆欧，因此压电致动器Cp的驱动电流受到前置运算放大器或信号源的限制。这意味着它不适合应用在大推力压电陶瓷致动器上。另外，传统压电致动器的方案中要求选择的压电陶瓷致动器的电容量尽量大(一般到微法量级)。如果使用的是小电容量的压电陶瓷致动器，为了避免电路结构自身零极点带来的低频漂移，一般会将直流反馈网络中的电阻Rf和电阻R1选择的很大(一般达到兆欧，甚至几十兆欧)。此外，这种典型的电荷控制器无法同时控制多个压电陶瓷实现高线性的位移操作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：传统的电荷控制器外接的压电致动器无接地配置、直流反馈网络不能应用在小电容的压电致动器上以及无法应用在多个压电致动器同步线性控制。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种用于多个压电陶瓷同步线性操作的电荷控制器，其特征在于，包括用于将正电压的输入电压信号Vin变换为负电压的反相单元，反相单元的输出端经由并联阻抗网络与高压功率放大器的反相端相连，高压功率放大器的正相端接地，高压功率放大器的反相端与输出端之间跨接压电致动器Cp1，T型电阻网络和压电致动器并联构成高压放大器负反馈网络，真正用来致动的n个压电陶瓷的一端与高压功率放大器的输出端相连，另一端接地，n个压电陶瓷的电容近似相等。
优选地，所述并联阻抗网络包括并联的电阻R1及电容C1。
优选地，所述反相单元包括运算放大器A1，输入电压信号Vin经由电阻R2输入运算放大器A1的反相输入端，运算放大器A1的同相输入端接地，运算放大器A1的反相输入端与输出端之间跨接电阻R3。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
一、本发明中通过改进传统电荷控制器中的直流反馈网络为T型电阻网络反馈，使得控制器的低频性能得到了有效的提升。控制器低频操作时非线性比原来降低了71％。
二、相比于传统的电荷控制器控制的致动器，该控制器控制的最大优点是真正用来致动的压电陶瓷具有了接地配置功能，其连接电缆可以直接使用屏蔽电缆来降低系统的电噪声。而且压电陶瓷的控制效果几乎与传统的电荷控制器的控制效果一样,位移非线性不到1.5％。
三、真正用来致动的压电陶瓷一样具有极高的位移线性度，非线性相差仅为0.22％。二者的最大轨迹偏差仅为全行程的0.8％，二者表现为很好的同步性。
附图说明
图1为现有的典型电荷控制器电路结构原理图；
图2为本发明的原理图；
图3为本发明的一种具体实施电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图2所示，本发明提供的一种用于多个压电陶瓷同步线性操作的电荷控制器包括前置放大器K1、输入电阻R1、输入电容C1、T型电阻网络(由电阻Rf1、Rf2和Rf3组成)、多个压电致动器(Cp1、Cp2、Cp3、…、Cpn)和高压功率放大器HVA。
电阻Rf1、Rf2、Rf3和R1构成T型直流反馈网络。其中组成T型电阻网络的电阻Rf1、Rf2和Rf3可以等效成一个大电阻Rf，其阻值为Rf＝Rf1+Rf2+(Rf1Rf2)/Rf3。等效大电阻Rf的等效值一般多达10兆欧姆以上。这样控制器的主零点(s＝-1/(R1C1))和主极点(s＝-1/(RfCp))会由于等效大电阻Rf的增大而降低。这一改进使得传统电荷控制器的低频性能得到了很大的改善。
本发明将传统电荷控制器中原本作为致动器的压电陶瓷Cp1作为一个基本元件安装在电路板上，其仅用于电荷反馈。在高压放大器的输出端外接n-1个同型号的压电陶瓷Cp2、Cp3、…、Cpn。由于压电陶瓷Cp2、Cp3、…、Cpn两端电压近似等于压电陶瓷Cp1两端电压，因此当压电陶瓷Cp1实现了高的线性位移操作时，压电陶瓷Cp2、Cp3、…、Cpn上也会有高的线性操作。相比于传统电荷控制器的单个压电控制器无法实现接地，两个以上的压电致动器可以很容易实现接地配置功能。此外，这些外接的压电陶瓷Cp2、Cp3、…、Cpn的线性度几乎一样而且这些压电致动器是同步操作的。这是传统电荷控制器所无法做到的。
输入电压信号Vin一般为正电压，其经过单位反相器K1后变成负电压(保证了高压放大器输出为正电压)。之后经过电阻R1和电容C1的并联阻抗网络到达高压功率放大器HVA的反相端，高压功率放大器HVA的正相端接地。T型电阻网络和压电陶瓷Cp1并联构成了高压放大器负反馈网络。之后将高压放大器的输出电压外接到需要真正用来致动的Cp2、Cp3、…、Cpn等压电陶瓷上。为了保证这些压电致动器的位移线性度，它们必须同型号其电容近似相等。
图3为图2所示的用于多个压电陶瓷同步线性操作的电荷控制器的一种具体实现电路，包括一个运算放大器A1、一个高压功率放大器HVA、三个压电致动器(Cp1、Cp2和Cp3)、T型电阻网络(由电阻Rf1、Rf2和Rf3电阻组成)和若干电阻电容。
设置电阻R3等于电阻R2的值，使得电阻R3、电阻R2和运算放大器A1构成一个单位反相器。其将输入信号Vin进行反相，并作为其后高压功率放大器HVA的输入信号。将电阻R1和电容C1并联接在运算放大器A1的输出端和高压功率放大器HVA的反相端，T型电阻网络和压电致动器Cp1并联接在高压功率放大器HVA的反相端和输出端之间。配置电容C1/压电致动器Cp1的值等于电阻Rf/电阻R1，目的是使得高压功率放大器HVA的闭环放大倍数为一个定值，其中电阻Rf是T型电阻网络的等效电阻值。这样电路中会存在转折频率，当控制的输入信号频率低于频率f时控制器会变为电压控制器。进而压电致动器的线性度变差。因此实际应用中输入信号频率应该大于f的8倍。由于一般的高精度的压电位移操作频率均比较低，因此电阻R1、电阻Rf和电容C1应该尽可能选择容值大的。这样低频操作时压电致动器位移线性度才会很高。压电致动器Cp2和压电致动器Cp3选择与压电致动器Cp1同型号且电容近似相等的压电致动器，将它们通过屏蔽电缆接在电压输出端Vout上。这样保证了实际压电致动器Cp2和压电致动器Cp3具有最好的同步性和位移线性度。根据实际需求将压电致动器Cp2和压电致动器Cp3安装在合适的压电位移台或是其它机械部件上。

Claims (3)

1.一种用于多个压电陶瓷同步线性操作的电荷控制器，其特征在于，包括用于将正电压的输入电压信号Vin变换为负电压的反相单元，反相单元的输出端经由并联阻抗网络与高压功率放大器(HVA)的反相端相连，高压功率放大器(HVA)的正相端接地，高压功率放大器(HVA)的反相端与输出端之间跨接压电致动器Cp1，T型电阻网络和压电致动器(Cp1)并联构成高压放大器负反馈网络，降低了电荷控制器低频操作时的非线性，真正用来致动的n个压电陶瓷(Cp2、Cp3、Cp4、…、Cpn)的一端与高压功率放大器(HVA)的输出端相连，另一端接地，压电陶瓷(Cp2、Cp3、Cp4、…、Cpn)的连接电缆直接使用屏蔽电缆来降低系统的电噪声，n个压电陶瓷(Cp2、Cp3、Cp4、…、Cpn)的电容近似相等。
2.如权利要求1所述的一种用于多个压电陶瓷同步线性操作的电荷控制器，其特征在于，所述并联阻抗网络包括并联的电阻R1及电容C1。
3.如权利要求1所述的一种用于多个压电陶瓷同步线性操作的电荷控制器，其特征在于，所述反相单元包括运算放大器A1，输入电压信号Vin经由电阻R2输入运算放大器A1的反相输入端，运算放大器A1的同相输入端接地，运算放大器A1的反相输入端与输出端之间跨接电阻R3。
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