CN111654207A - 一种面向压电陶瓷微位移驱动控制的位移反馈装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向压电陶瓷微位移驱动控制的位移反馈装置及方法，包括位移检测部件、锁相放大器、驱动控制器，位移检测部件包括永磁体和感应线圈，永磁体固定于压电陶瓷驱动装置位移输出端，感应线圈固定于压电陶瓷驱动装置固定端；驱动控制器在驱动信号中叠加交流信号；叠加后的驱动信号使压电陶瓷驱动装置产生位移，带动永磁体振动，感应线圈产生的感生电压，即为调制的位移信号；将感应线圈探测到的调制的位移信号输入锁相放大器进行处理，锁相放大器计算出压电陶瓷驱动装置输出位移值，将位移值反馈给驱动控制器，实现位移闭环控制。本发明将位移驱动与传感相结合，传感探头体积小，运动结构上仅有无源器件，抗干扰能力强。

Description

一种面向压电陶瓷微位移驱动控制的位移反馈装置及方法

技术领域

本发明涉及压电陶瓷微位移驱动控制中的位移反馈领域，特别针对信号干扰多、测量空间狭小以及成本要求低的背景下的位移反馈，更具体的说，是涉及一种面向压电陶瓷微位移驱动控制的位移反馈装置及方法。

背景技术

随着纳米技术的发展，精密定位技术己成为许多现代工业领域和前沿科学技术研究的共同基础。压电陶瓷微位移驱动装置因体积小，位移分辨率高，频响高，承载力大等特点，在输入电压的作用下产生微位移，具有纳米级分辨率，现已广泛应用于精密定位技术中。然而，由于压电陶瓷存在复杂迟滞非线性与蠕变非线性，系统的精密精确定位受到非常大的限制，所以需要精确测量压电陶瓷的位移量，进行位移反馈控制。

目前常用的压电陶瓷微位移反馈方法主要有电容式位移反馈方法、电涡流式位移反馈方法、霍尔式位移反馈方法和差动变压器式位移反馈方法。但是这些测量方法均存在一些问题，电容式位移反馈方法是将被测非电量变化为电容变化，受寄生电容影响大且具有边缘效应，会影响测量精度；电涡流式位移反馈方法对被测量物体的物理特性要求高；霍尔式位移反馈方法需要有源器件；差动变压器式位移反馈方法把被测的位移量的变化转换成线圈互感量的变化，会产生零点残余电压。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，为了更好的实现压电陶瓷的位移反馈，提出一种面向压电陶瓷微位移驱动控制的位移反馈装置及方法，具有传感探头体积小、运动结构上仅有无源器件、抗干扰能力强等优点，虽然本发明面向压电陶瓷微位移驱动控制的位移反馈，但今后该方法还可以应用于磁致伸缩微位移驱动控制的位移反馈。

本发明的目的可通过以下技术方案实现。

本发明面向压电陶瓷微位移驱动控制的位移反馈装置，包括位移检测部件、锁相放大器、驱动控制器，所述位移检测部件包括永磁体和感应线圈，所述永磁体固定于压电陶瓷驱动装置的位移输出端，所述感应线圈固定于压电陶瓷驱动装置的固定端；

所述锁相放大器的位移信号输入端与感应线圈输出端电连接，所述锁相放大器的参考信号输入端通过信号线与驱动控制器的参考信号输出端电连接，所述锁相放大器的信号输出端通过信号线与驱动控制器的信号输入端电连接，所述驱动控制器的信号输出端通过信号线与压电陶瓷驱动装置的信号输入端电连接。

所述压电陶瓷驱动装置采用压电执行器。

所述永磁体和感应线圈沿同轴线设置。

所述驱动控制器包括线性放大器和信号发生器。

本发明的目的还可通过以下技术方案实现。

本发明面向压电陶瓷微位移驱动控制的位移反馈方法，包括以下过程：

第一步：将永磁体固定在压电陶瓷驱动装置的位移输出端，在压电陶瓷驱动装置的固定端安装一个用于位移信号探测的感应线圈，永磁体和感应线圈沿同轴线设置；

第二步：驱动控制器在驱动信号中叠加一个交流信号；

第三步：叠加后的驱动信号使压电陶瓷驱动装置产生位移，从而带动永磁体上下振动，感应线圈会与永磁体之间有做相对运动，此时感应线圈产生的感生电压，即为调制的位移信号；

第四步：将感应线圈探测到的调制的位移信号输入锁相放大器；

第五步：将驱动控制器产生与驱动信号所叠加的交流信号相同的信号作为参考信号，输入锁相放大器；

第六步：锁相放大器计算出压电陶瓷驱动装置的输出位移值，并将该位移值反馈给驱动控制器，实现位移闭环控制。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明将位移驱动与传感相结合，传感探头体积小，便于在狭小空间内使用；利用电磁感应原理，运动结构上仅有无源器件，不需提供额外能量、感应线圈探测到调制的位移信号，并通过锁相放大器进行处理，增强了抗干扰能力，极大地提高了被测位移信号的信噪比。

附图说明

图1是本发明面向压电陶瓷微位移驱动控制的位移反馈装置的示意图。

图2是本发明实施例提供的压电陶瓷微位移驱动控制系统的结构框图。

附图标记：1-压电陶瓷驱动装置，2-永磁体，3-感应线圈

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做出进一步的详细描述。需要说明的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

如图1所示，本发明面向压电陶瓷微位移驱动控制的位移反馈装置，包括位移检测部件、锁相放大器、驱动控制器，将被测位移进行机械调制，利用锁相放大器进行信号处理，从而得到被测位移值，并根据被测位移值进行闭环反馈控制。

所述位移检测部件包括永磁体2和感应线圈3，所述永磁体2固定于压电陶瓷驱动装置1的位移输出端，即无源器件安装在输出端，所述感应线圈3固定于压电陶瓷驱动装置1的固定端，用于位移信号探测，所述永磁体2和感应线圈3沿同轴线设置。所述锁相放大器的位移信号输入端与感应线圈3输出端电连接，所述锁相放大器的参考信号输入端通过信号线与驱动控制器的参考信号输出端电连接，所述锁相放大器的信号输出端通过信号线与驱动控制器的信号输入端电连接，所述驱动控制器的信号输出端通过信号线与压电陶瓷驱动装置1的信号输入端电连接。其中，所述压电陶瓷驱动装置1采用压电执行器。所述驱动控制器包括线性放大器和信号发生器。

本发明面向压电陶瓷微位移驱动控制的位移反馈装置的工作流程如下：

第一步：将永磁体2固定在压电陶瓷驱动装置1的位移输出端。要求永磁体2安装牢固可靠，压电陶瓷驱动装置1的输出位移等于永磁体2的位移。

第二步：在压电陶瓷驱动装置1的固定端安装一个用于位移信号探测的感应线圈3，保证永磁体2和感应线圈3沿同轴线设置，则永磁体2和感应线圈3之间的相对位移为压电陶瓷输出位移。

第三步：驱动控制器在驱动信号中叠加一个交流信号，使得输出位移信号被机械调制，其幅值不高于驱动信号最大值的0.01倍。用于输出位移的机械调制。叠加后的驱动信号为：

V(t)＝V₀+V₁sin(ωt) (1)

式中，V₀为直流的驱动信号，V；V₁为叠加信号的幅值V；ω为叠加信号角频率，rad/s。

由于输出驱动信号中叠加了交流信号，所以永磁体2会随压点陶瓷驱动装置1产生幅值很小的振动，此时的振动幅值相对于压电陶瓷驱动装置1的输出位移可以忽略不计。

第四步：叠加后的驱动信号使压电陶瓷驱动装置1产生位移，从而带动永磁体2上下振动，感应线圈3会与永磁体2之间有做相对运动，这会引起感应线圈3中总磁通量的变化，此时感应线圈3产生的感生电压，即为调制的位移信号，其计算公式如下：

式中，

为线圈的总磁通量。

第五步：将感应线圈3探测到的调制的位移信号输入锁相放大器。

第六步：将驱动控制器产生与驱动信号所叠加的交流信号相同的信号作为参考信号，输入锁相放大器。其中，参考信号为：

D(t)＝sin(ωt) (3)

第七步：锁相放大器计算出压电陶瓷驱动装置1的输出位移值，并将该位移值反馈给驱动控制器，实现位移闭环控制。

实施例

图1是本发明提供的面向压电陶瓷微位移驱动控制的位移反馈装置示意图，本发明提供的位移反馈装置及方法可由本发明实施例中搭建的压电陶瓷微位移驱动控制系统实现。本发明实施例的压电陶瓷驱动装置1选用压电执行器APA500L，压电陶瓷微位移驱动控制系统结构框图如图2所示，包括由永磁体2和感应线圈3组成的位移检测部件、由信号发生器和LA75C线性放大器组成的驱动控制器、压电陶瓷驱动装置以及锁相放大器，压电陶瓷驱动装置采用压电执行器APA 500L，信号发生器采用微处理器TMS320F28335。

本发明实施例中，将压电执行器APA 500L固定在实验台上，在其位移输出端固定永磁体2。在实验台上方沿永磁体轴向安装感应线圈3。

在本实施例中所述的永磁体2选用直径与高均为3mm的圆柱永磁体，采用钕铁硼(NdFeB)材料。调整悬臂梁高度使永磁体2下表面到感应线圈3上表面的距离取10mm。

本发明实施例搭建的压电陶瓷微位移驱动控制系统的驱动控制器由信号发生器以及LA75C线性放大器组成，利用以微处理器TMS320F28335为核心的控制器产生的输入驱动信号为V(t)＝V₀+0.01sin(2000πt)，V₀取0到5V，信号频率f为1000HZ。

LA75C线性放大器的电压放大倍数为20倍，因此加在压电执行器APA 500L上的电压为20V₀+0.2sin(2000πt)。压电执行器APA 500L的位移等于直驱动信号V₀产生的位移和交流信号产生的位移之和，由于交流信号产生的位移远小于直驱动信号V₀产生的位移，故可以忽略不计，因此可以认为此时的直流驱动信号V₀产生的位移等于压电执行器APA 500L的位移。

由于有一个1000HZ的交流信号的输入，所以压电执行器APA 500L会带动永磁体2以极小的幅度做高频振动。根据电磁感应原理，感应线圈3会产生感生电压信号，该电压信号即为调制的压电执行器输出位移信号。

将所述的调制的位移信号输入锁相放大器进行处理。输入锁相放大器的参考信号为D(t)＝sin(2000πt)。可以通过锁相放大器计算得到压电执行器APA 500L的输出位移值。

最终将所述的位移值反馈给微处理器TMS320F28335，能够实现位移闭环控制。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种面向压电陶瓷微位移驱动控制的位移反馈装置，其特征在于，包括位移检测部件、锁相放大器、驱动控制器，所述位移检测部件包括永磁体和感应线圈，所述永磁体固定于压电陶瓷驱动装置的位移输出端，所述感应线圈固定于压电陶瓷驱动装置的固定端；

所述锁相放大器的位移信号输入端与感应线圈输出端电连接，所述锁相放大器的参考信号输入端通过信号线与驱动控制器的参考信号输出端电连接，所述锁相放大器的信号输出端通过信号线与驱动控制器的信号输入端电连接，所述驱动控制器的信号输出端通过信号线与压电陶瓷驱动装置的信号输入端电连接。

2.根据权利要求1所述的面向压电陶瓷微位移驱动控制的位移反馈装置，其特征在于，所述压电陶瓷驱动装置采用压电执行器。

3.根据权利要求1所述的面向压电陶瓷微位移驱动控制的位移反馈装置，其特征在于，所述永磁体和感应线圈沿同轴线设置。

4.根据权利要求1所述的面向压电陶瓷微位移驱动控制的位移反馈装置，其特征在于，所述驱动控制器包括线性放大器和信号发生器。

5.一种面向压电陶瓷微位移驱动控制的位移反馈方法，其特征在于，包括以下过程：

第一步：将永磁体固定在压电陶瓷驱动装置的位移输出端，在压电陶瓷驱动装置的固定端安装一个用于位移信号探测的感应线圈，永磁体和感应线圈沿同轴线设置；

第二步：驱动控制器在驱动信号中叠加一个交流信号；

第三步：叠加后的驱动信号使压电陶瓷驱动装置产生位移，从而带动永磁体上下振动，感应线圈会与永磁体之间有做相对运动，此时感应线圈产生的感生电压，即为调制的位移信号；

第四步：将感应线圈探测到的调制的位移信号输入锁相放大器；

第五步：将驱动控制器产生与驱动信号所叠加的交流信号相同的信号作为参考信号，输入锁相放大器；

第六步：锁相放大器计算出压电陶瓷驱动装置的输出位移值，并将该位移值反馈给驱动控制器，实现位移闭环控制。

Images