CN111740641B - 一种多叠层压电堆栈致动器的交替独立分时驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多叠层压电堆栈致动器交替独立分时驱动方法，其步骤包括：1、两个开关组接收外部的逻辑运算电路所产生的开关控制信号；2、开关组1在开关控制信号控制下对n路驱动信号按序选通，由驱动器1和驱动器2交替放大；3、放大后的n路驱动信号施加到开关控制信号控制下的开关组2选通的对应的压电陶瓷层进行驱动。本发明能改善压电堆栈致动器迟滞现象，同时大幅降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及应用在精密微位移平台领域，具体涉及一种低成本的多叠层压电堆栈致动器交替独立分时驱动方法。
背景技术
压电堆栈致动器因其定位精度高、响应快、体积小、噪声低等特点，在精密定位和超精密定位领域中有着广泛的应用，但压电堆栈致动器的迟滞特性，给定位精度造成严重影响。
国内外学者通过对压电堆栈致动器的定位机理和特性进行大量研究，并且取得了一定的进展。目前，常用的补偿迟滞的方法有电压驱动法、电荷驱动法、前馈开环控制法和包括PID复合控制、自适用复合控制、NN复合控制、模糊复合控制的前馈和闭环相结合的复合控制法等。但这些方法都存在着控制复杂，成本较高的缺陷。
现有技术中也有提到一种多叠层压电致动器独立分时驱动装置及方法，该方法采用的独立分时驱动有效降低了多叠层压电致动器位移过程中的迟滞，但是其使用的驱动器数量会随多叠层压电致动器堆栈层数的增加而增加，它的成本会因此大幅提升，从而限制了其应用范围。
发明内容
本发明是为避免上述现有方法所存在的不足之处，提供一种多叠层压电堆栈致动器的交替独立分时驱动方法，以期能改善压电堆栈致动器迟滞现象，同时大幅降低成本。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明一种多叠层压电堆栈致动器的交替独立分时驱动方法的特点是应用于由两个驱动器、两个开关组以及多叠层压电堆栈致动器所组成的驱动环境中；所述两个开关组之间连接有两个并联的驱动器；第一开关组与外部的信号分离电路相连，用于接收驱动信号；第二开关组与所述多叠层压电堆栈致动器相连；第一开关组包含N个第一开关，任意第i个第一开关记为SW1_i；第二开关组包含N个第二开关，任意第i个第二开关记为SW2_i；第i个第一开关SW1_i接收所述信号分离电路的第i个驱动信号USi；由第i个第一开关SW1_i、第i个第二开关SW2_i以及所述多叠层压电堆栈致动器中第i层压电堆栈构成第i个通道；i＝1,2,……,N；所述交替独立分时驱动方法是按如下步骤进行：
步骤1、两个开关组接收外部的逻辑运算电路所产生的开关控制信号，记为{C1,C2,……,Ci,……,CN}；Ci表示第i个开关控制信号；
步骤2、所述第i个第一开关SW1_i和第i个第二开关SW2_i检测到第i个开关控制信号Ci为上升沿，此时第i个驱动信号USi＝0；所述第i个第一开关SW1_i和第i个第二开关SW2_i闭合，使得第一驱动器与所述第i通道连通，第i通道等待驱动；所述第i个第一开关SW1_i所接收的第i个驱动信号USi经过所述第一驱动器的放大后施加到第i层压电堆栈；
同时，第i-1个第一开关SW1_i-1和第i-1个第二开关SW2_i-1闭合，使得第二驱动器与所述第i-1通道连通，第i-1通道正在驱动；所述第i-1个第一开关SW1_i所接收的第i-1个驱动信号USi-1经过所述第二驱动器的放大后施加到第i-1层压电堆栈，使得第i-1层压电堆栈输出位移；
步骤3、当第i-1个驱动信号USi-1电压值达到最大值时，第i个驱动信号USi开始上升，第i通道开始驱动，第i层压电堆栈的输出位移随第i个驱动信号USi上升而增加；
同时，第i-1通道驱动完毕，第i-1层压电堆栈的输出位移保持为驱动电压最大时的位移；
步骤4、在第i个驱动信号USi上升过程中，第i-1个第一开关SW1_i-1和第i-1个第二开关SW2_i-1检测到第i-1个开关控制信号Ci-1为下降沿时，所述第i-1个第一开关SW1_i-1和第i-1个第二开关SW2_i-1断开，使得第二驱动器与第i-1通道断开；
步骤5、在第i个驱动信号USi上升过程中，第i+1个第一开关SW1_i+1和第i+1个第二开关SW2_i+1检测到第i+1个开关控制信号Ci+1为上升沿，此时USi+1＝0，所述第i+1个第一开关SW1_i+1和第i+1个第二开关SW2_i+1闭合，使得第二驱动器与第i+1通道连通；所述第i+1通道等待驱动；
所述第i+1个第一开关SW1_i+1所接收的第i+1个驱动信号USi+1经过第二驱动器的放大后施加到第i+1层压电堆栈；
步骤6、当第i个驱动信号USi电压值达到最大值时，第i+1个驱动信号USi+1开始上升，第i+1通道开始驱动，第i+1层压电堆栈的输出位移随第i+1个驱动信号USi+1上升而增加；
同时，第i通道驱动完毕，第i层压电堆栈的输出位移保持为驱动电压最大时的位移；
按照同样方式依次给各层压电堆栈升压直至第n层压电堆栈的电压达到驱动信号电压的最大值时转入多叠层压电堆栈致动器的降压过程；
步骤7、所述第i个第一开关SW1_i和第i个第二开关SW2_i检测到第i个开关控制信号Ci为上升沿，此时第i个驱动信号USi为最大值；所述第i个第一开关SW1_i和第i个第二开关SW2_i闭合，使得第一驱动器与所述第i通道连通，第i通道等待驱动；所述第i个第一开关SW1_i所接收的第i个驱动信号USi经过所述第一驱动器的放大后施加到第i层压电堆栈；
同时，第i+1个第一开关SW1_i+1和第i+1个第二开关SW2_i+1闭合，使得第二驱动器与所述第i+1通道连通，第i+1通道正在驱动；所述第i+1个第一开关SW1_i+1所接收的第i+1个驱动信号USi+1经过所述第二驱动器的放大后施加到第i+1层压电堆栈，使得第i+1层压电堆栈输出位移减小；
步骤8、当第i+1个驱动信号USi+1电压值降为0时，第i个驱动信号USi开始下降，第i通道开始驱动，第i层压电堆栈的输出位移随第i个驱动信号USi下降而减小；
同时，第i+1通道驱动完毕，第i+1层压电堆栈的输出位移保持为0；
步骤9、在第i个驱动信号USi下降过程中，第i+1个第一开关SW1_i+1和第i+1个第二开关SW2_i+1检测到第i+1个开关控制信号Ci+1为下降沿时，所述第i+1个第一开关SW1_i+1和第i+1个第二开关SW2_i+1断开，使得第二驱动器与第i+1通道断开；
步骤10、在第i个驱动信号USi下降过程中，第i-1个第一开关SW1_i-1和第i-1个第二开关SW2_i-1检测到第i-1个开关控制信号Ci-1为上升沿，此时USi-1为最大值，所述第i-1个第一开关SW1_i-1和第i-1个第二开关SW2_i-1闭合，使得第二驱动器与第i-1通道连通；所述第i-1通道等待驱动；
所述第i-1个第一开关SW1_i-1所接收的第i-1个驱动信号USi-1经过第二驱动器的放大后施加到第i-1层压电堆栈；
步骤11、当第i个驱动信号USi电压值降为0时，第i-1个驱动信号USi-1开始下降，第i-1通道开始驱动，第i-1层压电堆栈的输出位移随第i-1个驱动信号USi-1下降而减小；
同时，第i通道驱动完毕，第i层压电堆栈的输出位移保持为0；
按照同样方式依次给各层压电堆栈降压直至各层压电堆栈电压都降为0。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明通过采用多叠层压电堆栈致动器的交替独立分时驱动方法，解决了已有的独立驱动方法中所用驱动器的数量随压电堆栈层数的增加而变多的问题，整个驱动过程仅依靠两个驱动器实现了压电致动器各层压电堆栈的独立驱动，大幅降低了成本。
2、本发明通过采用多叠层压电堆栈致动器的交替独立分时驱动方法，解决了并联驱动导致的迟滞累加问题，在压电堆栈致动器驱动过程中的任一时刻有且仅有一层压电堆栈迟滞存在，有效的降低了多叠层压电堆栈致动器位移过程中的迟滞。
附图说明
图1为本发明整体控制方法的示意图；
图2为本发明整体电路结构的示意图；
图3为本发明驱动信号及开关控制信号的示意图；
图4为本发明驱动器输入端信号的示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
本实施例中，一种多叠层压电堆栈致动器的交替独立分时驱动方法，是应用于由两个驱动器、两个开关组以及多叠层压电堆栈致动器所组成的驱动环境中；如图1所示，两个开关组之间连接有两个并联的驱动器；第一开关组与外部的信号分离电路相连，用于接收驱动信号；第二开关组与多叠层压电堆栈致动器相连；第一开关组包含N个第一开关，任意第i个第一开关记为SW1_i；第二开关组包含N个第二开关，任意第i个第二开关记为SW2_i；第i个第一开关SW1_i接收信号分离电路的第i个驱动信号USi；由第i个第一开关SW1_i、第i个第二开关SW2_i以及多叠层压电堆栈致动器中第i层压电堆栈构成第i个通道；i＝1,2,……,N；该交替独立分时驱动方法是按如下步骤进行：
步骤1、如图2所示，两个开关组接收外部的逻辑运算电路所产生的开关控制信号，记为{C1,C2,……,Ci,……CN}；Ci表示第i个开关控制信号；第一开关组的控制信号可通过延时电路使控制信号高电平部分延时一段时间，从而避免了前后两个开关因切换时间不同导致压电陶瓷漏电现象的产生。
步骤2、如图1所示，第i个第一开关SW1_i和第i个第二开关SW2_i检测到第i个开关控制信号Ci为上升沿，此时第i个驱动信号USi＝0；第i个第一开关SW1_i和第i个第二开关SW2_i闭合，使得第一驱动器与第i通道连通，第i通道等待驱动；第i个第一开关SW1_i所接收的第i个驱动信号USi经过第一驱动器的放大后施加到第i层压电堆栈；
同时，第i-1个第一开关SW1_i-1和第i-1个第二开关SW2_i-1闭合，使得第二驱动器与第i-1通道连通，第i-1通道正在驱动；第i-1个第一开关SW1_i所接收的第i-1个驱动信号USi-1经过第二驱动器的放大后施加到第i-1层压电堆栈，使得第i-1层压电堆栈输出位移；
步骤3、当第i-1个驱动信号USi-1电压值达到最大值时，第i个驱动信号USi开始上升，第i通道开始驱动，第i层压电堆栈的输出位移随第i个驱动信号USi上升而增加；
同时，第i-1通道驱动完毕，第i-1层压电堆栈的输出位移保持为驱动电压最大时的位移；
步骤4、在第i个驱动信号USi上升过程中，第i-1个第一开关SW1_i-1和第i-1个第二开关SW2_i-1检测到第i-1个开关控制信号Ci-1为下降沿时，第i-1个第一开关SW1_i-1和第i-1个第二开关SW2_i-1断开，使得第二驱动器与第i-1通道断开；
步骤5、在第i个驱动信号USi上升过程中，第i+1个第一开关SW1_i+1和第i+1个第二开关SW2_i+1检测到第i+1个开关控制信号Ci+1为上升沿，如图3所示，第i-1个开关控制信号Ci-1的下降沿与第i+1个开关控制信号Ci+1的上升沿在时序上不是连续的，避免了第i+1个驱动信号USi+1施加到第i-1层压电堆栈导致第i-1层压电堆栈漏电现象的产生，此时USi+1＝0，第i+1个第一开关SW1_i+1和第i+1个第二开关SW2_i+1闭合，使得第二驱动器与第i+1通道连通；第i+1通道等待驱动；
第i+1个第一开关SW1_i+1所接收的第i+1个驱动信号USi+1经过第二驱动器的放大后施加到第i+1层压电堆栈；
步骤6、当第i个驱动信号USi电压值达到最大值时，第i+1个驱动信号USi+1开始上升，第i+1通道开始驱动，第i+1层压电堆栈的输出位移随第i+1个驱动信号USi+1上升而增加；
同时，第i通道驱动完毕，第i层压电堆栈的输出位移保持为驱动电压最大时的位移；
按照同样方式依次给各层压电堆栈升压直至第n层压电堆栈的电压达到驱动信号电压的最大值时转入多叠层压电堆栈致动器的降压过程；
步骤7、第i个第一开关SW1_i和第i个第二开关SW2_i检测到第i个开关控制信号Ci为上升沿，此时第i个驱动信号USi为最大值；第i个第一开关SW1_i和第i个第二开关SW2_i闭合，使得第一驱动器与第i通道连通，第i通道等待驱动；第i个第一开关SW1_i所接收的第i个驱动信号USi经过第一驱动器的放大后施加到第i层压电堆栈；
同时，第i+1个第一开关SW1_i+1和第i+1个第二开关SW2_i+1闭合，使得第二驱动器与第i+1通道连通，第i+1通道正在驱动；第i+1个第一开关SW1_i+1所接收的第i+1个驱动信号USi+1经过第二驱动器的放大后施加到第i+1层压电堆栈，使得第i+1层压电堆栈输出位移减小；
步骤8、当第i+1个驱动信号USi+1电压值降为0时，第i个驱动信号USi开始下降，第i通道开始驱动，第i层压电堆栈的输出位移随第i个驱动信号USi下降而减小；
同时，第i+1通道驱动完毕，第i+1层压电堆栈的输出位移保持为0；
步骤9、在第i个驱动信号USi下降过程中，第i+1个第一开关SW1_i+1和第i+1个第二开关SW2_i+1检测到第i+1个开关控制信号Ci+1为下降沿时，第i+1个第一开关SW1_i+1和第i+1个第二开关SW2_i+1断开，使得第二驱动器与第i+1通道断开；
步骤10、在第i个驱动信号USi下降过程中，第i-1个第一开关SW1_i-1和第i-1个第二开关SW2_i-1检测到第i-1个开关控制信号Ci-1为上升沿，此时USi-1为最大值，第i-1个第一开关SW1_i-1和第i-1个第二开关SW2_i-1闭合，使得第二驱动器与第i-1通道连通；第i-1通道等待驱动；
第i-1个第一开关SW1_i-1所接收的第i-1个驱动信号USi-1经过第二驱动器的放大后施加到第i-1层压电堆栈；
步骤11、当第i个驱动信号USi电压值降为0时，第i-1个驱动信号USi-1开始下降，第i-1通道开始驱动，第i-1层压电堆栈的输出位移随第i-1个驱动信号USi-1下降而减小；
同时，第i通道驱动完毕，第i层压电堆栈的输出位移保持为0；
按照同样方式依次给各层压电堆栈降压直至各层压电堆栈电压都降为0，一个完整信号周期的驱动完成，其中第一驱动器和第二驱动器的输入信号如图4所示。
综上所述，本发明方法相较于并联驱动方法，因其在同一时间只有一层堆栈被驱动，使得其产生的迟滞误差也始终为某一层堆栈的误差，从而避免了迟滞误差的累积；相较于多驱动器的独立驱动方法，因其驱动器交替驱动各层压电堆栈，使得其驱动器数量不会随压电堆栈层数增加而增加，从而有效降低了成本。
Claims (1)
1.一种多叠层压电堆栈致动器的交替独立分时驱动方法，其特征是应用于由两个驱动器、两个开关组以及多叠层压电堆栈致动器所组成的驱动环境中；所述两个开关组之间连接有两个并联的驱动器；第一开关组与外部的信号分离电路相连，用于接收驱动信号；第二开关组与所述多叠层压电堆栈致动器相连；第一开关组包含N个第一开关，任意第i个第一开关记为SW1_i；第二开关组包含N个第二开关，任意第i个第二开关记为SW2_i；第i个第一开关SW1_i接收所述信号分离电路的第i个驱动信号USi；由第i个第一开关SW1_i、第i个第二开关SW2_i以及所述多叠层压电堆栈致动器中第i层压电堆栈构成第i个通道；i＝1,2,……,N；所述交替独立分时驱动方法是按如下步骤进行：
步骤1、两个开关组接收外部的逻辑运算电路所产生的开关控制信号，记为{C1,C2,……,Ci,……,CN}；Ci表示第i个开关控制信号；
步骤2、所述第i个第一开关SW1_i和第i个第二开关SW2_i检测到第i个开关控制信号Ci为上升沿，此时第i个驱动信号USi＝0；所述第i个第一开关SW1_i和第i个第二开关SW2_i闭合，使得第一驱动器与所述第i通道连通，第i通道等待驱动；所述第i个第一开关SW1_i所接收的第i个驱动信号USi经过所述第一驱动器的放大后施加到第i层压电堆栈；
同时，第i-1个第一开关SW1_i-1和第i-1个第二开关SW2_i-1闭合，使得第二驱动器与所述第i-1通道连通，第i-1通道正在驱动；所述第i-1个第一开关SW1_i所接收的第i-1个驱动信号USi-1经过所述第二驱动器的放大后施加到第i-1层压电堆栈，使得第i-1层压电堆栈输出位移；
步骤3、当第i-1个驱动信号USi-1电压值达到最大值时，第i个驱动信号USi开始上升，第i通道开始驱动，第i层压电堆栈的输出位移随第i个驱动信号USi上升而增加；
同时，第i-1通道驱动完毕，第i-1层压电堆栈的输出位移保持为驱动电压最大时的位移；
步骤4、在第i个驱动信号USi上升过程中，第i-1个第一开关SW1_i-1和第i-1个第二开关SW2_i-1检测到第i-1个开关控制信号Ci-1为下降沿时，所述第i-1个第一开关SW1_i-1和第i-1个第二开关SW2_i-1断开，使得第二驱动器与第i-1通道断开；
步骤5、在第i个驱动信号USi上升过程中，第i+1个第一开关SW1_i+1和第i+1个第二开关SW2_i+1检测到第i+1个开关控制信号Ci+1为上升沿，此时USi+1＝0，所述第i+1个第一开关SW1_i+1和第i+1个第二开关SW2_i+1闭合，使得第二驱动器与第i+1通道连通；所述第i+1通道等待驱动；
所述第i+1个第一开关SW1_i+1所接收的第i+1个驱动信号USi+1经过第二驱动器的放大后施加到第i+1层压电堆栈；
步骤6、当第i个驱动信号USi电压值达到最大值时，第i+1个驱动信号USi+1开始上升，第i+1通道开始驱动，第i+1层压电堆栈的输出位移随第i+1个驱动信号USi+1上升而增加；
同时，第i通道驱动完毕，第i层压电堆栈的输出位移保持为驱动电压最大时的位移；
按照同样方式依次给各层压电堆栈升压直至第n层压电堆栈的电压达到驱动信号电压的最大值时转入多叠层压电堆栈致动器的降压过程；
步骤7、所述第i个第一开关SW1_i和第i个第二开关SW2_i检测到第i个开关控制信号Ci为上升沿，此时第i个驱动信号USi为最大值；所述第i个第一开关SW1_i和第i个第二开关SW2_i闭合，使得第一驱动器与所述第i通道连通，第i通道等待驱动；所述第i个第一开关SW1_i所接收的第i个驱动信号USi经过所述第一驱动器的放大后施加到第i层压电堆栈；
同时，第i+1个第一开关SW1_i+1和第i+1个第二开关SW2_i+1闭合，使得第二驱动器与所述第i+1通道连通，第i+1通道正在驱动；所述第i+1个第一开关SW1_i+1所接收的第i+1个驱动信号USi+1经过所述第二驱动器的放大后施加到第i+1层压电堆栈，使得第i+1层压电堆栈输出位移减小；
步骤8、当第i+1个驱动信号USi+1电压值降为0时，第i个驱动信号USi开始下降，第i通道开始驱动，第i层压电堆栈的输出位移随第i个驱动信号USi下降而减小；
同时，第i+1通道驱动完毕，第i+1层压电堆栈的输出位移保持为0；
步骤9、在第i个驱动信号USi下降过程中，第i+1个第一开关SW1_i+1和第i+1个第二开关SW2_i+1检测到第i+1个开关控制信号Ci+1为下降沿时，所述第i+1个第一开关SW1_i+1和第i+1个第二开关SW2_i+1断开，使得第二驱动器与第i+1通道断开；
步骤10、在第i个驱动信号USi下降过程中，第i-1个第一开关SW1_i-1和第i-1个第二开关SW2_i-1检测到第i-1个开关控制信号Ci-1为上升沿，此时USi-1为最大值，所述第i-1个第一开关SW1_i-1和第i-1个第二开关SW2_i-1闭合，使得第二驱动器与第i-1通道连通；所述第i-1通道等待驱动；
所述第i-1个第一开关SW1_i-1所接收的第i-1个驱动信号USi-1经过第二驱动器的放大后施加到第i-1层压电堆栈；
步骤11、当第i个驱动信号USi电压值降为0时，第i-1个驱动信号USi-1开始下降，第i-1通道开始驱动，第i-1层压电堆栈的输出位移随第i-1个驱动信号USi-1下降而减小；
同时，第i通道驱动完毕，第i层压电堆栈的输出位移保持为0；
按照同样方式依次给各层压电堆栈降压直至各层压电堆栈电压都降为0。
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