CN112154599A - 用于操作压电马达的双模式运动控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于控制粘滑压电马达的运动控制系统和方法包括用于移动机械装置的模拟驱动器和电子控制器。当在数字电路模式下操作时，电子控制器控制数模转换器以低速移动粘滑压电马达。当以更快的模拟电路模式操作时，电子控制器经由模拟驱动器进行操作以控制模拟硬件电路以高速移动粘滑压电马达。在压电马达启动时，电子控制器以数字电路模式进行操作。

Description

用于操作压电马达的双模式运动控制系统和方法

相关申请的交叉引用

此申请要求于2018年3月29日提交的欧洲专利申请号18164871.8的优先权，所述申请的全部内容通过引用结合于本文中。

背景技术

本发明涉及一种用于粘滑（stick-slip）压电马达的运动控制系统和方法。

粘滑压电马达在现有技术中是已知的。美国专利公开2015/0076965中公开了粘滑压电马达的一个示例。物理结构包括耦合垫和摩擦垫。

于2017年4月24日提交的国际PCT申请号PCT/IB2017/000554中公开了另一种粘滑压电马达。所述压电马达具有压电堆叠和条带，其用于在缩回位置和伸出位置之间的移动。垫与致动表面接合，并且弹簧头与垫中的每个是可接合的。

发明内容

在一个实施例中，用于操作粘滑压电马达的运动控制系统包括用于以高操作速率提供高速波形的模拟硬件电路、用于驱动所述模拟硬件电路的模拟驱动器、以及用于将数字信号转换成模拟信号以供以低操作速率提供低速波形的数模转换器。运动控制系统还包括用于选择来自模拟硬件电路的输出和来自数模转换器的输出中的一个的模式开关，以及与模拟驱动器、模拟硬件电路、数模转换器和模式开关进行通信的电子控制器。电子控制器被配置为：控制数模转换器以输出低速波形，控制模拟驱动器以驱动模拟硬件电路以输出高速波形，以及控制模式开关以从模拟硬件电路向压电马达提供高速波形或者从数模转换器向压电马达提供低速波形。

在另一个实施例中，提供了一种用于控制粘滑压电马达的方法，所述马达具有电子控制器和模拟驱动器，其用于在选择移动时移动机械装置。所述方法包括利用电子控制器以数字电路模式进行操作以按低速移动粘滑压电马达，并且利用电子控制器和模拟驱动器以模拟电路模式选择性地进行操作以按高速移动粘滑压电马达。在压电马达的启动时，电子控制器以数字电路模式进行操作。

通过考虑详细描述和附图，本发明的其他方面将变得显而易见。

附图说明

图1是运动控制系统的实施例的框图。

图2是用于在数字电路模式和模拟电路模式之间的双模式运动控制中进行操作的实施例的流程图。

图3是示出针对一个实施例的速度剖面（profile）。

图4示出了在一个实施例中当运动控制系统以数字电路模式进行操作时的低斜率波形。

图5示出了在一个实施例中运动控制系统的操作模式的低斜率波形和高速波形。

图6示出了以模拟电路模式进行操作以提供高速波形的实施例的流程图。

图7示出了针对其中对电容器的放电是由来自控制放电开关的模拟驱动器的脉冲提供的实施例的波形。

具体实施方式

在详细解释任何实施例之前，应理解的是，实施例在应用上不限于在以下描述中阐述的或在以下附图中示出的组件的布置和构造的细节。其他实施例能够以各种方式实行或执行。此外，应理解，本文使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应被视为限制。本文使用的“包括”、“包含”或“具有”及其变化意味着涵盖随后列出的项及其等同物以及附加项。除非另有说明或限制，术语“安装”、“连接”、“支撑”和“耦合”及其变体被广泛使用，并且涵盖直接和间接安装两者、连接、支撑和耦合。此外，“连接”和“耦合”不限于物理或机械连接或耦合。

图1示出了双模式运动控制系统10的框图。双模式运动控制系统10包括向电子控制器20提供输入的用户界面14。电子控制器20包括输入/输出（I/O）接口22、处理器24和存储器26。处理器24被配置为执行存储在非易失性存储器26中的指令。

图1示出了连接到多个装置并经由I/O接口22与控制器20的处理器24通信的模拟驱动器28。在一个实施例中，模拟驱动器28是专用集成电路（ASIC）。在另一个实施例中，模拟驱动器28是作为数字信号处理器（DSP）的组件与处理器24组合的模拟电路。模拟驱动器28被配置为以比处理器24更快的速率进行操作。

应理解，图1中所示的电子控制器20可包括多个处理器、附加的计算机可读存储器、多个I/O接口和/或附加的组件或模块（例如，硬件、软件或其组合）。

图1中所示的处理器24从至少模拟驱动器28接收信息，并通过执行存储在电子控制器20的存储器26中的一个或多个软件模块的指令（其也可被称为“程序”）来处理信息。处理器24将信息存储到存储器26并从存储器26中检索信息，以及通过由处理器24执行的程序生成的信息。存储器26包括非暂时性存储器和易失性存储器或其组合。非暂时性存储器是计算机可读的。在各种构造中，存储器26还可以存储操作系统软件、应用/指令数据及其组合。在另一个实施例中，专用集成电路（ASIC）执行处理器24的操作。

图1中所示的双模式运动控制系统10包括用于以数字电路模式进行操作的数模转换器（DAC）30。在一个实施例中，DAC 30是16位装置，其从电子控制器20接收数字输入，并在信号线32上提供模拟输出信号以作为低速波形。因此，DAC 30被提供用于将数字信号转换成模拟信号。

双模式运动控制系统10包括模拟硬件电路40，其用于提供模拟输出信号作为高速波形。模拟硬件电路40包括高速斜率生成器42。高速斜率生成器42包括放电开关S1、电流源44和参考电容器46。电流源44与参考电容器46串联。放电开关S1与参考电容器46并联接地。控制信号线50提供来自模拟驱动器28的控制信号以控制电流源44。控制信号线54从模拟驱动器28向放电开关S1提供控制信号。放电开关S1是一个开/关或通/断开关。

图1中所示的模拟硬件电路40包括具有反相器64的斜率反相器电路60，所述反相器64具有到控制信号线68的输入电连接，所述控制信号线68在电流源44和参考电容器46之间。斜率反相器电路60包括运动方向开关S2，所述运动方向开关S2具有连接到反相器64的输出的第一输入连接器和连接到信号线68的第二输入连接器。因此，运动方向开关S2具有两个输入连接器，以选择性地从其中提供驱动信号的输出。最后，运动方向开关S2经由控制信号线69从模拟驱动器28接收控制输入。

模拟硬件电路40包括可调电压电平传感器70，其用于感测信号线68上的信号的电压电平。可调电压电平传感器70在信号线71上从模拟驱动器28接收预定或选择的电压电平值，以用于与感测的电压值进行比较。当超过预定电压电平值时，电压电平传感器70在信号线72上向模拟驱动器28提供输出。

图1中所示的双模式运动控制系统10包括模式开关S3，所述模式开关S3具有连接到信号线76的输入和输入连接器，所述信号线76接收来自运动方向开关S2的输出，而输入连接器接收来自DAC 30的输出信号线32的信号。最后，模式开关S3包括控制输入连接器，所述控制输入连接器经由控制信号线82从电子控制器20接收控制信号。

图1中所示的双模式运动控制系统10还包括具有输出信号线88的放大器84，其用于放大经由模式开关S3接收的输出信号，并在输出信号线88上将放大的输出提供给压电马达90。

电子控制器40至少与模拟驱动器28、模拟硬件电路40、数模转换器30和模式开关S3通信。

在一些实施例中，电子控制器20基于由来自用户界面14的输入或由存储器26提供的计算和编程信息来确定针对压电马达90的位置。因此，电子控制器20在没有位置编码器的开环系统中进行操作。

在另一个实施例中，图1中所示的位置编码器94确定压电马达90和与其相关的机械装置的物理位置数据。位置编码器被连接以在信号线98上向电子控制器20提供物理位置数据。

操作

在一个实施例中，在操作中，图1中所示的双模式运动控制系统10以图2中所示的流程图100所示的方式执行用于控制粘滑压电马达的方法。在启动操作时，电子控制器20确定是否提供了新运动命令（步骤104）。鉴于从用户界面14接收的命令，当要求具有运动和方向的新轨迹时，处理器24处理命令或以其他方式进行操作以生成运动剖面（步骤108）。运动剖面的一个示例是图3中所示的梯形速度剖面。剖面对应于由压电马达90对机械装置的预定或计算的移动。图3中所示的速度剖面包括垂直方向上的速度和水平方向上的时间。图3示出了在数字电路模式下直到达到从低速到高速转换速度阈值V1的DAC 30的操作。一旦达到预定的操作速率或速度阈值V1，双模式运动控制系统的电子控制器20通过利用模拟驱动器28和模拟硬件电路40连同模式开关S3一起切换到模拟电路模式。当压电马达90达到最大速率并将机械装置移动某一距离时，模拟电路模式将减速。当达到高速到低速转换速度阈值V2时，电子控制器20切换回到数字电路模式。在一个实施例中，速度阈值V2或预定操作速率小于速度阈值V1。

回到图2，在生成新轨迹（步骤108）之后，电子控制器计算针对移动的下一个目标位置（步骤112）和新目标速度（步骤116）。程序比较确定目标速度是否对应于大于或等于速度阈值V1的值（步骤120）。最初，速度是低的。因此，电子控制器（步骤120）前进到计算下一个电压电平（步骤124），并且然后设置用于输出的期望压电电压（步骤128）。此后，控制器20或者设置模式开关S3以接收来自DAC 30的输入，或者维持连接到DAC 30的模式开关（步骤132）。此后，来自DAC 30的电压经由模式开关S3被提供给放大器84（步骤136）。放大器88向压电马达90提供驱动电压，以用于移动相关联的机械装置。

由控制器20的处理器24执行的程序返回（步骤104）。由于没有生成新的运动命令（判定步骤104），处理器24返回以计算下一个目标位置（步骤112），并且然后计算新的增加的速度（步骤116）。当速度保持低于阈值V1时（步骤120），处理器24前进并重复所述步骤（步骤124、128、132、126）。在通过流程图的每次返回中，随着DAC 30递增地增加其输出，电压输出以某种步进方式增加，如图4中所示的随时间增加电压的一个实施例中所示的。因此，DAC30作为低速斜率生成器进行操作，以获得图4中所示的低速波形。在数字电路模式的操作中，DAC 30被驱动直到获得最大电压，然后电压输出被复位。在操作压电马达90时，复位对应于滑。图5的一部分示出了由DAC 30输出的波形，其中速率被增加以生成比第一波形快得多的第二波形W2。DAC 30通过将数字信号转换成模拟信号并将波形经由模式开关S3提供给放大器84而作为低速斜率生成器进行操作。压电马达90接收波形以移动机械装置。

从数字电路模式切换到模拟电路模式

在其中斜率的速度增加到超过图3中的速度阈值V1的实例对应于图5中的时间t₁。在图2中，处理器24确定高速阈值V1，并切换（判定步骤120）以前进到高速或模拟电路模式。然后，经由模拟驱动器28，处理器24设置电流源44（步骤140）。DAC 30不接收电力。电流源44响应于来自模拟驱动器28的信号输出选择的电流。如果模式开关S3尚没有被设置为接收模拟硬件电路的输出，则处理器24前进到设置模式开关S3（步骤144）以接收模拟硬件电路40的输出。然后，高速斜率生成器42进行操作（步骤150）。

高速操作

由包括高速斜率生成器42的模拟硬件电路生成高速斜率（步骤150）在图6中被示为子例程。因此，包括反馈回路的操作步骤150的特征在图6中被示出。在操作中，电流源44正在给参考电容器46充电。当斜率水平没有达到电压阈值时，程序返回到步骤152，并且参考电容器46的充电继续。当可调电平传感器70感测到参考电容器46上充电的电压大于或等于来自模拟驱动器28在信号线71上提供的电压时，获得了期望的电压阈值（步骤152）。当参考电容器46上的电压达到阈值时，电压电平传感器70向模拟驱动器28提供反馈控制信号。模拟驱动器28通过对参考电容器放电（步骤154）来驱动模拟硬件电路40。对参考电容器46的放电由来自控制放电开关S1的模拟驱动器28的脉冲（如图7中所示的波形中所示的）所提供。然后，模拟驱动器28确定斜率持续时间（步骤156）并计算速率误差（步骤158）。速率误差被用来调整电流源（步骤160）。步骤152至160以比双模式运动控制系统10的处理器24的速率大得多的速率进行重复。在图5中所示的时间t₁和t₂之间，高速斜率生成发生。斜率生成速率是预期比图5中所示的速率高得多的斜率生成速率。

回到图2，在通过图6的流程图的多次迭代之后，程序还确定用于操作压电马达90的前进/倒退条件（判定步骤170）。当选择倒退时，运动方向开关S2被切换（步骤174），以将来自反相器64的输出经由开关S2、S3提供给放大器84（步骤136）及压电马达90。当选择前进（步骤178）时，运动方向开关S2保持在适当位置或被切换，使得信号线68经由开关S2、S3向放大器84提供输出（步骤136）。图2中所示的程序然后在步骤104重复。

从模拟电路模式切换到数字电路模式

在双模式运动控制系统10从图2中的高速斜率切换到低速斜率（步骤120）的实例中，斜率的速度降低到小于图3中的速度阈值V2，这对应于图5中的时间t₂。程序计算下一个电压电平（步骤124），并为DAC 30设置期望的压电电压。并且模式开关S3被切换到低通道输出（步骤132）。数字电路模式以以上阐述的方式进行操作。如图3中所示的，速度阈值V2小于速度阈值V1。

当压电马达90以第一预定速率被驱动时，双模式运动控制系统10执行从数字电路模式转换到模拟电路模式的方法。当压电马达90以模拟电路模式以小于第一预定速率或速度的第二预定速率或速度被驱动时，系统或方法从模拟电路模式转换到数字电路模式。

在提供低速斜率信号的数字电路模式中，处理器24在其每个伺服循环中实时计算期望的信号电平。这种布置提供了无限的理论分辨率，其仅受DAC 30的分辨率和数值（浮点）分辨率的限制。与存储在存储器中用于描述信号的固定值或电压阶跃相比，所公开的方法更加精确和灵活，从而允许实时中的任何信号形状变化。然而，限制在于这种数字方法只能被用于低速，其中脉冲率显著慢于针对处理器24的伺服时钟。在压电马达90停止之前，电子控制器40以数字电路模式进行操作。

通过将生成低速信号的数字布置与以高速进行操作良好的生成信号的硬件（所述硬件不能处理低速信号）相结合，我们的解决方案是独一无二的。

闭环系统

在一个实施例中，双模式运动控制系统10包括位置编码器94，所述位置编码器94用于向用于配备有压电马达90的机械装置的电子控制器20提供位置反馈。通过作为闭环系统进行操作，直接反馈确保了机械装置的位置上的准确性。

开环控制系统

在另一个实施例中，双模式运动控制系统是没有位置编码器的开环系统。处理器24基于压电马达90的操作来确定或计算机械装置的位置。没有提供测量或位置感应。

附加功能

如上所述，电流源44最初由模拟驱动器28基于来自处理器24的信号来控制。因此，处理器24经由模拟驱动器28控制参考电容器充电率，所述充电率又确定了信号的斜率。

如图1中所示的，反相器64从相同参考电容器46/电流源44生成针对倒退方向的信号。因此，产生了负斜率而不是上升斜率，这触发了压电马达90的相反运动。

通过使用单个参考电容器46/电流源44来生成针对两个方向的信号，产生了在可用范围内的任何速率下的完美信号对称性。在另一个实施例中，处理器24控制选择针对两个运动方向的信号的运动方向开关S2。处理器24控制模式开关S3，其用于选择提供针对高速和低速波形的信号的输出。

在一个实施例中，电子控制器从数字电路模式自动转换到模拟电路模式，而无需用户以针对粘滑压电马达的预定操作速率进行输入。

在一些实施例中，信号形状独立于压电马达90的负载。因此，可以驱动任何压电马达90，而无需改变驱动器配置。

针对粘滑压电马达90通常需要的所有充电和放电延迟是基于速率和其他条件动态改变的和可编程的。

在一些实施例中，开关S1、S2、S3是集成电路。

电压电平传感器70被示为与模拟驱动器28和处理器20分离的元件。在一些实施例中，电压电平传感器70是包括控制器20和驱动模拟硬件电路40的模拟驱动器28的DSP的组件。因此，图1的布置仅用于说明。

因此，所述实施例尤其提供了双模式运动控制系统10和方法，其用于以数字电路模式以低速斜率或低操作速率操作粘滑压电马达90以及以模拟电路模式以高速斜率或高操作速率操作粘滑压电马达90。在下面的权利要求中阐述了本发明的各种特征和优点。

Claims (20)

1.一种用于操作粘滑压电马达的运动控制系统，其包括：

模拟硬件电路，所述模拟硬件电路用于以高操作速率提供高速波形；

模拟驱动器，所述模拟驱动器用于驱动所述模拟硬件电路；

数模转换器，所述数模转换器用于将数字信号转换成模拟信号，以用于以低操作速率提供低速波形；

模式开关，所述模式开关用于选择来自所述模拟硬件电路的输出和来自所述数模转换器的输出中的一个，

与所述模拟驱动器、所述模拟硬件电路、所述数模转换器和所述模式开关进行通信的电子控制器，所述电子控制器被配置为：

控制所述数模转换器以输出低速波形，

控制所述模拟驱动器以驱动所述模拟硬件电路输出高速波形，以及

控制所述模式开关以从所述模拟硬件电路向所述压电马达提供所述高速波形，或者从所述数模转换器向所述压电马达提供所述低速波形。

2.根据权利要求1所述的运动控制系统，其中所述模拟硬件电路包括：

电流源，

连接到所述电流源的参考电容器，以及

用于对所述参考电容器放电的放电开关，

其中所述电流源和所述放电开关由所述模拟驱动器控制。

3. 根据权利要求2所述的运动控制系统，其中所述模拟硬件电路包括：

反相器，所述反相器在所述电流源和所述参考电容器之间具有输入连接；以及

运动方向开关，所述运动方向开关具有连接在所述电流源和所述参考电容器之间的第一输入，所述运动方向开关具有连接到所述反相器的输出的第二输入，并且所述运动方向开关的输出连接到所述模式开关的输入。

4. 根据权利要求3所述的运动控制系统，还包括：

放大器，所述放大器被配置为接收所述模式开关的输出，以及

压电马达，所述压电马达用于接收所述放大器的输出，所述控制系统控制所述压电马达以用于移动机械装置。

5.根据权利要求4所述的运动控制系统，所述模拟硬件电路包括用于向所述模拟驱动器提供反馈控制信号的电压电平传感器，所述电压电平传感器具有连接在所述电流源和所述参考电容器之间的输入连接。

6.根据权利要求4所述的运动控制系统，其中所述运动控制系统包括用于向所述电子控制器提供针对所述机械装置的位置反馈的位置编码器，并且其中所述运动控制系统是闭环系统。

7.根据权利要求4所述的运动控制系统，其中所述运动控制系统是没有位置编码器的开环系统。

8.根据权利要求1所述的运动控制系统，其中所述电子控制器包括处理器和非暂时性存储器，并且其中所述电子控制器从用户界面接收命令。

9.根据权利要求8所述的运动控制系统，其中所述处理器处理从所述用户界面接收的命令以生成运动剖面，并且选择性地向所述模拟驱动器或所述数模转换器提供驱动信号以驱动所述压电马达。

10.根据权利要求1所述的运动控制系统，其中所述低速波形具有小于所述高速波形的斜率的斜率。

11. 一种用于控制粘滑压电马达的方法，所述粘滑压电马达具有用于在选择移动时移动机械装置的模拟驱动器和电子控制器，所述方法包括：

利用所述电子控制器以数字电路模式进行操作，以按低速移动所述粘滑压电马达；以及

利用所述电子控制器和所述模拟驱动器选择性地以模拟电路模式进行操作，以按高速移动所述粘滑压电马达，

其中所述电子控制器在所述压电马达的启动时以所述数字电路模式进行操作。

12.根据权利要求11所述的方法，其中在停止所述压电马达前，所述电子控制器以所述数字电路模式进行操作。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述电子控制器从所述数字电路模式自动地转换到所述模拟电路模式，而无需用户以针对所述粘滑压电马达的预定操作速率输入。

14.根据权利要求13所述的方法，其中在所述模拟电路模式中，所述控制器向所述模拟驱动器提供驱动器指令，所述模拟驱动器驱动模拟硬件电路以向所述粘滑压电马达供电。

15.根据权利要求11所述的方法，其中当所述压电马达以第一预定速率被驱动时，所述方法从所述数字电路模式转换到所述模拟电路模式，并且其中当所述压电马达以小于所述第一预定速率的第二预定速率以所述模拟电路模式被驱动时，所述方法从所述模拟电路模式转换到所述数字电路模式。

16.根据权利要求11所述的方法，其包括用于向所述电子控制器提供针对所述机械装置的位置反馈的位置编码器，并且其中用于控制所述压电马达的运动控制系统是闭环系统。

17.根据权利要求11所述的方法，其中所述电子控制器包括处理器和非暂时性存储器，并且其中所述电子控制器从用户界面接收命令。

18.根据权利要求17所述的方法，其中以所述模拟电路模式进行操作时，所述模拟驱动器驱动模拟硬件电路，所述模拟硬件电路包括电流源、连接到所述电流源的参考电容器以及用于对所述参考电容器放电的放电开关，其中所述电流源和所述放电开关由所述模拟驱动器控制。

19.根据权利要求18所述的方法，其中以所述数字电路模式进行操作时，所述电子控制器控制用于将数字信号转换成模拟信号的数模转换器，以按低操作速率提供低速波形。

20.根据权利要求19所述的方法，其包括被配置为接收所述模拟信号并向压电马达提供输出以用于移动机械装置的放大器。

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