CN113507233A - 基于压电效应反馈控制的压电电机、驱动控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于压电效应反馈控制的压电电机、驱动控制方法及装置，该方法包括接收所述反馈压电陶瓷片反馈的所述反馈电压信号；将所述反馈电压信号对应的电压值与预设阈值比较，产生补偿电压信号；根据所述补偿电压信号调节接入所述激励压电陶瓷组的驱动电压信号；将调节后的驱动电压信号接入所述激励压电陶瓷组，以激励所述激励压电陶瓷组带动所述驱动足推动所述转子转动。本发明通过反馈压电陶瓷片反馈并对激励压电陶瓷组的驱动信号进行补偿调节，确保驱动信号的频率与定子固有振动频率相对应，使压电电机能在短时工作于功率最大状态，且具有提高压电电机输出稳定性、鲁棒性的效果。

Description

基于压电效应反馈控制的压电电机、驱动控制方法及装置

技术领域

本发明涉及压电电机技术领域，特别涉及一种压电电机的驱动控制方法及装置。

背景技术

压电电机是一种新型电机，不同于电磁电机，它利用逆压电效应激励定子振动，并通过摩擦将定子的微观振动转化为转子(或动子)的宏观运动，从而实现转动和力矩输出。压电电机的驱动信号的频率都需要实时精准控制，特别是在短时大功率工作的场合，驱动信号的频率需要时刻跟踪到压电电机的固有共振频率，在此频率下压电电机的振幅最大，从而使得电机的输出功率最大。由于压电电机的固有共振频率会随压电电机工作温升等因素影响而变化，压电电机驱动信号的频率如不能跟随调整，则会影响压电电机的输出振幅，进而影响输出功率无法达到最大。

现有压电电机的控制方法是给压电电机增加速度或者位置的反馈，对驱动信号的电压、频率和相位进行综合调节，但对于短时大功率输出的情况下，这样的方法不能保证压电电机输出功率最大，无法实现压电电机的短时大功率输出。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的第一目的在于提供一种能够实时反馈并补偿驱动电压信号的压电电机。

本发明的第二目的在于提供一种上述压电电机的驱动控制方法。

本发明的第三目的在于提供一种上述压电电机的驱动控制装置。

为实现上述目的，本发明第一方面提供一种基于压电效应反馈控制的压电电机，包括定子和转子，所述定子包括驱动足、激励压电陶瓷组和反馈压电陶瓷片，所述驱动足与所述激励压电陶瓷组固连，所述反馈压电陶瓷片贴合设置在所述激励压电陶瓷组上；其中，所述激励压电陶瓷组接入所述定子的固有振动频率对应的驱动电压信号带动所述驱动足推动所述转子转动，所述反馈压电陶瓷片通过所述激励压电陶瓷组振动的压电效应产生与所述定子的固有振动频率同频率的反馈电压信号。

进一步，所述激励压电陶瓷组包括多个压电陶瓷片，所述定子还包括第一配重块和第二配重块，所述驱动足、所述第一配重块、所述激励压电陶瓷组、所述反馈压电陶瓷片和所述第二配重块按顺序固定连接。

进一步，还包括驱动器和控制器；所述驱动器用于产生接入所述激励压电陶瓷组的所述驱动电压信号；所述控制器用于接收所述反馈压电陶瓷片反馈的反馈电压信号，根据所述反馈电压信号与预设阈值比较结果向所述驱动器补偿所述驱动电压信号。

本发明第二方面提供一种压电电机的驱动控制方法，用于第一方面所述的压电电机，所述驱动控制方法包括：

接收所述反馈压电陶瓷片反馈的所述反馈电压信号；

将所述反馈电压信号对应的电压值与预设阈值比较，产生补偿电压信号；

根据所述补偿电压信号调节接入所述激励压电陶瓷组的驱动电压信号；

将调节后的驱动电压信号接入所述激励压电陶瓷组，以激励所述激励压电陶瓷组带动所述驱动足推动所述转子转动。

进一步，将所述反馈电压信号对应的电压值与预设阈值比较，产生补偿电压信号包括：

在所述反馈电压信号对应的电压值小于所述预设阈值时，产生调高所述驱动电压信号的补偿电压信号；

在所述反馈电压信号对应的电压值大于所述预设阈值时，产生调低所述驱动电压信号的补偿电压信号。

本发明的第三方面提供一种压电电机的驱动控制装置，用于第一方面所述的压电电机，所述驱动控制装置包括：

接收模块，用于接收所述反馈压电陶瓷片反馈的所述反馈电压信号；

比较模块，用于将所述反馈电压信号对应的电压值与预设阈值比较，产生补偿电压信号；

调节模块，根据所述补偿电压信号调节接入所述激励压电陶瓷组的驱动电压信号；

发送模块，用于将调节后的驱动电压信号接入所述激励压电陶瓷组，以激励所述激励压电陶瓷组带动所述驱动足推动所述转子转动。

本发明通过激励压电陶瓷组上设置反馈压电陶瓷片，可以根据激励压电陶瓷组振动频率变化而实时反馈并对激励压电陶瓷组的驱动信号进行补偿调节，确保驱动信号的频率与定子固有振动频率相对应，使压电电机能在短时工作于功率最大状态，且具有提高压电电机输出稳定性、鲁棒性的效果。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例的基于压电效应反馈控制的压电电机结构示意图；

图2为本发明一实施例的基于压电效应反馈控制的压电电机的信号流转示意图；

图3为本发明一实施例的基于压电效应反馈控制的压电电机的反馈控制示意图；

图4为本发明一实施例的压电电机的驱动控制方法的流程示意图；

图5为本发明一实施例的压电电机的驱动控制装置的方框示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本发明的各方面。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

图1示出了本发明一实施例的基于压电效应反馈控制的压电电机结构示意图。

如图1所示，基于压电效应反馈控制的压电电机，包括定子1和转子2，所述定子1包括驱动足11、激励压电陶瓷组12和反馈压电陶瓷片13，所述驱动足11与所述激励压电陶瓷组12固连，所述反馈压电陶瓷片13贴合设置在所述激励压电陶瓷组12上；其中，所述激励压电陶瓷组12接入所述定子1的固有振动频率对应的驱动电压信号带动所述驱动足11推动所述转子2转动，所述反馈压电陶瓷片13通过所述激励压电陶瓷组12振动的压电效应产生与所述定子1的固有振动频率同频率的反馈电压信号。具体来说，所述激励压电陶瓷组12包括多个压电陶瓷片，所述定子1还包括14第一配重块和第二配重块15，所述驱动足11、所述第一配重块14、所述激励压电陶瓷组12、所述反馈压电陶瓷片13和所述第二配重块15按自上而下顺序固定连接。激励压电陶瓷组12被激励振动时，反馈压电陶瓷片13因压电效应而产生电压输出，且该电压幅值正比于振动幅值，因此根据反馈压电陶瓷片13反馈压电信号能对激励压电陶瓷组的驱动压电信号进行补偿，使得激励压电陶瓷组12振动幅值最大化。

随着压电电机工作，定子1的温度会随之升高，致使定子1的固有振动频率会随温度而随之改变，如果始终按照同一频率激励压电陶瓷组12振动，会影响激励压电陶瓷组12振动幅度，进而影响压电电机的输出功率。为了保证压电电机短时输出功率最大化需求，通过在激励压电陶瓷组12上加装反馈压电陶瓷片13，根据激励压电陶瓷组12振动的压电效果通过反馈压电陶瓷片13反馈电压信号补偿驱动信号，确保激励压电陶瓷组12在最大幅度振动，进而保证压电电机的短时输出功率最大化。

如图2和3所示，基于压电效应反馈控制的压电电机还包括驱动器3和控制器4；所述驱动器3用于产生接入所述激励压电陶瓷组12的所述驱动电压信号；所述控制器4用于接收所述反馈压电陶瓷片13反馈的反馈电压信号，根据所述反馈电压信号与预设阈值比较结果向所述驱动器3补偿所述驱动电压信号。压电电机驱动器3产生一定频率的电压，用于驱动压电电机产生振动。当反馈电压幅值最大时，则该频率点为最佳工作频率点。通过实时微调电机定子振动频率，保持反馈电压幅值最大，可使电机持续工作于功率最大状态。控制器3的控制量为驱动信号的频率，其特点在于与位置与速度闭环对驱动信号工作频率控制改变量比相对较小，其效果为使电机鲁棒性增加，减少系统噪声的干扰效果。

本发明通过反馈相压电陶瓷片的反馈并对激励压电陶瓷组的驱动信号进行补偿调节，可使电机持续工作于功率最大状态，且具有提高压电电机稳定性、鲁棒性的效果。

图4示出了本发明一实施例的压电电机的驱动控制方法的流程示意图。

如图4所示，本发明压电电机的驱动控制方法，用于上述的压电电机，所述驱动控制方法包括：

步骤S400：接收所述反馈压电陶瓷片反馈的所述反馈电压信号。

步骤S410：将所述反馈电压信号对应的电压值与预设阈值比较，产生补偿电压信号。

步骤S420：根据所述补偿电压信号调节接入所述激励压电陶瓷组的驱动电压信号。

步骤S430：将调节后的驱动电压信号接入所述激励压电陶瓷组，以激励所述激励压电陶瓷组带动所述所述驱动足推动所述转子转动。

该方法构建一种基于电机反馈相的控制闭环，其中压电电机反馈相闭环指通过在压电电机定子的压电陶瓷直接采集反馈电压以实现对电机驱动波形的直接闭环控制，在闭环中对于电机输出波形的控制量为电机驱动信号的工作频率，从而达到控制电机输出功率最大的效果。

在本发明一实施例中，步骤S410包括：

在所述反馈电压信号对应的电压值小于所述预设阈值时，产生调高所述驱动电压信号的补偿电压信号；

在所述反馈电压信号对应的电压值大于所述预设阈值时，产生调低所述驱动电压信号的补偿电压信号。

需要说明的是，上述仅是举例说明，实际实现中步骤S410也可以包括：在所述反馈电压信号对应的电压值大于所述预设阈值时，产生调高所述驱动电压信号的补偿电压信号；在所述反馈电压信号对应的电压值小于所述预设阈值时，产生调低所述驱动电压信号的补偿电压信号。补偿电压信号对驱动信号的调节量以及调高或调低，可根据前后两次反馈电压信号的电压大小来进行调整。例如，在按照第一时刻反馈压电陶瓷片反馈电压信号调节驱动信号后，在第二时刻反馈压电陶瓷片反馈的信号的电压值如果变大，则可以按照同方向调节驱动信号，反之在反馈的信号的电压值如果变小，则按照反方向调节驱动信号。

图5示出了本发明一实施例的压电电机的驱动控制装置的方框示意图。

如图5所示，所述驱动控制装置500包括接收模块510、比较模块520、调节模块530和发送模块540。

接收模块510，用于接收所述反馈压电陶瓷片反馈的所述反馈电压信号。

比较模块520，用于将所述反馈电压信号对应的电压值与预设阈值比较，产生补偿电压信号。

调节模块530，用于根据所述补偿电压信号调节接入所述激励压电陶瓷组的驱动电压信号；

发送模块540，用于将调节后的驱动电压信号接入所述激励压电陶瓷组，以激励所述激励压电陶瓷组带动所述驱动足推动所述转子转动。

根据本发明的实施例，该驱动控制装置500可以用于实现图4实施例描述的驱动控制方法。

由于本发明的示例实施例的驱动控制装置500的各个模块可以用于实现上述4描述的压电电机的驱动控制方法的示例实施例的步骤，因此对于本发明装置实施例中未披露的细节，请参照本发明上述的压电电机的驱动控制方法的实施例。

可以理解的是，接收模块510、比较模块520、调节模块530、发送模块540可以合并在一个模块中实现，或者其中的任意一个模块可以被拆分成多个模块。或者，这些模块中的一个或多个模块的至少部分功能可以与其他模块的至少部分功能相结合，并在一个模块中实现。根据本发明的实施例，收模块510、比较模块520、调节模块530、发送模块540中的至少一个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑阵列(PLA)、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路(ASIC)，或可以以对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式等硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式的适当组合来实现。或者，的合理方式等硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式的适当组合来实中的至少一个可以至少被部分地实现为计算机程序模块，当该程序被计算机运行时，可以执行相应模块的功能。

上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU)执行时，执行本申请的系统中限定的上述功能。

需要说明的是，本发明所示的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本发明中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

描述于本发明实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现，所描述的单元也可以设置在处理器中。其中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。

作为另一方面，本申请还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个该电子设备执行时，使得该电子设备实现如上述实施例中所述的压电电机的驱动控制方法。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本发明实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、触控终端、或者网络设备等)执行根据本发明实施方式的方法。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (6)

1.基于压电效应反馈控制的压电电机，其特征在于，包括定子和转子，所述定子包括驱动足、激励压电陶瓷组和反馈压电陶瓷片，所述驱动足与所述激励压电陶瓷组固连，所述反馈压电陶瓷片贴合设置在所述激励压电陶瓷组上；其中，所述激励压电陶瓷组接入所述定子的固有振动频率对应的驱动电压信号带动所述驱动足推动所述转子转动，所述反馈压电陶瓷片通过所述激励压电陶瓷组振动的压电效应产生与所述定子的固有振动频率同频率的反馈电压信号。

2.如权利要求1所述的压电电机，其特征在于，所述激励压电陶瓷组包括多个压电陶瓷片，所述定子还包括第一配重块和第二配重块，所述驱动足、所述第一配重块、所述激励压电陶瓷组、所述反馈压电陶瓷片和所述第二配重块按顺序固定连接。

3.如权利要求2所述的压电电机，其特征在于，还包括驱动器和控制器；所述驱动器用于产生接入所述激励压电陶瓷组的所述驱动电压信号；所述控制器用于接收所述反馈压电陶瓷片反馈的反馈电压信号，根据所述反馈电压信号与预设阈值比较结果向所述驱动器补偿所述驱动电压信号。

4.一种压电电机的驱动控制方法，其特征在于：用于如权利要求1-3任一项所述的压电电机，所述驱动控制方法包括：

接收所述反馈压电陶瓷片反馈的所述反馈电压信号；

将所述反馈电压信号对应的电压值与预设阈值比较，产生补偿电压信号；

根据所述补偿电压信号调节接入所述激励压电陶瓷组的驱动电压信号；

将调节后的驱动电压信号接入所述激励压电陶瓷组，以激励所述激励压电陶瓷组带动所述驱动足推动所述转子转动。

5.如权利要求4所述的驱动控制方法，其特征在于，将所述反馈电压信号对应的电压值与预设阈值比较，产生补偿电压信号包括：

在所述反馈电压信号对应的电压值小于所述预设阈值时，产生调高所述驱动电压信号的补偿电压信号；

在所述反馈电压信号对应的电压值大于所述预设阈值时，产生调低所述驱动电压信号的补偿电压信号。

6.一种压电电机的驱动控制装置，其特征在于，用于如权利要求1-3任一项所述的压电电机，所述驱动控制装置包括：

接收模块，用于接收所述反馈压电陶瓷片反馈的所述反馈电压信号；

比较模块，用于将所述反馈电压信号对应的电压值与预设阈值比较，产生补偿电压信号；

调节模块，根据所述补偿电压信号调节接入所述激励压电陶瓷组的驱动电压信号；

发送模块，用于将调节后的驱动电压信号接入所述激励压电陶瓷组，以激励所述激励压电陶瓷组带动所述驱动足推动所述转子转动。

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