CN115473453A - 一种压电作动器、压电作动器控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压电作动器、压电作动器控制系统及控制方法，包括：桥式放大机构、压电叠堆、压电传感器、紧固件和控制器；所述桥式放大机构为轴对称的中空框架结构，所述桥式放大机构的两侧具有对称设置的一组弹性臂；所述桥式放大机构的中间设置有定位槽，所述压电叠堆安装在所述定位槽中，并通过所述紧固件将所述压电传感器和所述压电叠堆一起压紧在所述定位槽中，所述压电叠堆的伸缩驱动所述桥式放大机构产生振动输出；所述控制器与所述压电叠堆和所述压电传感器信号连接。本发明集成度高，引入桥式位移放大机构，提高了压电作动器的驱动行程。使用反馈控制算法抑制了压电作动器的迟滞现象，提高了压电作动器的输出位移的精确度。

Description

一种压电作动器、压电作动器控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及作动器技术领域，尤其是涉及一种压电作动器、压电作动器控制系统及控制方法。

背景技术

随着微电子技术、生物工程以及航空航天等领域的迅速发展，对精密驱动技术的要求也越来越高。微位移系统也向着微型、集成化的方向发展，其中使用压电陶瓷驱动方式的微位移系统因为物理特性好，响应速度快等特点被广泛应用。

但由于压电陶瓷自身的特性，压电陶瓷在受电压驱动时，压电陶瓷的位移与输入电压并不能达到理想的线性关系，表现为驱动电压上升阶段和下降阶段的输入—输出曲线不是斜率恒定的曲线，而且上升阶段与下降阶段的曲线不重合，两条曲线之间存在明显的差异，对压电陶瓷的输出位移造成严重的非线性的影响。

为了减少压电陶瓷的固有迟滞非线性带来的影响，通常会使用反馈的方式对压电陶瓷进行控制。目前常见的微位移传感器有电感式位移传感器、电容式位移传感器、光谱共焦位移传感器、电阻应变计等。但是，上述微位移传感器存在难以与压电作动器集成一体化、小型化以及传感器反馈调整困难等问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种一体化程度高，能够实现传感器反馈调整的压电作动器、压电作动器控制系统及控制方法。

本发明提供了一种压电作动器，包括：桥式放大机构、压电叠堆、压电传感器、紧固件和控制器；所述桥式放大机构为轴对称的中空框架结构，所述桥式放大机构的两侧具有对称设置的一组弹性臂；所述桥式放大机构的中间设置有定位槽，所述压电叠堆安装在所述定位槽中，并通过所述紧固件将所述压电传感器和所述压电叠堆一起压紧在所述定位槽中，所述压电叠堆的伸缩驱动所述桥式放大机构产生振动输出；所述控制器与所述压电叠堆和所述压电传感器信号连接。

进一步地，所述桥式放大机构为等刚度桥式放大机构。

进一步地，所述弹性臂包括固定螺纹孔和相对于所述固定螺纹孔对称设置的两个弹性单元。

进一步地，所述紧固件为固定螺栓，所述固定螺栓从一端穿过所述桥式放大机构与所述压电传感器相抵，将所述压电传感器与所述压电叠堆压紧。

本发明还提供了一种压电作动器控制系统，包括：控制器、系统总线、ADC模块、DAC模块和功率放大器；所述控制器通过所述系统总线与所述ADC模块和DAC模块信号连接，所述ADC模块与所述压电传感器信号连接，所述DAC模块与所述功率放大器信号连接；所述DAC模块将所述控制器输出的数字量的电压值转化为模拟量发送给所述功率放大器，驱动压电叠堆，压电叠堆的输出位移由压电传感器进行检测，所述ADC模块将压电传感器输出的模拟量的位置信号转换为数字量，输入到所述控制器对压电叠堆的位置进行解算，并对压电叠堆进行反馈控制。

进一步地，还包括电源单元，所述电源单元通过所述系统总线(6)与所述控制器、ADC模块、DAC模块和功率放大器电连接。

进一步地，还包括存储单元，所述存储单元通过所述系统总线与所述控制器相连。

本发明还提供了一种压电作动器控制方法，包括：

步骤S1，控制器根据目标位移指令计算出所需要的驱动电压的大小，并将驱动电压信号传送给DAC模块，DAC模块接收所述驱动电压信号，并将驱动电压信号转化为模拟量传送给功率放大器；

步骤S2，功率放大器根据接收到的模拟量信号驱动压电叠堆输出位移；

步骤S3，压电传感器对压电叠堆的输出位移进行检测，并将检测到的输出位移转化为电压位置信号传送给ADC模块，ADC模块接收所述电压位置信号，并将电压位置信号转化为数字量发送给控制器；

步骤S4，控制器对压电叠堆的输出位移进行解算，得出输出位移与目标位置之间的误差。

进一步地，所述步骤S4还包括：控制器根据输出位移与目标位置之间的误差，通过算法对压电叠堆进行前馈控制或反馈控制。

进一步地，所述算法为PID算法、滑模控制算法或自适应控制算法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、压电作动器将压电叠堆和压电传感器通过紧固件集成在桥式放大机构中，提高了带传感器的压电作动器的集成度与紧凑程度，解决了传统压电作动器在反馈控制时设备复杂、难以小型化的问题。引入桥式位移放大机构，放大了压电叠堆的输出位移，提高了压电作动器的驱动行程。

2、压电作动器控制系统及控制方法，使用反馈控制算法抑制了压电作动器的迟滞现象，提高了压电作动器的输出位移的精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明一种压电作动器的结构示意图；

图2为本发明一种压电作动器控制系统的结构框图；

图3为本发明一种压电作动器控制系统的的流程图。

附图标记说明：

1：桥式放大机构；11：弹性臂；12：固定螺纹孔；13：定位槽；2：压电叠堆；3：压电传感器；4：紧固件；5：控制器；6：系统总线；7：ADC模块；8：DAC模块；9：功率放大器；10：电源单元；11：存储单元；12：上位机。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明实施例提供了一种压电作动器，包括：桥式放大机构1、压电叠堆2、压电传感器3、紧固件4和控制器5。桥式放大机构1为轴对称的中空框架结构，桥式放大机构1的两侧具有对称设置的一组弹性臂11。桥式放大机构1的中间设置有定位槽12，压电叠堆2安装在定位槽12中，并通过紧固件4将压电传感器3和压电叠堆2一起压紧在定位槽12中，压电叠堆2的伸缩驱动桥式放大机构1产生振动输出。控制器5与压电叠堆2和压电传感器3信号连接。

本发明压电作动器将压电叠堆2和压电传感器3通过紧固件4集成在桥式放大机构1中，提高了带传感器的压电作动器的集成度与紧凑程度，解决了传统压电作动器在反馈控制时设备复杂、难以小型化的问题。引入桥式位移放大机构1，放大了压电叠堆2的输出位移，提高了压电作动器的驱动行程。

本发明桥式放大机构1用于安装固定压电叠堆2和压电传感器3，并且用于放大压电叠堆2的输出位移，提供一个安装框架给压电传感器3，在压电叠堆2输出位移时，可以用压电传感器3检测其输出位移大小。压电叠堆2在电压信号的驱动下，根据控制器5发出的驱动电压信号的大小，输出对应的位移大小。带动桥式放大机构1输出驱动位移，从而驱动整个压电作动器。

压电传感器3是检测压电叠堆2输出位移大小的传感器，通过桥式放大机构1把压电叠堆2的输出位移转换为对压电传感器3的压力，压电传感器3收到压力后输出对应的电压值，控制器5通过电压值的大小计算出压电叠堆2的输出位移，对压电叠堆2进行反馈控制。紧固件4是固定压电叠堆2与压电传感器3的部件，对压电叠堆2以及压电传感器3施加压力，将压电叠堆2与压电传感器3紧密固定在桥式放大机构1中，使压电叠堆2与压电传感器3集成安装在桥式放大机构1中，极大地提高了压电作动器的集成度，并减少了压电作动器的体积。在一个具体的实施例中，紧固件4为固定螺栓，固定螺栓从一端穿过桥式放大机构1与压电传感器3相抵，将压电传感器3与压电叠堆2压紧。

优选地，桥式放大机构1为等刚度桥式放大机构。等刚度桥式放大机构1通过将压电叠堆2的输出位移线性地转变为对压电传感器3的压力，使得压电传感器3可以通过自身受到的压力大小计算出压电叠堆2的输出位移的大小。弹性臂11包括固定螺纹孔112和相对于所述固定螺纹孔112对称设置的两个弹性单元111。固定螺纹孔112用于压电作动器固定，使用螺栓将压电作动器固定到需要驱动的物件上。

如图2所示，本发明实施例提供了一种压电作动器控制系统，包括：控制器5、系统总线6、ADC模块7、DAC模块8和功率放大器9。控制器5通过系统总线6与ADC模块7和DAC模块8信号连接，ADC模块7与压电传感器3信号连接，DAC模块8与功率放大器9信号连接。DAC模块8将控制器5输出的数字量的电压值转化为模拟量发送给功率放大器9，驱动压电叠堆2，压电叠堆2的输出位移由压电传感器3进行检测，ADC模块7将压电传感器3输出的模拟量的位置信号转换为数字量，输入到控制器5对压电叠堆2的位置进行解算，并对压电叠堆2进行反馈控制。

控制器5用于运行以及储存控制程序，接收与计算传感器数据，输出作动器驱动信号。系统总线6是各模块间相互通讯的通道，各模块共享系统总线，与控制器5相连并协调工作。ADC模块7是数模转换模块，用于接收压电传感器3的电压信号，并将电压信号从模拟信号转换为数字信号。DAC模块8是模数转换模块，用于将控制器5计算得出的作动器的驱动信号从数字信号转换为模拟信号，转换为电压信号并输出到功率放大器9。功率放大器9用于将DAC模块8输出的电压信号放大到足够驱动作动器正常运行。压电传感器3用于检测压电叠堆2的输出位移，并以电压信号的形式输出位置信息到ADC模块7，从而让控制器5可以根据位置信息对压电叠堆2的输出位移进行补偿。执行器即压电叠堆2，在接收到驱动的电压信号之后，输出对应的位移。

本发明还包括电源单元10，电源单元10通过系统总线6与控制器5、ADC模块7、DAC模块8和功率放大器9电连接。电源单元10对控制系统中各个模块进行供电，保证各个模块的正常运作。

本发明还包括存储单元11，存储单元11通过系统总线6与控制器5相连，存储单元11中存储了控制系统运行所需的固件以及对作动器的前馈与反馈控制的控制程序。

本发明压电作动器控制系统在具体工作时，在控制器5接收到上位机12的输出位移指令后，根据要输出的位移的大小，计算出所需要的驱动电压的大小。控制器5通过系统总线6驱动DAC模块8，将电压值转化为模拟量输出到功率放大器9。电压驱动信号经过功率放大器9的放大之后，直接驱动压电叠堆2。压电叠堆2的输出位移由压电传感器3进行检测，压电传感器3检测压电叠堆2的输出位移后输出对应的电压位置信号。ADC模块7接收压电传感器3的输出的压电叠堆2的位置信号之后，把模拟量的位置信号转换为数字量，输入到控制器5进行对压电叠堆2的位置进行解算。控制器5得到压电叠堆2当前的位置的信息之后，根据实际位置与期望位置的误差，使用PID、滑模控制或自适应控制等算法对压电叠堆2进行反馈控制；或使用前馈模型对压电叠堆2进行前馈控制。使用前馈或反馈等控制手段消除或抑制压电叠堆2的迟滞现象，最终达到提高压电叠堆2输出位移的精确度与准确度等目的。

如图3所示，本发明实施例还提供了一种压电作动器控制方法，包括：

步骤S1，控制器5根据目标位移指令计算出所需要的驱动电压的大小，并将驱动电压信号传送给DAC模块8，DAC模块8接收所述驱动电压信号，并将驱动电压信号转化为模拟量传送给功率放大器9；

步骤S2，功率放大器9根据接收到的模拟量信号驱动压电叠堆2输出位移；

步骤S3，压电传感器3对压电叠堆2的输出位移进行检测，并将检测到的输出位移转化为电压位置信号传送给ADC模块7，ADC模块7接收所述电压位置信号，并将电压位置信号转化为数字量发送给控制器5；

步骤S4，控制器5对压电叠堆的输出位移进行解算，得出输出位移与目标位置之间的误差。

优选地，步骤S4还包括：控制器5根据输出位移与目标位置之间的误差，通过算法对压电叠堆2进行前馈控制或反馈控制。其中，所述算法可以为PID算法、滑模控制算法或自适应控制算法。

本发明压电作动器在使用之前，需要对压电作动器进行校准，以下是校准的步骤：

1.安装模块。将压电叠堆2、压电传感器3一起装入到桥式放大机构1中，并使用固定螺钉压紧压电叠堆2与压电传感器3。在使用固定螺钉压紧压电叠堆2与压电传感器3之后，在后续的校准与使用的过程中不能扭动固定螺钉。若扭动了固定螺钉，会使施加在压电传感器上的预紧力发生变化，使传感器的读数不准确。

2.校准ADC模块7。使用稳压直流电源对ADC模块7输出一个在其测量范围内的电压，在这里选用5V的电压。同时使用示波器与ADC模块7测量输入ADC模块7的电压，根据示波器实际测量出的电压值，对ADC模块7进行校准。根据示波器显示的电压值以及ADC模块7测量出的电压值，调整单片机中的电压测量系数值，使经过单片机计算后的电压值与实际的电压值一致。

3.校准DAC模块8。在进行校准前，首先对单片机DAC模块8进行相关设置，使其可以输出一个3V，10Hz的正弦波。同时，调节信号发生器，使信号发生器产生一个3V，10Hz的正弦波。使用示波器的两个通道分别对这两个信号进行测量。在示波器中对这两个信号进行比对，在发现单片机DAC模块8产生的正弦波与信号发生器产生的正弦波有幅值以及频率的不同时，对单片机进行相关的调整。在发现幅值有差别时，调整单片机的DAC模块8的输出数值，即将输出数值乘上一个系数，使得DAC模块8实际输出的电压值与程序中期望输出的电压值相同。在发现频率有差别时，对单片机程序中的延时函数进行调整，使得产生正弦波的频率与期望的频率相同。

4.标定压电作动器的输出位移与驱动电压间的比值。在压电作动器使用之前，需要对其输出位移进行标定。首先调节信号发生器，使信号发生器产生一个0～5V、1Hz的三角波，通过功率放大器，把信号放大30倍，即输出一个0～150V、1Hz的三角波。使用这个三角波驱动压电作动器模块。然后使用光谱位移传感器对压电作动器模块的输出位移进行测定。因为驱动信号是一个三角波，所以输出位移的曲线是一个带有迟滞现象的三角波。测定输出位移曲线的峰峰值，可以得出压电作动器模块的输出位移。将压电作动器模块的输出位移除以驱动电压(150V)，可以得到每一伏特电压对应的输出位移大小。通过输出位移与驱动电压的比值，可以计算出在没有迟滞现象，即压电作动器的驱动电压与输出位移为线性关系时，驱动电压与输出位移的一一对应的关系。

5.标定压电传感器的输入位移与输出电压间的比值。在压电传感器使用之前，需要对其输入位移与输出电压之间的比值进行标定。首先调节信号发生器，使信号发生器产生一个0～5V、1Hz的三角波，通过功率放大器，把信号放大30倍，即输出一个0～150V、1Hz的三角波。使用这个三角波驱动压电作动器模块。然后使用光谱位移传感器对压电作动器模块的输出位移进行测定。因为驱动信号是一个三角波，所以输出位移的曲线是一个带有迟滞现象的三角波。测定输出位移曲线的峰峰值，可以得出压电作动器模块的输出位移。同时，使用示波器测量压电传感器的输出信号，测量输出信号的电压峰峰值。因为压电传感器3的输入位移和输出电压之间是线性关系，计算出输入位移与输出位移之间的系数关系，可以求出任一输入位移时对应的输出电压。

本发明压电作动器控制系统及控制方法，使用反馈控制算法抑制了压电作动器的迟滞现象，提高了压电作动器的输出位移的精确度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种压电作动器，其特征在于，包括：桥式放大机构(1)、压电叠堆(2)、压电传感器(3)、紧固件(4)和控制器(5)；

所述桥式放大机构(1)为轴对称的中空框架结构，所述桥式放大机构(1)的两侧具有对称设置的一组弹性臂(11)；所述桥式放大机构(1)的中间设置有定位槽(12)，所述压电叠堆(2)安装在所述定位槽(12)中，并通过所述紧固件(4)将所述压电传感器(3)和所述压电叠堆(2)一起压紧在所述定位槽(12)中，所述压电叠堆(2)的伸缩驱动所述桥式放大机构(1)产生振动输出；所述控制器(5)与所述压电叠堆(2)和所述压电传感器(3)信号连接。

2.根据权利要求1所述的压电作动器，其特征在于，所述桥式放大机构(1)为等刚度桥式放大机构。

3.根据权利要求2所述的压电作动器，其特征在于，所述弹性臂(11)包括固定螺纹孔(112)和相对于所述固定螺纹孔(112)对称设置的两个弹性单元(111)。

4.根据权利要求1所述的压电作动器，其特征在于，所述紧固件(4)为固定螺栓，所述固定螺栓从一端穿过所述桥式放大机构(1)与所述压电传感器(3)相抵，将所述压电传感器(3)与所述压电叠堆(2)压紧。

5.一种压电作动器控制系统，其特征在于，包括：控制器(5)、系统总线(6)、ADC模块(7)、DAC模块(8)和功率放大器(9)；

所述控制器(5)通过所述系统总线(6)与所述ADC模块(7)和DAC模块(8)信号连接，所述ADC模块(7)与所述压电传感器(3)信号连接，所述DAC模块(8)与所述功率放大器(9)信号连接；

所述DAC模块(8)将所述控制器(5)输出的数字量的电压值转化为模拟量发送给所述功率放大器(9)，驱动压电叠堆(2)，压电叠堆(2)的输出位移由压电传感器(3)进行检测，所述ADC模块(7)将压电传感器(3)输出的模拟量的位置信号转换为数字量，输入到所述控制器(5)对压电叠堆(2)的位置进行解算，并对压电叠堆(2)进行反馈控制。

6.根据权利要求5所述的压电作动器控制系统，其特征在于，还包括电源单元(10)，所述电源单元(10)通过所述系统总线(6)与所述控制器(5)、ADC模块(7)、DAC模块(8)和功率放大器(9)电连接。

7.根据权利要求5所述的压电作动器控制系统，其特征在于，还包括存储单元(11)，所述存储单元(11)通过所述系统总线(6)与所述控制器(5)相连。

8.一种压电作动器控制方法，其特征在于，包括：

步骤S1，控制器(5)根据目标位移指令计算出所需要的驱动电压的大小，并将驱动电压信号传送给DAC模块(8)，DAC模块(8)接收所述驱动电压信号，并将驱动电压信号转化为模拟量传送给功率放大器(9)；

步骤S2，功率放大器(9)根据接收到的模拟量信号驱动压电叠堆(2)输出位移；

步骤S3，压电传感器(3)对压电叠堆(2)的输出位移进行检测，并将检测到的输出位移转化为电压位置信号传送给ADC模块(7)，ADC模块(7)接收所述电压位置信号，并将电压位置信号转化为数字量发送给控制器(5)；

步骤S4，控制器(5)对压电叠堆的输出位移进行解算，得出输出位移与目标位置之间的误差。

9.根据权利要求8所述的压电作动器控制方法，其特征在于，所述步骤S4还包括：

控制器(5)根据输出位移与目标位置之间的误差，通过算法对压电叠堆(2)进行前馈控制或反馈控制。

10.根据权利要求9所述的压电作动器控制方法，其特征在于，所述算法为PID算法、滑模控制算法或自适应控制算法。

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