CN115864892A - 一种压电陶瓷电荷驱动-控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压电陶瓷技术领域，特别涉及一种压电陶瓷电荷驱动‑控制电路。驱动电路的输出端与电容C1的一端相连，电容C1的另一端与压电陶瓷的一端相连，压电陶瓷的另一端与接地，使得电容C1和压电陶瓷的电荷相等，通过控制C1两端电压，即可间接实现对压电陶瓷电荷的控制。双自由度控制电路通过获取压电陶瓷的一端的压电陶瓷控制信号Vp，对压电陶瓷控制信号Vp中隐含的迟滞非线性信息进行提取，并利用双自由度控制电路的两个可调参数进行调整获得双自由度控制电路的输出端电压V2，输出端电压V2与电源输入端电压Vin进行相加加和，从而得到优化的驱动电路的正输入端电压V3，最后送到压电陶瓷，消除压电陶瓷的非对称迟滞效应，极大增强了电路的控制性能。
Description
技术领域
本发明涉及压电陶瓷技术领域，特别涉及一种压电陶瓷电荷驱动-控制电路。
背景技术
压电陶瓷是精密工程中常见的致动元件，具有体积小、出力大、位移分辨率高、响应速度快等优点，因而被广泛应用于扫描探针显微镜、微操作机器人、纳米定位机构、精密伺服阀等众多领域。
然而，压电材料固有的迟滞非线性效应严重限制了高运动精度的实现。为了解决这一问题，反馈控制和前馈控制是当前主要采用的技术方案，但都存在一定的局限。反馈控制系统的性能很大程度上依赖于所采用的传感器，而高精度的微位移传感器通常价格很高，甚至依赖于进口。前馈控制方案尽管不需要使用传感器，但需要建立精确的数学模型来描述迟滞非线性这一复杂的行为，对硬件设备算力的要求很高，很难在工业系统中发挥预期的作用。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供一种压电陶瓷电荷驱动-控制电路，包括：包括：
驱动电路、压电陶瓷电荷调整电路、双自由度控制电路、压电陶瓷、电源输入端；
所述驱动电路具有正输入端、负输入端和输出端，所述驱动电路的输出端与压电陶瓷电荷调整电路的第一输入端相连，所述驱动电路的负输入端与压电陶瓷电荷调整电路的输出端相连；
所述压电陶瓷电荷调整电路的第二输入端与压电陶瓷的一端、双自由度控制电路的第一输入端相连，所述压电陶瓷的另一端和接地端相连；
双自由度控制电路的第二输入端与电源输入端相连，所述双自由度控制电路的输出端、电源输入端相叠加与所述驱动电路的正输入端相连；
所述双自由度控制电路通过获取压电陶瓷的一端的压电陶瓷控制信号Vp，对压电陶瓷控制信号Vp中隐含的迟滞非线性信息进行提取，并利用双自由度控制电路的两个可调参数进行调整获得双自由度控制电路的输出端电压V2，所述输出端电压V2与电源输入端电压Vin进行相加加和，从而得到优化的所述驱动电路的正输入端电压V3。
可选的，所述双自由度控制电路包括固定增益K、变增益控制模块T1；所述固定增益K的输入端作为所述双自由度控制电路的第一输入端，所述固定增益K的输入端与所述压电陶瓷的一端相连，所述固定增益K的输出端电压与电源输入端电压Vin进行相加加和，从而得到优化的所述变增益控制模块T1的输入端电压V1。
可选的，所述固定增益K获取并调整所述压电陶瓷控制信号Vp，使得经过固定增益K调整后的所述压电陶瓷控制信号Vp与所述电源入端电压Vin具有相同的幅值，固定增益K调整后的压电陶瓷控制信号Vp与电源入端电压Vin进行相加加和作为变增益控制模块T1的输入端电压V1。
可选的，所述变增益控制模块T1包括：过零比较器、受控开关、增益K1和增益K2；所述增益K1和增益K2作为两个可调参数；所述过零比较器的第一输入端与地相连，所述过零比较器的第二输入端作为变增益控制模块T1的输入端，所述过零比较器的输出端与所述受控开关的一端相连，所述受控开关的另一端与增益K1或者增益K2相连。
可选的，所述过零比较器接收输入端电压V1并输出信号，当输出信号大于等于零时，受控开关接通增益K1，使得增益K1工作；当输出信号小于零时，受控开关接通增益K2，使得增益K2工作，所述增益K1和增益K2输出的信号进行加和形成所述变增益控制模块T1的输出端电压V2。
可选的，所述增益K1和增益K2作为两个可调参数对压电陶瓷的控制信号Vp进行优化，即：
其中Cp为压电陶瓷电容的线性部分，ΔCp为压电陶瓷电容的非线性部分，C1为与压电陶瓷串联的电容；
当V1≥0时，所述增益K1调整压电陶瓷上升段位移，并输出优化信号；
当V1<0时，所述增益K2调整压电陶瓷下降段位移，并输出优化信号；
所述增益K1和增益K2将输出的优化信号进行加和，形成所述双自由度控制电路30的输出端电压V2，所述输出端电压V2与电源输入端电压Vin进行相加加和，获得优化的所述驱动电路的正输入端电压V3。
可选的，所述压电陶瓷电荷调整电路包括与压电陶瓷串联的电容，通过调整所述电容的电压调整所述电容的电荷量，进而调整压电陶瓷的电荷量。
可选的，所述压电陶瓷电荷调整电路包括：电容C1、高压缓冲模块B1、高压缓冲模块B2和高压运放A2，具体为：所述电容C1的一端与驱动电路的输出端、高压缓冲模块B1的一端相连，所述电容C1的另一端与高压缓冲模块B2的一端、压电陶瓷的一端相连，所述高压缓冲模块B1的另一端与高压运放A2的正输入端相连，所述高压缓冲模块B2的另一端与高压运放A2的负输入端相连，所述高压运放A2的输出端与所述驱动电路的负输入端相连。
可选的，所述驱动电路包括高压运放A1，所述高压运放A1的正输入端作为所述驱动电路的正输入端，接收双自由度控制电路的输出端电压V2与电源输入端电压Vin进行相加加和后的优化的电压V3；所述高压运放A1的负输入端与所述压电陶瓷电荷调整电路的输出端相连，所述高压运放A1的输出端与压电陶瓷电荷调整电路的第一输入端相连，所述驱动电路为所述压电陶瓷提供电压和电流。
可选的，还包括高压二极管D1，所述高压二极管D1的负极与所述压电陶瓷的一端、压电陶瓷电荷调整电路的第二输入端、双自由度控制电路的第一输入端相连，所述高压二极管D1的正极与所述压电陶瓷的另一端、地相连。
综上所述，本发明的优点及有益效果为：
本发明提供的一种压电陶瓷电荷驱动-控制电路，驱动电路的输出端与电容C1的一端相连，电容C1的另一端与压电陶瓷的一端相连，压电陶瓷的另一端与接地，使得电容C1和压电陶瓷的电荷相等，通过控制C1两端电压，即可间接实现对压电陶瓷电荷的控制。
所述双自由度控制电路通过获取压电陶瓷的一端的压电陶瓷控制信号Vp，对压电陶瓷控制信号Vp中隐含的迟滞非线性信息进行提取，并利用双自由度控制电路的两个可调参数进行调整获得双自由度控制电路的输出端电压V2，所述输出端电压V2与电源输入端电压Vin进行相加加和，从而得到优化的所述驱动电路的正输入端电压V3，最后送到压电陶瓷，充分利用压电陶瓷迟滞非线性的先验信息来消除压电陶瓷的非对称迟滞效应，极大增强了电路的控制性能。
附图说明
图1所示为传统电荷型驱动电路的电路图；
图2所示为本发明实施例中的一种压电陶瓷电荷驱动-控制电路的模块图；
图3所示为本发明实施例中的一种压电陶瓷电荷驱动-控制电路的电路图；
图4所示为本发明实施例中的一种压电陶瓷电荷驱动-控制电路的增益控制模块T1的电路图；
图5所示为传统的电压驱动电路的位移-电压图像；
图6所示为传统电荷型驱动电路的位移-电压图像；
图7所示为本发明实施例中的一种压电陶瓷电荷驱动-控制电路的位移-电压图像。
具体实施方式
图1所示是典型的电荷型驱动电路，这一类设计存在两个重要缺陷。其一，低频段的转折频率f＝1/2πR1C1，由R1和C1构成的阻容网络决定。当使用频率接近或低于驱动电路的转折频率时，电容C1和压电陶瓷Cp相当于断路，此时电荷驱动电路退化为传统的电压驱动电路，即V0＝in·R1/p。其二，从控制的角度看，传统电荷型驱动电路可视为一个黑箱。在高频段，即远高于转折频率的频段，电阻R1和Rp可忽略，压电陶瓷Cp与电容C1串联，两者电荷量Q相等，当压电陶瓷电容的线性部分表示为Cp，压电陶瓷电容的非线性部分表示为ΔCp，压电陶瓷Cp的输出电压表示为V0，即：
由此可知，常规电荷型驱动电路设计完成后，输出电压V0不能被调整，表明电荷驱动的输出位移线性化效果在电路参数选定后无法进一步调整，上述问题限制了电荷型驱控一体电路的实际性能。
研究表明，采用电荷来驱动压电陶瓷移动，利用压电陶瓷材料本身具有的特殊物理性质，即输出位移与其电荷成正比。如果在电路中能够保证压电陶瓷Cp的电荷始终与输入信号成正比，就能够实现输入信号与输出位移的线性关系，从而大幅降低甚至消除压电陶瓷Cp输出位移中出现的迟滞和蠕变非线性效应。这一方法能够为压电陶瓷Cp提供高压和大电流的同时实现位移的线性控制。因此，这种基于电荷的驱动-控制一体化方法和电路实现能够在不使用传感器也不依赖数学模型的条件下实现压电陶瓷致动器的线性位移输出，具有广阔的工业应用前景。
为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例对本发明作进一步详说明。
本发明提供一种压电陶瓷电荷驱动-控制电路，请参考图2～图3，包括：
驱动电路50、压电陶瓷电荷调整电路10、双自由度控制电路30、压电陶瓷20、电源输入端40；
所述驱动电路50具有正输入端、负输入端和输出端，所述驱动电路50的输出端与压电陶瓷电荷调整电路10的第一输入端相连，所述驱动电路50的负输入端与压电陶瓷电荷调整电路10的输出端相连；
所述压电陶瓷电荷调整电路10的第二输入端与压电陶瓷20的一端、双自由度控制电路30的第一输入端相连，所述压电陶瓷20的另一端和接地端相连；
双自由度控制电路30的第二输入端与电源输入端40相连，所述双自由度控制电路30的输出端、电源输入端40相叠加与所述驱动电路50的正输入端相连；
所述双自由度控制电路30通过获取压电陶瓷20的一端的压电陶瓷控制信号Vp，对压电陶瓷控制信号Vp中隐含的迟滞非线性信息进行提取，并利用双自由度控制电路30的两个可调参数进行调整获得双自由度控制电路30的输出端电压V2，所述输出端电压V2与电源输入端40电压Vin进行相加加和，从而得到优化的所述驱动电路50的正输入端电压V3。
本发明实施例中，所述压电陶瓷20两端电压的范围为0-100V，流过的电流范围为0-8A。
本发明实施例中，所述双自由度控制电路30包括固定增益K、变增益控制模块T1；所述固定增益K的一端作为所述双自由度控制电路30的第一输入端且与所述压电陶瓷20的一端相连，所述固定增益K的另一端提供的输出电压与电源输入端40电压Vin进行相加加和，从而得到优化的所述变增益控制模块T1的输入端电压V1。
本发明实施例中，请参考图4，所述变增益控制模块T1包括：过零比较器32、受控开关31、增益K1和增益K2；所述增益K1和增益K2作为两个可调参数；所述过零比较器32的第一输入端与地相连，所述过零比较器32的第二输入端作为变增益控制模块T1的输入端，所述过零比较器32的输出端与所述受控开关31的一端相连，所述受控开关31的另一端与增益K1或者增益K2相连。
本发明实施例中，所述过零比较器32接收输入端电压V1并输出信号，当输出信号大于等于零时，受控开关31接通增益K1，使得增益K1工作；当输出信号小于零时，受控开关31接通增益K2，使得增益K2工作，所述增益K1和增益K2输出的信号进行加和形成所述变增益控制模块T1的输出端电压V2。
本发明实施例中，所述增益K1和增益K2作为两个可调参数对压电陶瓷20的控制信号Vp进行优化，即：
其中Cp为压电陶瓷电容的线性部分，ΔCp为压电陶瓷电容的非线性部分，C1为与压电陶瓷串联的电容；
当V1≥0时，所述增益K1调整压电陶瓷20上升段位移，并输出优化信号；
当V1<0时，所述增益K2调整压电陶瓷20下降段位移，并输出优化信号；
所述增益K1和增益K2将输出的优化信号进行加和，形成所述双自由度控制电路30的输出端电压V2，所述输出端电压V2与电源输入端40电压Vin进行相加加和，获得优化的所述驱动电路50的正输入端电压V3，从而消除压电陶瓷20的非对称迟滞效应。
请参考图5～图7，传统的电压驱动电路和传统电荷型驱动电路中，压电陶瓷20输出的位移误差约为2％-4％，而本发明提供的压电陶瓷电荷驱动-控制电路在应用中可以通过所述增益K1和增益K2优化压电陶瓷20的控制信号Vp并输出优化信号，有效的将压电陶瓷20输出的位移误差降低致1％以下，使得输出的位移精度提高50％以上。
本发明实施例中，所述压电陶瓷电荷调整电路10包括与压电陶瓷20串联的电容C1，通过调整所述电容C1的电压调整所述电容C1的电荷量，进而调整压电陶瓷20的电荷量。
本发明实施例中，所述压电陶瓷电荷调整电路10包括：电容C1、高压缓冲模块B1、高压缓冲模块B2和高压运放A2，具体为：所述电容C1的一端与驱动电路50的输出端、高压缓冲模块B1的一端相连，所述电容C1的另一端与高压缓冲模块B2的一端、压电陶瓷20的一端相连，所述高压缓冲模块B1的另一端与高压运放A2的正输入端相连，所述高压缓冲模块B2的另一端与高压运放A2的负输入端相连，所述高压运放A2的输出端与所述驱动电路50的负输入端相连。
本发明实施例中，高压运放A2为仪表放大器，高压运放A2的输入电压范围0-100V。
所述高压运放A2测量电容C1两端的电压，得到电容C1的电荷，间接测得压电陶瓷20的电荷。
由于压电陶瓷20的阻抗很高，与高压运放A2的输入阻抗相近，所述高压缓冲模块B1和高压缓冲模块B2为高压运放A2提供一个电压的跟随，用于阻抗匹配，使得高压运放A2的输出阻抗远小于高压运放A2的输入阻抗，防止信号失真。
本发明实施例中，所述驱动电路50包括高压运放A1，所述高压运放A1的正输入端作为所述驱动电路50的正输入端，接收双自由度控制电路30的输出端电压V2与电源输入端40电压Vin进行相加加和后的优化的电压V3；所述高压运放A1的负输入端与所述压电陶瓷电荷调整电路10的输出端相连，所述高压运放A1的输出端与压电陶瓷电荷调整电路10的第一输入端相连，所述驱动电路50为所述压电陶瓷20提供电压和电流。
本发明实施例中，所述高压运放A1为高压功率运算放大器，高压运放A1输出电压范围需满足压电陶瓷20的驱动电压的要求，为压电陶瓷20提供电压和电流。
本发明实施例中，所述高压运放A1开环放大倍数约为300000，所述高压运放A1的输出电压的范围为0-400V，所述高压运放A1的输出电流的范围为0-8A。
高压运放A2的输出端与高压运放A1的负输入端相连，使得高压运放A2的输出端电压反馈到高压运放A1，由于高压运放A1的开环增益极大，会强制电源输入端40电压Vin与高压运放A2的输出端电压相同，即强制电容C1的电荷与电源输入端40电压Vin成线性关系。由于电容C1的电荷与压电陶瓷20的电荷相等，此时电源输入端40电压Vin会与压电陶瓷20的电荷成线性关系。从而实现了对压电陶瓷电荷进行控制的目的。
本发明实施例中，还包括高压二极管D1，所述高压二极管D1的负极与所述压电陶瓷20的一端、压电陶瓷电荷调整电路10的第二输入端、双自由度控制电路30的第一输入端相连，所述高压二极管D1的正极与所述压电陶瓷20的另一端、地相连。
本发明实施例中，所述高压二极管D1为反向截止状态，所述高压二极管D1将反向漏电流流入到地。
高压二极管D1始终处在反向截止状态，相当于断路状态，但高压二极管D1存在反向漏电流，会有一小部分电流经高压二极管D1流入到地。
由于高压缓冲模块B2的输入偏置电流会导致电荷在压电陶瓷20上累积，使得压电陶瓷20出现饱和失真，此时高压二极管D1的反向漏电流会保证高压缓冲模块B2的输入偏置电流流入到地，当偏置电流泄放完成后高压二极管D1所在支路恢复到断路状态，压电陶瓷控制信号Vp将保持稳定，避免了压电陶瓷控制信号Vp的信号漂移的问题。
本发明实施例中，高压二极管D1的反向漏电流与高压缓冲模块B2的输入偏置电流大致相等。
本发明实施例中，采用高压二极管D1取代常规电荷型驱动电路中的电阻Rp，完全消除了由电阻-电容网络导致的转折频率，电荷控制的有效频带由0.1Hz下调至0.005Hz，使得电荷控制的有效频带大幅度拓展。
最后说明，任何依靠本发明装置结构以及所述实施例的技术方案，进行的部分或者全部技术特征的修改或者等同替换，所得到的本质不脱离本发明的相应技术方案，都属于本发明装置结构以及所述实施方案的专利范围。
Claims (10)
1.一种压电陶瓷电荷驱动-控制电路，其特征在于，包括：
驱动电路、压电陶瓷电荷调整电路、双自由度控制电路、压电陶瓷、电源输入端；
所述驱动电路具有正输入端、负输入端和输出端，所述驱动电路的输出端与压电陶瓷电荷调整电路的第一输入端相连，所述驱动电路的负输入端与压电陶瓷电荷调整电路的输出端相连；
所述压电陶瓷电荷调整电路的第二输入端与压电陶瓷的一端、双自由度控制电路的第一输入端相连，所述压电陶瓷的另一端和接地端相连；
双自由度控制电路的第二输入端与电源输入端相连，所述双自由度控制电路的输出端、电源输入端相叠加与所述驱动电路的正输入端相连；
所述双自由度控制电路通过获取压电陶瓷的一端的压电陶瓷控制信号Vp，对压电陶瓷控制信号Vp中隐含的迟滞非线性信息进行提取，并利用双自由度控制电路的两个可调参数进行调整获得双自由度控制电路的输出端电压V2，所述输出端电压V2与电源输入端电压Vin进行相加加和，从而得到优化的所述驱动电路的正输入端电压V3。
2.如权利要求1所述的一种压电陶瓷电荷驱动-控制电路，其特征在于，所述双自由度控制电路包括固定增益K、变增益控制模块T1；所述固定增益K的输入端作为所述双自由度控制电路的第一输入端，所述固定增益K的输入端与所述压电陶瓷的一端相连，所述固定增益K的输出端电压与电源输入端电压Vin进行相加加和，从而得到优化的所述变增益控制模块T1的输入端电压V1。
3.如权利要求2所述的一种压电陶瓷电荷驱动-控制电路，其特征在于，所述固定增益K获取并调整所述压电陶瓷控制信号Vp，使得经过固定增益K调整后的所述压电陶瓷控制信号Vp与所述电源入端电压Vin具有相同的幅值，固定增益K调整后的压电陶瓷控制信号Vp与电源入端电压Vin进行相加加和作为变增益控制模块T1的输入端电压V1。
4.如权利要求2所述的一种压电陶瓷电荷驱动-控制电路，其特征在于，所述变增益控制模块T1包括：过零比较器、受控开关、增益K1和增益K2；所述增益K1和增益K2作为两个可调参数；所述过零比较器的第一输入端与地相连，所述过零比较器的第二输入端作为变增益控制模块T1的输入端，所述过零比较器的输出端与所述受控开关的一端相连，所述受控开关的另一端与增益K1或者增益K2相连。
5.如权利要求4所述的一种压电陶瓷电荷驱动-控制电路，其特征在于，所述过零比较器接收输入端电压V1并输出信号，当输出信号大于等于零时，受控开关接通增益K1，使得增益K1工作；当输出信号小于零时，受控开关接通增益K2，使得增益K2工作，所述增益K1和增益K2输出的信号进行加和形成所述变增益控制模块T1的输出端电压V2。
6.如权利要求4所述的一种压电陶瓷电荷驱动-控制电路，其特征在于，所述增益K1和增益K2作为两个可调参数对压电陶瓷的控制信号Vp进行优化，即：
其中Cp为压电陶瓷电容的线性部分，ΔCp为压电陶瓷电容的非线性部分，C1为与压电陶瓷串联的电容；
当V1≥0时，所述增益K1调整压电陶瓷上升段位移，并输出优化信号；
当V1<0时，所述增益K2调整压电陶瓷下降段位移，并输出优化信号；
所述增益K1和增益K2将输出的优化信号进行加和，形成所述双自由度控制电路30的输出端电压V2，所述输出端电压V2与电源输入端电压Vin进行相加加和，获得优化的所述驱动电路的正输入端电压V3。
7.如权利要求1所述的一种压电陶瓷电荷驱动-控制电路，其特征在于，所述压电陶瓷电荷调整电路包括与压电陶瓷串联的电容，通过调整所述电容的电压调整所述电容的电荷量，进而调整压电陶瓷的电荷量。
8.如权利要求1所述的一种压电陶瓷电荷驱动-控制电路，其特征在于，所述压电陶瓷电荷调整电路包括：电容C1、高压缓冲模块B1、高压缓冲模块B2和高压运放A2，具体为：所述电容C1的一端与驱动电路的输出端、高压缓冲模块B1的一端相连，所述电容C1的另一端与高压缓冲模块B2的一端、压电陶瓷的一端相连，所述高压缓冲模块B1的另一端与高压运放A2的正输入端相连，所述高压缓冲模块B2的另一端与高压运放A2的负输入端相连，所述高压运放A2的输出端与所述驱动电路的负输入端相连。
9.如权利要求1所述的一种压电陶瓷电荷驱动-控制电路，其特征在于，所述驱动电路包括高压运放A1，所述高压运放A1的正输入端作为所述驱动电路的正输入端，接收双自由度控制电路的输出端电压V2与电源输入端电压Vin进行相加加和后的优化的电压V3；所述高压运放A1的负输入端与所述压电陶瓷电荷调整电路的输出端相连，所述高压运放A1的输出端与压电陶瓷电荷调整电路的第一输入端相连，所述驱动电路为所述压电陶瓷提供电压和电流。
10.如权利要求1所述的一种压电陶瓷电荷驱动-控制电路，其特征在于，还包括高压二极管D1，所述高压二极管D1的负极与所述压电陶瓷的一端、压电陶瓷电荷调整电路的第二输入端、双自由度控制电路的第一输入端相连，所述高压二极管D1的正极与所述压电陶瓷的另一端、地相连。
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2022
- 2022-12-23 CN CN202211660151.0A patent/CN115864892A/zh active Pending
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