CN117914178A - 一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置和方法，主要由信号发生器、信号修正模块、电荷放大器、压电致动器及输出电荷采集模块组成。本发明在电荷驱动压电致动器回路中串联电容来采集放大器输出电荷，并将其转换为对应等效电压值，该电压作为反馈对控制信号进行修正，修正信号经电荷放大器输出至压电致动器使之产生高线性度位移响应。本发明根据电容串联时各电容电荷量相等以及压电致动器电荷量与位移响应成正比的原理，实现对压电致动器位移响应精确跟踪，有效抑制电荷驱动低频信号下位移响应失真行为，方法简单有效，特别适用于微纳米级别的高精度位移控制、低频自适应光学镜面面型控制和保持等领域，具有重要意义和应用价值。

Description

一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置和方法

技术领域

本发明涉及压电致动器位移响应非线性校正领域，针对现有电荷驱动压电致动器在低频信号驱动下的位移响应失真行为进行校正，具体涉及一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置和方法。

背景技术

压电陶瓷是一种人工制造的多晶体压电材料，将很多压电陶瓷片堆叠起来便构成了压电致动器，压电致动器具有分辨率高、频带宽、效率高、驱动力大、结构紧凑等优点。得益于压电陶瓷在微位移方面优越的性能，压电致动器广泛应用于微定位、能量回收等领域。但是压电材料本身结构因素使压电致动器存在迟滞、蠕变等固有特性，由此带来的非线性响应问题对压电致动器的定位精度造成不利影响。

为解决压电致动器的非线性响应问题，常见的解决方案有前馈控制法、反馈控制法以及电荷驱动法。对于前馈控制法，该方法以压电致动器的电压驱动方式为基础，利用数学模型进行前馈补偿，由于该方法为开环控制，抗干扰能力较差，只靠一个固定的数学模型无法精确拟合具有多个不确定性因素的压电致动器。对于反馈控制法，该方法仍然以电压驱动为基础，所谓反馈法，就是用电容传感器、电阻应变片等位移传感器实时测量压电致动器的位移并进行实时补偿，反馈法采用闭环控制，存在一定的抗干扰能力，但该方法需要额外的高精度位移传感器，成本较高。对于电荷驱动法，该方法从压电致动器的驱动器的研究与设计层面实现对压电致动器高线性度驱动，不需要多余的运算量与硬件设备，仅凭驱动电路本身就能很好的提高压电致动器驱动过程的线性度。然而，传统电荷放大器一般应用在动态驱动领域，低频信号驱动下普遍存在输出信号失真问题，这使其无法在低频信号下使压电致动器保持长时间精确驱动，这对静态、准静态下的压电致动器高线性度驱动及高精度定位带来一定的挑战。对于电荷放大器低频驱动下压电致动器输出失真的校正与补偿，张连生提出了一种用于压电致动器的电荷泵校正驱动方法(参见CN 115912988 A一种用于压电致动器的电荷泵校正驱动方法)，这是一种应用在开关电容式电荷泵驱动电路低频信号下的失真校正方法，这种方法需对输出位移曲线进行多项式拟合，再将拟合得到的校正参数反馈给校正模块，以对输出位移进行校正，虽然该方法取得较好结果，但每次使压电致动器时均需要预先拟合来识别其失真情况，显然该方法过于繁琐，仅能针对压电致动器输出特定位移曲线的校正。杨琛提出一种压电陶瓷电荷驱动-控制电路(参见CN115864892 A一种压电陶瓷电荷驱动-控制电路)，该电路在传统电荷驱动回路的基础上加入了双自由度控制电路来时刻监控输出给压电致动器的电压信号，并以此为依据反馈给控制信号输入端对电荷放大器的控制信号进行实时调整来抑制压电致动器的失真，但是，由于给压电致动器施加的电压值并不能真实反映其位移响应，反馈信号的反馈值仅靠双自由度控制电路模块而非真正能够反映压电致动器位移的模块装置做决断，显然不能从根本上解决问题。

发明内容

为解决电荷驱动的压电致动器在低频信号下的位移响应失真行为，本发明提供一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置和方法，在压电致动器驱动回路中串联电容实时采集电荷放大器输出电荷情况，并将其转换为对应等效电压值，通过该等效电压作为反馈对信号发生器信号进行高线性度修正，修正信号经电荷放大器输出至压电致动器两极，能够有效抑制压电致动器非线性位移响应问题，提升压电致动器位移响应线性度和精度。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置，包括：信号发生器、信号修正模块、电荷放大器、压电致动器及输出电荷采集模块。所述信号发生器产生控制信号，为压电致动器位移响应提供参考；所述信号修正模块接收前级信号发生器输出的控制信号与输出电荷采集模块输出的反馈信号，经处理后输出修正信号给后级电荷放大器；所述电荷放大器将输入电压信号转换为电荷激励信号输出，以驱动压电致动器；所述压电致动器接收电荷放大器激励信号并产生相应位移响应；所述输出电荷采集模块中电荷采集电容串联在电荷驱动回路中，将电荷放大器输出电荷量等比例转换为电压信号并反馈给信号修正模块，以完成对压电致动器位移响应的校正。

进一步地，所述信号修正模块需要由比例放大器K₁、比例放大器K₂，差分放大器A₃、差分放大器A₄组成。其中，所述比例放大器K₁输入端接收来自输出电荷采集模块的反馈信号，经比例放大器K₁做幅值调整后输出给差分放大器A₃；所述差分放大器A₃负输入端接收经比例放大器K₁调整幅值的反馈信号，正输入端接信号发生器输出控制信号V_in，二者做差后输出信号传递给比例放大器K₂，经比例放大器K₂调整后得到误差信号；所述差分放大器A₄负输入端接收比例放大器K₂输出的误差信号，正输入端接收来自信号发生器的控制信号，二者做差后输出修正信号给后级电荷放大器。

进一步地，所述输出电荷采集模块需要由电荷采集电容C₁、电压跟随器K₃、电压跟随器K₄，差分放大器A₂组成。其中，所述电荷采集电容C₁串联在电荷放大器与压电致动器构成的驱动回路中；所述电压跟随器K₃、电压跟随器K₄输入端连接在电荷采集电容C₁两侧，以实时跟随电荷采集电容C₁两端电位；所述差分放大器A₂正输入端、负输入端分别与电压跟随器K₃、电压跟随器K₄输出端相连，将电荷采集电容C₁两端电位转化为电位差输出。

进一步地，所述输出电荷采集模块中，电荷采集电容C₁选取容值大小为压电致动器等效电容值大小的10～100倍，使得电荷采集电容C₁两端分得电压占电荷放大器总输出电压的1/10～1/100，以不至于影响电荷放大器原有输出能力；

进一步地，所述电荷放大器为通常带有直流反馈回路的电荷放大电路构型，可以采用现有电荷放大器产品，也可自主搭建电路实现，其内部核心放大器芯片需为能够输出高电压大电流的功率放大器芯片。

此外，本发明还提供了一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正方法，该方法包括以下步骤：

1)所述电荷放大器在信号发生器输入信号V_in的作用下产生Q_p的输出电荷量，由于压电致动器的电荷量与其位移响应成正比，压电致动器C_p产生与电荷Q_p成比例的位移响应，由于电荷采集电容C₁与压电致动器C_p串联，且串联电容下每个电容器储存电荷量相等，因此电容C₁内部存储电荷可实时反映压电致动器的位移情况。

2)所述输出电荷采集模块准确检测电容C₁两侧电位信号并由模块内部电压跟随器K₃、K₄、差分放大器A₂转换为等效电位差输出，由于电荷采集电容C₁为线性电容，输出电位差与内部存储电荷成正比，进一步该电位差能够准确反映压电致动器的位移响应情况，该电位差作为反映压电致动器(4)位移情况的反馈信号传递给信号修正模块。

3)所述信号修正模块中的比例放大器K₁将反映位移响应的反馈信号幅值调整为与信号发生器输出控制信号V_in幅值一致，二者经差分放大器A₃做差并经比例放大器K₂调整后获得能够表征输入信号-输出位移间误差的信号，该误差信号与控制信号V_in经差分放大器A₄再度做差后得到修正信号。

4)所述修正信号再次发送给电荷放大器，输出经校正后的电荷量，使压电致动器位移响应得以校正。

本发明的原理在于：在传统的压电致动器驱动回路中串联一个电荷采集电容C₁，使电荷采集电容C₁与压电致动器C_p串联，由于串联电容每个电容器储存的电荷量相等，且压电致动器内部存储电荷量能成比例的描述其位移，因此电荷采集电容C₁存储的电荷同样能够实时描述压电致动器的位移情况。之后输出电荷采集模块将其中电荷采集电容C₁采集的输出电荷量转换为相应电压值，将该电压信号传递给信号修正模块对输入信号予以修正，即可抑制电荷放大器低频信号驱动下压电致动器的位移响应失真行为。

本发明与现有技术相比有如下有益效果：

(1)与现有压电致动器电荷驱动技术相比，本发明在其基础上设计增加了输出电荷采集模块与信号修正模块，在不过分增加系统复杂性的前提下有效消除电荷放大器在低频信号下的输出失真现象，提升压电致动器的位移响应线性度。

(2)与传统电压放大器和位移传感器搭配做闭环控制提升位移响应线性度的方案相比，本发明不需采用昂贵的位移传感器进行位移测量与反馈，具有方法简单、容易实施、成本低廉的优点。

综上所述，本发明根据串联电容下每个电容器的电荷量相等以及压电致动器电荷量与位移响应成正比的原理，实现压电致动器位移响应精确跟踪，有效抑制电荷放大器低频信号驱动下压电致动器的位移响应失真行为，方法简单有效，特别适用于微纳米级别的高精度位移控制、低频自适应光学镜面面型控制和保持等领域，具有重要意义和应用价值。

附图说明

图1为传统电荷放大器电路原理图；

图2为本发明基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置结构框图；

图3为本发明基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置电路原理图；

图4为本发明基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置具体实施电路设计图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为传统电荷放大器的电路原理图，其中R_S为直流反馈电阻、R_P为等效电阻，R_S与R_P构成传统电荷放大器的直流反馈回路，C_S为反馈电容，Q_S与由Q_P分别为反馈电容C_S与压电致动器C_P存储的电荷量，由于压电致动器上存储的电荷量Q_P与其位移响应L成正比，假设二者间存在比例系数K，则压电致动器位移响应L与放大器输入信号V_in间的s域系统传递函数为：

根据系统传递函数(1)式，电荷放大器需满足R_PC_P＝R_SC_S时才达到使用需求。为了确保上述关系，不同于电压放大器，电荷放大器在驱动不同大小的压电致动器C_P时要替换与之匹配的元器件。然而压电致动器作为非线性铁电电容，压电致动器的电容值大小C_P会随着外部激励信号的变化而时刻变化，变化的C_P使其内部电路元器件数值上无法完美匹配。对(1)式分析可知，R_PC_P与R_SC_S之间存在的差异在信号频率f较高时不会对系统产生影响，此时系统输入输出间放大倍数稳定为K·C_S，但在信号频率f较低时产生不稳定，R_PC_P与R_SC_S间的差异导致低频时系统产生失真现象，差异程度的不同导致低频时产生的非线性程度也不尽相同。总而言之，压电致动器变化的等效电容C_P使其无法与电路中其他元器件完美匹配是电荷驱动低频非线性的根本原因。由于传统电荷放大器没有对压电致动器的位移进行实时检测与修正，其低频下输出失真问题没有解决，这限制了传统电荷驱动法在低频驱动及静态定位等应用场景的使用。如果在电荷驱动回路中加入能实时检测压电致动器位移的模块，并以此作为反馈来实时修正输入信号，便能有效控制电荷放大器低频信号下的输出失真现象。

下面结合图2、图3、图4进一步说明本发明的装置和具体实施步骤。

本发明提供基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置和方法。如图2～图3所示，本发明的一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置包括信号发生器1、信号修正模块2、电荷放大器3、压电致动器4及输出电荷采集模块5；

所述信号发生器1用于产生控制信号使压电致动器4产生相应位移响应，其输出端与信号修正模块2第一输入端相连；

所述信号修正模块2同时接收信号发生器1输出的控制信号与输出电荷采集模块5输出的反馈信号，经处理后输出修正信号给电荷放大器3以抑制其输出失真，所述信号修正模块2具有两个输入端一个输出端，其第一输入端与信号发生器1输出端相连，其第二输入端与输出电荷采集模块5输出端相连，其输出端与电荷放大器3输入端相连；

所述电荷放大器3将输入电压信号转换为电荷量输出，所述电荷放大器3具有一个输出端两个输入端，其正输入端与信号修正模块2输出端相连，其负输入端与压电致动器4一端相连，其输出端与输出电荷采集模块5第一输入端相连；

所述压电致动器4接收电荷放大器3输出电荷量并产生相应的位移响应，其一端与电荷放大器3负输入端相连，一端与输出电荷采集模块5第二输入端相连；

所述输出电荷采集模块5对电荷放大器3输出的电荷量实时采集并等比例转换为电压信号，所述输出电荷采集模块5具有两个输入端一个输出端，其第一输入端与电荷放大器3输出端相连，第二输入端与压电致动器4一端相连，输出端信号修正模块2的输入端相连。

本发明实施例中，如图4所示，所述信号修正模块2由比例放大器K₁、比例放大器K₂、差分放大器A₃、差分放大器A₄组成；所述比例放大器K₁正输入端与输出电荷采集模块5中的差分放大器A₂输出端相连，负输入端和输出端与比例调节电阻R₅、比例调节电阻R₆相连，同时输出端与差分放大器A₃负输入端相连；所述差分放大器A₃负输入端与比例放大器K₁输出端相连，正输入端与信号发生器1输出端相连，输出端与比例放大器K₂正输入端相连；所述比例放大器K₂正输入端与差分放大器A₃输出端相连，负输入端和输出端与比例调节电阻R₇、比例调节电阻R₈相连，同时输出端同时与差分放大器A₄负输入端相连；所述差分放大器A₄负输入端与比例放大器K₂输出端相连，正输入端与信号发生器1输出端相连，输出端与电荷放大器3正输入端相连。

本发明实施例中，如图4所示，所述输出电荷采集模块5由电荷采集电容C₁、电压跟随器K₃、电压跟随器K₄、差分放大器A₂组成；所述电荷采集电容C₁一端与电压跟随器K₃正输入端及电荷放大器3输出端相连，一端与电压跟随器K₄正输入端及压电致动器4一端相连；所述电压跟随器K₃正输入端与电荷采集电容C₁一端及电荷放大器3输出端相连，负输入端与输出端相连，同时输出端与差分放大器A₂外接的比例调节电阻R₂一端相连；所述电压跟随器K₄正输入端与电荷采集电容C₁一端及压电致动器4一端相连，负输入端与其输出端相连，同时输出端与差分放大器A₂外接的比例调节电阻R₄一端相连；所述差分放大器A₂正输入端、负输入端分别与调节电阻R₁、调节电阻R₂和调节电阻R₃、调节电阻R₄相连，输出端与信号修正模块2中比例放大器K₁的正输入端相连。其中外接的调节电阻R₂、调节电阻R₄的一端与电压跟随器K₃、电压跟随器K₄的输出端相连，外接的调节电阻R₃的一端与差分放大器A₂的输出端相连。

本发明实施例中，所述输出电荷采集模块5中，电荷采集电容C₁选取容值大小为压电致动器4等效电容值大小的10～100倍，使得电荷采集电容C₁两端分得电压占电荷放大器3总输出电压的1/10～1/100。电压跟随器K₃、电压跟随器K₄用于增加输入阻抗；差分放大器A₂外部的调节电阻R₁、调节电阻R₂、调节电阻R₃、调节电阻R₄的阻值相等，这样差分放大器A₂输出电压值即可以真实反映电荷采集电容C₁两侧电位差，同时该输出值与压电致动器4内部存储电荷量成正比，进一步该输出值能够直接成比例反映压电致动器4的位移响应。

本发明实施例中，所述电荷放大器3为通常带有直流反馈回路的电荷放大电路，优选采用现有电荷放大器产品PI E-506.10。

本发明实施例中，所述压电致动器4优选采用等效电容为10μF的PI 840.60，电荷采集电容C₁优选采用大小为470μF的电解电容。

本发明实施例中，在搭建完成以上基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置后，之后按照本发明提供的基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正方法使用该装置，该方法包括以下步骤：

步骤1)电荷放大器3在信号发生器1输入信号V_in的作用下产生Q_p的输出电荷量，压电致动器4接收输出电荷量Q_p并产生相应位移响应，由于电荷采集电容C₁与压电致动器4串联，且串联电容下每个电容器储存电荷量相等，因此电荷采集电容C₁内部存储的电荷可实时反映压电致动器4的位移情况。

步骤2)输出电荷采集模块5准确检测电荷采集电容C₁两侧电位信号并由电压跟随器K₃、电压跟随器K₄、差分放大器A₂转换为电位差输出，由于电荷采集电容C₁为线性电容，输出电位差能准确反映内部存储电荷情况以及压电致动器4的位移情况，该电位差作为反映压电致动器4位移情况的反馈信号传递给信号修正模块2。

步骤3)信号修正模块2内的比例放大器K₁将差分放大器A₂输出反馈信号幅值调整为与信号发生器1输出信号V_in幅值一致，二者经差分放大器A₃作差并经比例放大器K₂调整后获得输入信号-输出位移间的误差信号，该误差信号经差分放大器A₄与控制信号V_in做差后得到修正信号。

步骤4)修正信号再次发送给电荷放大器3，并输出校正后的电荷量，使压电致动器4的位移响应得以校正。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭示的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置，其特征在于，由信号发生器(1)、信号修正模块(2)、电荷放大器(3)、压电致动器(4)及输出电荷采集模块(5)组成；所述信号发生器(1)产生控制信号，为压电致动器(4)的位移响应提供参考；所述信号修正模块(2)接收前级信号发生器(1)输出的控制信号与输出电荷采集模块(5)输出的反馈信号，经处理后输出修正信号给后级的电荷放大器(3)；所述电荷放大器(3)将输入电压信号转换为电荷激励信号输出，以驱动压电致动器(4)；所述压电致动器(4)接收电荷放大器(3)的激励信号并产生相应位移响应；所述输出电荷采集模块(5)中的电荷采集电容串联在电荷驱动回路中，将电荷放大器(3)的输出电荷量等比例转换为电压信号并反馈给信号修正模块(2)，以完成对压电致动器(4)的位移响应的校正。

2.根据权利要求1所述的一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置，其特征在于：所述信号修正模块(2)由比例放大器K₁、比例放大器K₂，差分放大器A₃、差分放大器A₄组成；所述比例放大器K₁输入端接收来自输出电荷采集模块(5)的反馈信号，经比例放大器K₁做幅值调整后输出给差分放大器A₃；所述差分放大器A₃负输入端接收经比例放大器K₁调整幅值的反馈信号，正输入端接信号发生器(1)的输出控制信号V_in，二者做差后输出信号传递给比例放大器K₂，经比例放大器K₂调整后得到误差信号；所述差分放大器A₄负输入端接收比例放大器K₂输出的误差信号，正输入端接收来自信号发生器(1)的控制信号，二者做差后输出修正信号给后级的电荷放大器(3)。

3.根据权利要求1所述的一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置，其特征在于：所述输出电荷采集模块(5)由电荷采集电容C₁、电压跟随器K₃、电压跟随器K₄，差分放大器A₂组成；所述电荷采集电容C₁串联在由电荷放大器(3)与压电致动器(4)构成的驱动回路中；所述电压跟随器K₃、电压跟随器K₄的输入端连接在电荷采集电容C₁两侧，以实时跟随电荷采集电容C₁两端电位；所述差分放大器A₂正输入端、负输入端分别与电压跟随器K₃、电压跟随器K₄输出端相连，将电荷采集电容C₁两端电位转化为电位差输出。

4.根据权利要求3所述的一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置，其特征在于：所述输出电荷采集模块(5)中，电荷采集电容C₁选取大小为压电致动器(4)等效电容值大小的10～100倍，使得电荷采集电容C₁两端分得电压占电荷放大器(3)总输出电压的1/10～1/100，以不至于影响电荷放大器(3)原有的输出能力。

5.根据权利要求1所述的一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置，其特征在于：所述电荷放大器(3)为带有直流反馈回路的电荷放大电路构型，采用现有电荷放大器产品，或自主搭建电路实现，其内部核心放大器芯片为能够输出高电压大电流的功率放大器芯片。

6.一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正方法，应用于权利要求1-5任一项所述的一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)电荷放大器(3)在信号发生器(1)的输入信号V_in的作用下产生Q_p的输出电荷量，压电致动器(4)接收输出电荷量Q_p并产生相应位移响应，由于电荷采集电容C₁与压电致动器(4)串联，且串联电容下每个电容器储存电荷量相等，因此电荷采集电容C₁内部存储的电荷实时反映压电致动器(4)的位移情况；

步骤2)输出电荷采集模块(5)准确检测电荷采集电容C₁两侧电位信号并由电压跟随器K₃、电压跟随器K₄、差分放大器A₂转换为电位差输出，由于电荷采集电容C₁为线性电容，输出电荷采集模块(5)输出电位差同样能够准确成比例反映电荷采集电容C₁内部存储电荷情况以及压电致动器(4)的位移情况，该电位差作为反映压电致动器(4)位移情况的反馈信号传递给信号修正模块(2)；

步骤3)信号修正模块(2)内的比例放大器K₁将差分放大器A₂输出反馈信号幅值调整为与信号发生器(1)的输出信号V_in幅值一致，二者经差分放大器A₃作差并经比例放大器K₂调整后获得输入信号-输出位移间的误差信号，该误差信号经差分放大器A₄与控制信号V_in做差后得到修正信号；

步骤4)修正信号再次发送给电荷放大器(3)，并输出校正后的电荷量，使压电致动器(4)的位移响应得以校正。