CN1851398B - 具有非线性校正功能的微位移驱动器 - Google Patents

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Abstract

一种用于驱动微位移执行器产生位移的驱动器，由智能内核、USB接口、位移模拟输入接口、驱动输出接口、逆变/驱动模块组成，其特征是智能内核编有非线性校正算法软件，在接受外部PC机输入的位移指令后，驱动微位移执行器产生与指令完全一致的位移输出，位移精度为纳米/微米数量级。

Description

具有非线性校正功能的微位移驱动器
技术领域
本发明涉及一种用于驱动微位移执行器产生位移的驱动器。特别是一种用于位移精度为纳米/微米数量级、由电压驱动、且其电压-位移特性具有非线性特征的位移执行器的驱动器。
背景技术
在精密工程领域的诸多设备中，如自动对焦显微镜、原子力显微镜、数字波面干涉仪、医学微机械手、光纤对接机构、数控机床等都装有微位移执行器，用于控制镜头、探针和工件等的微小距离移动，该微位移执行器的位移量必须可知、可控。目前为了减小微位移系统的体积、提高其紧凑度、降低其结构与控制的复杂性、同时提高其使用的便利性，微位移系统时均被设计工作于开环状态，即微位移系统中没有额外的用以监测微位移执行器实际位移量的位移检测设备(比如光栅尺、激光测距仪、电容测微仪、电感测微仪等)，因此，微位移执行器的定位精度甚低，特别是当微位移执行器的输出位移和输入电信号(电压或电流)为非线性时，位移无法准确预测，以致只能作近似线性处理，从而降低了微位移系统的定位精度，如致使原子力显微镜图形失真、数字波面干涉仪测得的面形畸变、数控机床加工零件的尺寸精度仅在1～5μm量级，无法达到0.1μm、表面粗糙度Ra小于0.025μm的超精密加工要求，更无法实现光纤、半导体、精密机械制造行业和智能机械加工、工具制造等行业中亚微米/纳米精密控制。
现在广泛应用电压驱动型的压电微位移执行器虽然分辨率高、响应快、推力大，但它的电压—位移特性曲线为迟滞非线性，当以线性电压驱动时，其输出位移为非线性，如果驱动电压出现往复随机变化，则压电执行器的输出位移更是由于迟滞效应而难以预测。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种具有非线性校正功能的微位移驱动器，使在开环应用时微位移执行器输出与预期一致的位移，非线性度小于千分之一。
本发明提供的微位移驱动器，由智能内核、USB接口、位移模拟输入接口、驱动输出接口、逆变/驱动模块组成，其特征是智能内核与USB接口、位移模拟输入接口、驱动输出接口、逆变/驱动模块分别相连，USB接口还与逆变/驱动模块连接。
本发明的智能内核由通信单元、微处理器、数据存贮器、模型存贮器、模数转换器、数模转换器组成，其中微处理器与通信单元、数据存贮器、模型存贮器、模数转换器、数模转换器分别相连。该智能内核由通信单元经USB接口与PC机进行通信，接收和执行PC机的命令，送入具有控制和计算功能的微处理器，按工作状态不同，从存有各种测试数据的数据存贮器和存有各种非线性校正数学模型的模型存贮器中提取相关数据和模型，送入模数转换器或数模转换器，模数转换器用于提取位移模拟输入接口接收的信号并将之转换成数字信号；数模转换器用于转换微处理器发送的数字信息，并用来控制逆变/驱动模块等功能单元。
驱动器通过USB接口连接外部PC机，接受定标和位移指令，通过逆变/驱动模块连接外部微位移执行器，完成微位移动作。当它接受PC机的定标指令后，其智能内核启动位移模拟输入接口、驱动输出接口、逆变/驱动模块以及智能内核内部的模数转换器、数模转换器等构成自动测试系统，用以建立微位移执行器的非线性校正后的数学模型；当它接受PC机的位移指令后，智能内核调用已建立的微位移执行器的数学模型，然后控制逆变驱动电路产生驱动电压，通过本发明的微位移驱动器的驱动输出接口作用在微位移执行器上，使微位移执行器产生与指令一致的位移量。
本发明的位移模拟输入接口接收测微仪传递过来的反映位移量的模拟信号，用以检测微位移执行器的实际位移量。
本发明的逆变/驱动模块将USB接口提供的5V电源通过隔离的“直流电压—可变直流电压输出”模式逆变成数百伏的高电压，供驱动使用。
本发明的微位移驱动器的工作原理是：智能内核集成有各种非线性校正数学模型，能实时给出已预校正的电压驱动信号，同时还具有自动构建测试系统、启动和停止扫描的能力。当实施定标功能时，首先由智能内核通过USB接口从PC机接收若干参数，对外部的微位移执行器启动自动扫描，扫描结束后，智能内核自动生成非线性校正曲线或数学表达式；在智能内核进行微位移器特性自动扫描前，PC机通过USB口向驱动器输入若干参数，如微位移器的类别及指标：极限工作电压、额定工作电压、最大位移量、死区值、弹性模量、工作压力等；模拟输入口相关参数：信号极性、信号的上下限、每单位电压值表示的位移量等。当实施位移功能时，PC机发送位移数据给驱动器，驱动器中的智能内核调用数据存贮器和模型存贮器中的与外界微位移执行器相关的数据和数学模型，然后控制逆变/驱动模块工作，通过驱动输出接口使外部执行器产生与指令完全相同的微位移。
本发明为智能装置，使用简单、方便。
本发明的有益效果是，可将非线性微位移执行器自动进行线性校正，方便微位移控制，大大提高微位移精度。
附图说明
图1是本发明方框原理图。
图2是智能内核1结构方框图。
图中：1.智能内核，2.USB接口，3.位移模拟输入接口，4.驱动输出接口，5.逆变/驱动模块，6.PC机，7.微位移执行器，8.通信单元，9.微处理器，10.数据存贮器，11.模型存贮器，12.模数转换器，13.数模转换器
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：
实施例
参见附图1、2：本发明驱动器的应用对象为具有非线性电压—位移特性的微位移执行器，比如常见的压电微位移器。使用本发明之驱动器经由两个阶段，第一个为定标阶段，由本发明驱动器(在其内部智能内核的控制下)对外部的微位移执行器进行特征参数扫描，然后驱动器内部的智能内核对该外部执行器建立数学模型；第二个才是实际的工作阶段，在工作阶段中，驱动器根据PC机发送的位移命令，结合该执行器的数学模型，输出一定的电压驱动该外部执行器，使该外部执行器输出与PC机命令一致的位移量。两个阶段的实施过程如下。
定标阶段：
首先将本发明之驱动器与各外部器件或仪器进行连接：本发明驱动器的USB接口2与PC机6的USB接口连接，本发明驱动器的位移模拟输入接口3与测微仪的位移信号输出接口连接，本发明驱动器的驱动输出接口4与外部微位移执行器7的驱动输入接口连接。
然后通过PC机端应用软件窗口进行定标参数输入，这些参数为微位移执行器7的额定工作电压、形变量、工作压力，以及测微仪的每单位电压值表示的位移量等，当各参数输入完毕确认无误后，PC机通过USB口与智能内核1的通信单元8进行通信，并将相关参数传输到驱动器的智能内核1，智能内核1则将接收的参数贮存到数据存贮器10中，然后智能内核1根据数据存贮器10中的参数，开始调用内部各相关单元对外部的微位移执行器7进行特征参数扫描。
特征参数扫描的过程为：驱动器根据微处理器9中事先设定的程序向数模转换器13发出一定的数字量，数模转换器13则同步将数字量转换成模拟量，并因此控制逆变/驱动模块5产生对应的有一定放大量的驱动电压，此驱动电压通过驱动输出接口4向外部的微位移执行器7发出驱动信号，于是微位移执行器7产生位移输出，与此同时，智能内核1指令模数转换器12即时转换从位移模拟输入接口3获得的模拟信号，并存贮于微处理器9的RAM中。这一过程将根据预定程序及数据存贮器10中的参数进行多次执行。
特征参数扫描过程结束后，驱动器的智能内核1自动进行数据分析，并因此求得关键参数，然后调用模型存贮器11的参数待定数学模型，生成与外部微位移执行器7相对应的特定数学模型。这一切结束后，驱动器的智能内核1将通过通信单元8和USB接口2，向PC机报告定标过程结束。
工作阶段：
首先将本发明之驱动器与各外部器件或仪器进行连接：本发明驱动器的USB接口2与PC机6的USB接口连接，本发明驱动器的驱动输出接口4与外部微位移执行器7的驱动输入接口连接。
然后通过PC机端应用软件窗口进行位移参数输入。当位移参数输入完毕确认无误后，PC机通过USB口与智能内核1的通信单元8进行通信，并将相关参数传输到驱动器的智能内核1，智能内核1则将接收的位移参数暂存到微处理器9的RAM中。
接着，智能内核1调用与外部微位移执行器7相对应的特定数学模型，结合RAM中的位移参数，经计算后向数模转换器13发出一定的数字量，数模转换器13则同步将数字量转换成模拟量，并因此控制逆变/驱动模块5产生对应的有一定放大量的驱动电压，此驱动电压通过驱动输出接口4向外部的微位移执行器7发出驱动信号，于是微位移执行器7产生与PC机位移量指令一致的实际位移输出。

Claims (2)

1.一种用于驱动微位移执行器产生位移的驱动器，由智能内核、USB接口、位移模拟输入接口、驱动输出接口、逆变/驱动模块组成，而智能内核由通信单元、微处理器、数据存贮器、模型存贮器、模数转换器、数模转换器组成，其中微处理器与通信单元、数据存贮器、模型存贮器、模数转换器、数模转换器分别相连；其特征是智能内核与USB接口、位移模拟输入接口、驱动输出接口、逆变/驱动模块分别相连，USB接口还与逆变/驱动模块连接；其中，USB接口既被作为通信接口使用，又被作为逆变/驱动模块的输入使用，以完成将所述的逆变/驱动模块通过隔离的直流电压-可变直流电压输出模式将USB接口提供的5V电源逆变成数百伏大小受智能内核控制的高电压供驱动使用。
2.根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于所述的智能内核，是由通信单元经USB接口与PC机进行通信，接收和执行PC机的命令，送入具有控制和计算功能的微处理器，按工作状态不同，从存有各种测试数据的数据存贮器和存有各种非线性校正数学模型的模型存贮器中提取相关数据和模型，送入模数转换器或数模转换器，模数转换器用于提取位移模拟输入接口接收的信号并将之转换成数字信号；数模转换器用于转换微处理器发送的数字信息，并用来控制逆变/驱动模块功能单元。
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