JP2008245339A - Control method of piezoelectric actuator - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a control method that can achieve high-speed operation while taking the non-linearity of a piezoelectric actuator into consideration. <P>SOLUTION: Using a voltage V supplied to the piezoelectric actuator and induced electric charge "q" as inputs, displacement x and load F of the piezoelectric actuator are estimated and a voltage to be supplied is set up based on the displacement x and the load F. Under the assist by an actuator model in consideration of the non-linearity, the displacement x and the load F are estimated based on a hysteresis function structured from a plurality of functions including two functions f<SB>1</SB>(q) and f<SB>2</SB>(q) of at least equation 1. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、圧電アクチュエータの制御方法に関する。より具体的には、圧電アクチュエータに印加された電圧及び誘起された電荷を入力として、該圧電アクチュエータの変位及び荷重を推定し、該推定された変位及び荷重に基づいて圧電アクチュエータに印加する電圧を設定する圧電アクチュエータの制御方法に関する。   The present invention relates to a method for controlling a piezoelectric actuator. More specifically, the voltage applied to the piezoelectric actuator and the induced charge are input, the displacement and load of the piezoelectric actuator are estimated, and the voltage to be applied to the piezoelectric actuator based on the estimated displacement and load is calculated. The present invention relates to a method for controlling a piezoelectric actuator to be set.

従来より、微小位置決め機構や微小駆動機構などに用いるアクチュエータとして圧電アクチュエータが知られている。この圧電アクチュエータは、電圧を印加することにより素子を構成する結晶体の伸張を利用したものであり、これにより、位置決め対象物又は駆動対象物を高精度で変位させることができる。   Conventionally, a piezoelectric actuator is known as an actuator used for a minute positioning mechanism, a minute drive mechanism, and the like. This piezoelectric actuator utilizes the extension of the crystal constituting the element by applying a voltage, whereby the positioning object or the driving object can be displaced with high accuracy.

ところで、この圧電アクチュエータには、印加電圧と発生する変位や荷重との間にはヒステリシスがあり一価の関数では対応させることができない。このため、圧電アクチュエータを高精度で制御する際には、この圧電アクチュエータの変位及び荷重の情報を、印加電圧にフィードバックして制御する必要がある。しかしながら、このようなフィードバック制御を行うためには、変位及び荷重などの機械的な量を検出するためのセンサを圧電素子に設ける必要があった。   By the way, this piezoelectric actuator has a hysteresis between the applied voltage and the generated displacement or load, and cannot be handled by a monovalent function. For this reason, when controlling the piezoelectric actuator with high accuracy, it is necessary to feed back the displacement and load information of the piezoelectric actuator to the applied voltage. However, in order to perform such feedback control, it is necessary to provide a sensor for detecting mechanical quantities such as displacement and load on the piezoelectric element.

そこで、非特許文献1には、圧電アクチュエータの実際の変位や荷重などの機械的な量を検出せずに、電気的な量、例えば電圧及び電荷量を検出し、該検出された電圧及び電荷量に基づいて、圧電アクチュエータの変位及び荷重を推定する圧電アクチュエータの制御方法が提案されている。   Therefore, in Non-Patent Document 1, an electrical quantity, for example, a voltage and a charge quantity is detected without detecting a mechanical quantity such as an actual displacement or a load of the piezoelectric actuator, and the detected voltage and charge are detected. A piezoelectric actuator control method for estimating displacement and load of the piezoelectric actuator based on the quantity has been proposed.

ところで、非特許文献1に示された制御方法のように、圧電アクチュエータの電圧及び電荷に基づいて変位及び荷重を推定する方法としては様々な方法が提案されている。第1は所謂圧電方程式に基づく方法であり、第2は圧電アクチュエータの振る舞いを再現する電気機械モデルに基づく方法である(非特許文献2参照)。   By the way, as a control method shown in Non-Patent Document 1, various methods have been proposed as a method for estimating the displacement and the load based on the voltage and charge of the piezoelectric actuator. The first is a method based on a so-called piezoelectric equation, and the second is a method based on an electromechanical model that reproduces the behavior of a piezoelectric actuator (see Non-Patent Document 2).

先ず、第1の方法について、図18及び図19を参照しながら説明する。
図18は、1つの圧電素子を示す模式図である。図18に示すように、略立方体状の圧電素子の上下端から所定の電圧を印加すると、この圧電素子には、電束密度D及び電界強度Eの電界が上下方向に沿って発生すると共に、縦圧電効果により、圧電素子にはTの応力及びSの歪みが上下方向に沿って生じる。ここで、圧電方程式より、これら電束密度D、電界強度E、応力T、及び歪みSに対して次の関係式が導出される。

Figure 2008245339
First, the first method will be described with reference to FIGS.
FIG. 18 is a schematic diagram showing one piezoelectric element. As shown in FIG. 18, when a predetermined voltage is applied from the upper and lower ends of a substantially cubic piezoelectric element, an electric field having an electric flux density D 3 and an electric field strength E 3 is generated in the piezoelectric element along the vertical direction. At the same time, due to the longitudinal piezoelectric effect, the T 3 stress and the S 3 distortion are generated in the vertical direction in the piezoelectric element. Here, from the piezoelectric equation, the following relational expression is derived with respect to the electric flux density D 3 , the electric field strength E 3 , the stress T 3 , and the strain S 3 .
Figure 2008245339

ここで、Yは素子のヤング率であり、ε33は誘電率であり、d33は圧電定数である。
図19は、積層型の圧電アクチュエータの構成を示す模式図であり、図18に示す圧電素子をn個積層して構成した圧電アクチュエータを示す。ここで、1つの圧電素子の上下方向に沿った厚みをdとし、断面積をAとすると、上述の1つの圧電素子に対する圧電方程式より次式が導出される。
Here, Y is the Young's modulus of the element, ε 33 is the dielectric constant, and d 33 is the piezoelectric constant.
FIG. 19 is a schematic diagram showing a configuration of a stacked piezoelectric actuator, and shows a piezoelectric actuator configured by stacking n piezoelectric elements shown in FIG. Here, assuming that the thickness of one piezoelectric element along the vertical direction is d and the cross-sectional area is A, the following equation is derived from the piezoelectric equation for one piezoelectric element described above.

Figure 2008245339
Figure 2008245339

ここで、qは各電極に誘起された電荷量であり、q=Dで示される。Kは圧電素子の剛性であり、K=YA/ndで示される。Cは静電容量であり、C=ε33nA/dで示される。Vは電圧であり、V=Edで示される。xは変位であり、x=ndSで示される。Fは荷重であり、TAで示される。また、α=Knd33とし、C´=C−(nd33Kとした。 Here, q is the amount of charge induced in each electrode, and is represented by q = D 3 A 2 . K is the rigidity of the piezoelectric element, and is represented by K = YA / nd. C is a capacitance and is represented by C = ε 33 nA / d. V is a voltage and is indicated by V = E 3 d. x is the displacement and is indicated by x = ndS 3 . F is a load and is indicated by T 3 A. Further, α = Knd 33 and C ′ = C− (nd 33 ) 2 K were set.

以上のようにして圧電方程式に基づいて導出された数2の連立方程式によれば、圧電アクチュエータの電圧V及び電荷量qを検出することにより、変位x及び荷重Fを算出することが可能となる。しかしながら、数2の式は、ヒステリシスといった圧電アクチュエータの非線形性が考慮されていない。   According to the simultaneous equations of Formula 2 derived based on the piezoelectric equation as described above, the displacement x and the load F can be calculated by detecting the voltage V and the charge amount q of the piezoelectric actuator. . However, the equation (2) does not consider the nonlinearity of the piezoelectric actuator such as hysteresis.

次に、非特許文献2に記載された第2の方法について、図20〜図23を参照しながら説明する。この第2の方法は、電気要素と機械要素とを組み合わせて構成される電気機械モデルに基づいて圧電アクチュエータの振る舞いを再現するものであり、上述の第1の方法に加えて、圧電アクチュエータの非線形性が考慮されている。   Next, the 2nd method described in the nonpatent literature 2 is demonstrated, referring FIGS. 20-23. The second method reproduces the behavior of the piezoelectric actuator based on an electromechanical model configured by combining an electric element and a mechanical element. In addition to the first method described above, the second method is a nonlinear method of the piezoelectric actuator. Sex is considered.

図20は、非特許文献2に示された圧電アクチュエータの電気機械モデルの構成を示す回路図である。図20に示すように、この電気機械モデルは、キャパシタC´と、電気的なエネルギーを機械的なエネルギーに変換する変換器Tと、変換器Tに連結された機械要素91と、キャパシタ及び抵抗素子とを組み合わせて構成されるMRC(Maxwell Resistive Capacitance)要素92と、を含んで構成される。   FIG. 20 is a circuit diagram illustrating a configuration of an electromechanical model of the piezoelectric actuator disclosed in Non-Patent Document 2. As shown in FIG. 20, the electromechanical model includes a capacitor C ′, a converter T that converts electrical energy into mechanical energy, a mechanical element 91 connected to the converter T, a capacitor and a resistor. And an MRC (Maxwell Resistive Capacitance) element 92 configured by combining the elements.

機械要素91は、質量0の物体をばね定数Kのばねで接続して構成される。変換器Tは、その出力が外力Fとして機械要素91の物体に作用するように接続されている。ここで、図20の回路中、破線99で囲まれた要素、すなわち、キャパシタC´、変換器T、及び機械要素91で構成される要素のみを考慮すると次式が導出される。 Mechanical element 91 is constituted by connecting the object of mass 0 at the spring of spring constant K E. Transducer T, the output is connected so as to act on the object machine element 91 as an external force F P. Here, in the circuit of FIG. 20, only the elements surrounded by the broken line 99, that is, the elements constituted by the capacitor C ′, the converter T, and the machine element 91 are considered, and the following expression is derived.

Figure 2008245339
Figure 2008245339

つまり、破線99で囲まれた要素は、上述の数2と等価なモデルとなっている。非特許文献2に示された電気機械モデルは、このような圧電アクチュエータの線形な振る舞いを記述する破線99で囲まれた要素に加えて、圧電アクチュエータのヒステリシスを再現する要素として、MRC要素92を含む。   That is, the element surrounded by the broken line 99 is a model equivalent to the above-described formula 2. The electromechanical model shown in Non-Patent Document 2 includes an MRC element 92 as an element that reproduces the hysteresis of the piezoelectric actuator in addition to the element surrounded by the broken line 99 that describes the linear behavior of the piezoelectric actuator. Including.

図21は、このMRC要素92と等価な機械モデル(Maxwell Slip Model)の構成を示す模式図である。この機械モデルは、質量0の物体をばね定数Kのばねで連結して構成された機械要素をn個並列に接続したものである。各要素の物体は、垂直抗力の作用下にあり、これにより、静止摩擦力fが作用する。ここで、x及びFを要素全体の変位及び作用する力とし、xbi及びFを各物体の変位及び作用する力とすると、次式が導出される。 FIG. 21 is a schematic diagram showing a configuration of a mechanical model (Maxwell Slip Model) equivalent to the MRC element 92. This machine model is formed by connecting n machine elements connected in parallel with an object having a mass of 0 by a spring having a spring constant K i . The object of each element is under the action of a normal drag, whereby a static friction force f i acts. Here, when x and F are the displacement and acting force of the entire element, and x bi and F i are the displacement and acting force of each object, the following equations are derived.

Figure 2008245339
Figure 2008245339

図22は、n=1の場合における機械モデルの変位xと力Fとの関係を示す図であり、図23は、複数の機械要素を並列した機械モデルの変位xと力Fとの関係を示す図である。これら、図22及び図23に示すように、変位xと力Fとの間にはヒステリシスが発生する。また、図22及び図23を比較すると、図22に示す例では、n=1、つまり機械要素の数は1つであるため、このヒステリシスは、直線を組み合わせたものとなる。一方、複数の機械要素を並列にしたモデルでは、各機械要素に対し異なる定数k及びfを入力すると共に、複数の機械要素を並列にすることにより、図23に示すように、各機械要素の直線的な振る舞いを滑らかな曲線で近似できる。 FIG. 22 is a diagram showing the relationship between the displacement x of the machine model and the force F when n = 1, and FIG. 23 shows the relationship between the displacement x and the force F of the machine model in which a plurality of machine elements are arranged in parallel. FIG. As shown in FIGS. 22 and 23, hysteresis occurs between the displacement x and the force F. 22 and FIG. 23 are compared, in the example shown in FIG. 22, since n = 1, that is, the number of machine elements is one, this hysteresis is a combination of straight lines. On the other hand, in a model in which a plurality of machine elements are arranged in parallel, different constants k i and f i are input to each machine element, and the plurality of machine elements are arranged in parallel, so that as shown in FIG. The linear behavior of elements can be approximated by a smooth curve.

図20に戻って、以上のような機械モデルと等価なMRC要素92を含む、電気機械モデルについて、物体に作用する力F、電荷q、及び電位差Vについて関係式を導出すると、次式のようになる。   Referring back to FIG. 20, when the relational expression is derived for the force F acting on the object, the charge q, and the potential difference V for the electromechanical model including the MRC element 92 equivalent to the mechanical model as described above, the following expression is obtained. become.

Figure 2008245339
Figure 2008245339

ここで、MRC要素92間の電位差Vは、上述の機械モデルからの類推により、ν及びCを定数として、次式により記述される。 Here, the potential difference V h between the MRC elements 92 is described by the following equation with ν i and C i as constants by analogy with the above-described machine model.

Figure 2008245339
Figure 2008245339

非特許文献2に示された電気機械モデルによれば、以上のような数5及び数6を連立することにより、非線形性を考慮にいれた圧電アクチュエータの振る舞いを再現できる。ここで特に、数6に示されたMRC要素92間の電位差Vを含めることにより、圧電アクチュエータのヒステリシスを再現できる。また、この電気機械モデルによれば、パラメータν及びCの値によっては、変極点が複数あるヒステリシス曲線も再現することができる。
C. Raupach, J. Melbert, “Advanced Injection System by Means of Sensor Actuator Function,” SAE, no. 2005-01-0908, April 2005 M. Goldfarb, N. Celanovic, “Modeling piezoelectric stack actuators for control of micromanipulation,” IEEE Control Systems Magazine, vol. 17, no. 3, pp. 66 -79, June 1997
According to the electromechanical model shown in Non-Patent Document 2, the behavior of the piezoelectric actuator taking nonlinearity into consideration can be reproduced by combining the above equations 5 and 6. In particular, the hysteresis of the piezoelectric actuator can be reproduced by including the potential difference V h between the MRC elements 92 shown in Equation 6. Further, according to this electromechanical model, a hysteresis curve having a plurality of inflection points can be reproduced depending on the values of the parameters ν i and C i .
C. Raupach, J. Melbert, “Advanced Injection System by Means of Sensor Actuator Function,” SAE, no. 2005-01-0908, April 2005 M. Goldfarb, N. Celanovic, “Modeling piezoelectric stack actuators for control of micromanipulation,” IEEE Control Systems Magazine, vol. 17, no. 3, pp. 66 -79, June 1997

しかしながら、上述の非特許文献2に示された電気機械モデルでは、数6に示すように、機械要素1つあたりに2つのパラメータν及びCを入力する必要がある。上述のように、ヒステリシス曲線をより滑らかな曲線で再現するには、多くの要素を設ける必要があり、これにより、より多くの数のパラメータν及びCを入力する必要がある。このため、高速演算が可能な演算器が必要となるおそれがある。 However, in the electromechanical model shown in Non-Patent Document 2 described above, it is necessary to input two parameters ν i and C i for each machine element as shown in Equation 6. As described above, in order to reproduce the hysteresis curve with a smoother curve, it is necessary to provide a large number of elements, and thus it is necessary to input a larger number of parameters ν i and C i . For this reason, there is a possibility that an arithmetic unit capable of high-speed calculation is required.

また、図22及び図23に示すように、上述のモデルによるヒステリシスでは、変位が大きくなる際の経路と、変位が小さくなる際の経路とは、例えば、原点を中心として対称な経路になる。しかしながら、圧電アクチュエータに発生するヒステリシスには、一般的にこのような対称性がない。したがって、非特許文献2に示された電気機械モデルは、現実の圧電アクチュエータの振る舞いを再現するモデルではなかった。   Further, as shown in FIGS. 22 and 23, in the hysteresis according to the above-described model, the path when the displacement increases and the path when the displacement decreases become, for example, symmetrical paths around the origin. However, the hysteresis generated in the piezoelectric actuator generally does not have such symmetry. Therefore, the electromechanical model shown in Non-Patent Document 2 is not a model that reproduces the behavior of an actual piezoelectric actuator.

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、非線形性を考慮しつつ、高速演算が可能な圧電アクチュエータの制御方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for controlling a piezoelectric actuator capable of high-speed computation while taking nonlinearity into consideration.

(1) 圧電アクチュエータに印加された電圧及び誘起された電荷を入力として、該圧電アクチュエータの変位及び荷重を推定し、該推定された変位及び荷重に基づいて圧電アクチュエータに印加する電圧または電荷量を設定する圧電アクチュエータの制御方法であって、前記圧電アクチュエータの非線形性を考慮したアクチュエータモデルの支援下で、少なくとも次の2つの関数f(q)及びf(q)含む複数の関数に基づいて構成されるヒステリシス関数に基づいて、変位及び荷重を推定することを特徴とする圧電アクチュエータの制御方法。

Figure 2008245339
ただし、qは変数とし、a,b,c,a,b,cは定数とする。 (1) Using the voltage and induced charge applied to the piezoelectric actuator as inputs, the displacement and load of the piezoelectric actuator are estimated, and the voltage or charge applied to the piezoelectric actuator is calculated based on the estimated displacement and load. A method for controlling a piezoelectric actuator to be set, which is based on a plurality of functions including at least the following two functions f 1 (q) and f 2 (q) with the assistance of an actuator model in consideration of the nonlinearity of the piezoelectric actuator. A method for controlling a piezoelectric actuator, wherein displacement and load are estimated based on a hysteresis function configured as described above.
Figure 2008245339
However, q is a variable, and a 1 , b 1 , c 1 , a 2 , b 2 , and c 2 are constants.

(1)に記載の発明によれば、圧電アクチュエータに印加される電圧は、該圧電アクチュエータの推定された変位及び荷重に基づいて決定される。またここで、変位及び荷重を推定する際には、圧電アクチュエータの非線形性が考慮されたアクチュエータモデルの支援下で、2つの関数f(q)及びf(q)含む複数の関数に基づいて構成されるヒステリシス関数に基づいて推定される。これにより、圧電アクチュエータを、そのヒステリシスを考慮した制御を行うことができる。 According to the invention described in (1), the voltage applied to the piezoelectric actuator is determined based on the estimated displacement and load of the piezoelectric actuator. Further, here, when estimating the displacement and the load, it is based on a plurality of functions including two functions f 1 (q) and f 2 (q) with the assistance of the actuator model in consideration of the nonlinearity of the piezoelectric actuator. Is estimated based on a hysteresis function constituted by Thereby, the piezoelectric actuator can be controlled in consideration of its hysteresis.

ここで、上述の数7の式と、非特許文献2の電気機械モデルに基づく数6の式とを比較する。上述のように非特許文献2の電気機械モデルによれば、より滑らかな曲線でヒステリシスを再現するためには、必要に応じてより多くの要素を設ける必要がある。これに対して、数7において入力が必要なパラメータの数は高々6つである。したがって、非特許文献2に示されたMaxwell Slip Modelに基づく電気機械モデルと比較して、より少ないパラメータ数で圧電アクチュエータの非線形性を再現できるため、高速演算が可能な演算器を設けることなく、安定して圧電アクチュエータを駆動できる。   Here, the above formula 7 is compared with the formula 6 based on the electromechanical model of Non-Patent Document 2. As described above, according to the electromechanical model of Non-Patent Document 2, in order to reproduce hysteresis with a smoother curve, it is necessary to provide more elements as necessary. On the other hand, in Equation 7, the number of parameters that need to be input is at most six. Therefore, in comparison with the electromechanical model based on the Maxwell Slip Model shown in Non-Patent Document 2, the nonlinearity of the piezoelectric actuator can be reproduced with a smaller number of parameters, so that an arithmetic unit capable of high-speed calculation is not provided. The piezoelectric actuator can be driven stably.

また、(1)記載の発明によれば、関数f(q)及びf(q)として、互いに異なるパラメータを入力することにより、ヒステリシスの非対称性を容易に考慮することができる。つまり、非対称性を考慮したより現実に近い圧電アクチュエータをモデル化することで、変位及び荷重の推定精度を向上させることができる。 In addition, according to the invention described in (1), hysteresis asymmetry can be easily taken into account by inputting different parameters as the functions f 1 (q) and f 2 (q). That is, by modeling a more realistic piezoelectric actuator considering asymmetry, it is possible to improve the estimation accuracy of displacement and load.

本発明によれば、圧電アクチュエータを、そのヒステリシスを考慮した制御を行うことができる。また、Maxwell Slip Modelに基づく電気機械モデルと比較して、より少ないパラメータ数で圧電アクチュエータの非線形性を再現できるため、高速演算が可能な演算器を設けることなく、安定して圧電アクチュエータを駆動できる。また、非対称性を考慮したより現実に近い圧電アクチュエータをモデル化することで、変位及び荷重の推定精度を向上させることができる。   According to the present invention, the piezoelectric actuator can be controlled in consideration of its hysteresis. Compared with the electromechanical model based on Maxwell Slip Model, the nonlinearity of the piezoelectric actuator can be reproduced with a smaller number of parameters, so the piezoelectric actuator can be driven stably without providing an arithmetic unit capable of high-speed calculation. . In addition, by modeling a more realistic piezoelectric actuator considering asymmetry, it is possible to improve the estimation accuracy of displacement and load.

以下、本発明の一実施形態について、図面に基づいて説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の圧電アクチュエータの制御方法に係る一実施形態としての圧電アクチュエータ制御装置1の構成を示すブロック図である。圧電アクチュエータ制御装置1は、圧電アクチュエータ10に印加する目標電圧を設定するF/B制御部20と、該設定された目標電圧で圧電アクチュエータ10を駆動するアクチュエータ駆動部30と、圧電アクチュエータ10の電圧及び電荷を検出する検出部50と、該検出された電圧及び電荷に基づいて圧電アクチュエータ10の変位及び荷重を推定する変位荷重推定部50と、を含んで構成される。   FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a piezoelectric actuator control apparatus 1 as an embodiment according to a method for controlling a piezoelectric actuator of the present invention. The piezoelectric actuator control device 1 includes an F / B control unit 20 that sets a target voltage to be applied to the piezoelectric actuator 10, an actuator driving unit 30 that drives the piezoelectric actuator 10 with the set target voltage, and a voltage of the piezoelectric actuator 10. And a detection unit 50 that detects electric charge, and a displacement load estimation unit 50 that estimates the displacement and load of the piezoelectric actuator 10 based on the detected voltage and electric charge.

F/B制御部20は、入力された目標変位及び目標荷重と、変位荷重推定部60により推定された推定変位及び推定荷重と、の差分を演算すると共に、圧電アクチュエータ10の変位及び荷重が速やかに目標値に収束するように、圧電アクチュエータ10に印加する目標電圧または目標電荷量を設定する。以下では、F/B制御部10は、圧電アクチュエータ10に印加する目標電圧を設定するものとするが、これに限るものではない。アクチュエータ駆動部30は、F/B制御部20により設定された目標電圧に応じた駆動信号を出力し、圧電アクチュエータ10を駆動する。   The F / B control unit 20 calculates the difference between the input target displacement and target load and the estimated displacement and estimated load estimated by the displacement load estimation unit 60, and the displacement and load of the piezoelectric actuator 10 are quickly increased. The target voltage or target charge amount applied to the piezoelectric actuator 10 is set so as to converge to the target value. Hereinafter, the F / B control unit 10 sets a target voltage to be applied to the piezoelectric actuator 10, but is not limited thereto. The actuator driving unit 30 drives the piezoelectric actuator 10 by outputting a driving signal corresponding to the target voltage set by the F / B control unit 20.

図2は、変位荷重推定部60の構成を示すブロック図である。
変位荷重推定部60は、上述の数6に示された連立方程式に基づいて、入力された電荷q及び電圧Vに応じた変位x及び荷重Fを推定する回路である。より具体的には、変位荷重推定部60は、次式に基づいて変位x及び荷重Fを推定する。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of the displacement load estimation unit 60.
The displacement load estimation unit 60 is a circuit that estimates the displacement x and the load F according to the input charge q and voltage V based on the simultaneous equations shown in Equation 6 above. More specifically, the displacement load estimation unit 60 estimates the displacement x and the load F based on the following equation.

Figure 2008245339
Figure 2008245339

ここで、関数f(q)は、ヒステリシス関数であり、後に詳述するように、複数の関数を組み合わせて構成される多価関数である。   Here, the function f (q) is a hysteresis function, and is a multivalent function configured by combining a plurality of functions, as will be described in detail later.

より具体的には、この変位荷重推定部60は、上述の多価関数に基づいて電圧Vを算出するヒステリシス演算部61と、変位量xを算出する変位量演算部62と、を備える。また、これらの他、変位荷重推定部60は、第1増幅器63、第2増幅器65、第1減算器66、及び第2減算器67を備える。 More specifically, the displacement load estimation unit 60 includes a hysteresis calculation unit 61 that calculates the voltage V h based on the above-described multivalent function, and a displacement amount calculation unit 62 that calculates the displacement amount x. In addition, the displacement load estimation unit 60 includes a first amplifier 63, a second amplifier 65, a first subtractor 66, and a second subtractor 67.

ヒステリシス演算部61は、電荷qを入力として、後に図4及び図5を参照して詳述する手順により電圧Vを算出する。第1減算器66は、入力された電圧Vから、ヒステリシス演算部61により算出された電圧Vを減算し、Vを出力する。変位量演算部62は、入力されたV及びqに基づいて、(q−C´V)/Kを演算し、これを変位xとして出力する。第1増幅器63及び第2増幅器65は、それぞれ、入力をα倍及びK倍し出力する。第2減算器67は、入力されたKx−αVを演算し、これを荷重Fとして出力する。以上のような構成により、変位荷重推定部60は、変位x及び荷重Fを推定する。 The hysteresis calculation unit 61 receives the charge q and calculates the voltage V h according to a procedure that will be described in detail later with reference to FIGS. 4 and 5. First subtractor 66, a voltage V that is input, the voltage V h calculated by the hysteresis calculating portion 61 subtracts outputs a V C. Displacement calculating unit 62, based on V C and q inputted, calculates the (q-C'V C) / K E, and outputs it as a displacement x. The first amplifier 63 and the second amplifier 65 respectively multiply the input by α times and K E and output. The second subtractor 67 calculates the input K E x-αV C and outputs it as a load F. With the configuration as described above, the displacement load estimation unit 60 estimates the displacement x and the load F.

次に、図3〜図7を参照して、ヒステリシス演算部61の構成について説明する。ヒステリシス演算部61は、電荷qを入力とし、ヒステリシスを考慮した多価関数に基づいてVを出力する。ここで、多価関数f(q)は、次の2つの条件式を満たす関数を、複数組み合わせて構成されるものを用いる。 Next, the configuration of the hysteresis calculating unit 61 will be described with reference to FIGS. The hysteresis calculating portion 61 inputs the charge q, and outputs the V h based on polyvalent function considering hysteresis. Here, as the multivalent function f (q), a function constituted by combining a plurality of functions satisfying the following two conditional expressions is used.

Figure 2008245339
Figure 2008245339

より具体的には、ヒステリシス演算部61は、次の2つの関数f(q),f(q)と、これら関数f(q),f(q)を平行移動及び対称移動した関数に基づいて記述されるヒステリシス関数によりVを演算する。 More specifically, the hysteresis calculation unit 61 translates and symmetrically moves the following two functions f 1 (q) and f 2 (q) and these functions f 1 (q) and f 2 (q). calculating a V h hysteresis function described based on a function.

Figure 2008245339
ただし、qは変数とし、a,b,c,a,b,cは定数とする。
Figure 2008245339
However, q is a variable, and a 1 , b 1 , c 1 , a 2 , b 2 , and c 2 are constants.

図3は、数10の関数f(q),f(q)と、これら関数のうちf(q)を平行移動及び対称移動して得られる関数g(q)に基づいて構成されるヒステリシス関数を示す図である。具体的には、f(q)とf(q)との交点をPmin及びPmaxとし、これら交点Pmin及びPmaxを結ぶ直線の中点をIとして、関数g(q)は、関数f(q)を中点Iに関して点対称移動して構成される。 FIG. 3 is configured based on the functions f 1 (q) and f 2 (q) of Formula 10 and the function g 2 (q) obtained by translating and symmetrically moving f 2 (q) among these functions. It is a figure which shows the hysteresis function to be performed. Specifically, the intersection of f 1 (q) and f 2 (q) is P min and P max, and the midpoint of a straight line connecting these intersections P min and P max is I, and the function g 2 (q) Is constructed by moving the function f 2 (q) symmetrically with respect to the midpoint I.

ヒステリシス演算部61は、これら関数のうち、f(q)及びg(q)で形成される閉曲線により構成されるヒステリシス関数により、入力qに対するVを演算する。ここで、ヒステリシス関数は、qが大きくなる場合、すなわちdq/dt≧0である場合には、関数f(q)に基づいてVを決定し、qが小さくなる場合、すなわちdq/dt<0である場合には、関数g(q)に基づいてVを決定する。すなわち、上述の交点Pmin及びPmaxは、それぞれ、ヒステリシス関数におけるqの極小値qmin及び極大値qmaxを入力値とする転換点となっている。 Of these functions, the hysteresis calculation unit 61 calculates V h for the input q by a hysteresis function constituted by a closed curve formed by f 1 (q) and g 2 (q). Here, the hysteresis function determines V h based on the function f 1 (q) when q increases, that is, when dq / dt ≧ 0, and when q decreases, that is, dq / dt. If <0, V h is determined based on the function g 2 (q). That is, the intersection points P min and P max described above are turning points with the minimum value q min and the maximum value q max of q in the hysteresis function as input values, respectively.

次に、以上のようなヒステリシス関数に基づいて、入力qに対してVを演算する手順について説明する。図4は、ヒステリシス演算部61におけるヒステリシス演算処理の手順を示すフローチャートである。 Next, a procedure for calculating V h for the input q based on the hysteresis function as described above will be described. FIG. 4 is a flowchart showing a procedure of hysteresis calculation processing in the hysteresis calculation unit 61.

初めに、ヒステリシス演算部61は、入力q及びその変化率dq/dtを取得し(ステップS1)、ステップS2に移る。ステップS2では、変化率dq/dtに基づいて、qが極大値又は極小値であるかを判別し、この判別がYESである場合には、ステップS3に移り、NOである場合には、ステップS4に移る。具体的には、このステップS2においては、変化率dq/dtに基づいて、入力されたqが上述の図3に示す転換点Pmin及びPmaxの何れかに対応する入力であるかを判別する。 First, the hysteresis calculation unit 61 acquires the input q and the rate of change dq / dt (step S1), and proceeds to step S2. In step S2, it is determined whether q is a maximum value or a minimum value based on the rate of change dq / dt. If this determination is YES, the process proceeds to step S3, and if NO, Move on to S4. Specifically, in this step S2, based on the rate of change dq / dt, it is determined whether the input q is an input corresponding to one of the turning points P min and P max shown in FIG. To do.

ステップS3では、後に図5を参照して詳述するヒステリシス関数更新処理を行い、ステップS4に移る。このヒステリシス関数更新処理S3は、入力されたqが極大値又は極小値であることに応じて、ヒステリシス関数の転換点を更新する処理である。   In step S3, a hysteresis function update process, which will be described in detail later with reference to FIG. 5, is performed, and the process proceeds to step S4. This hysteresis function update process S3 is a process for updating the turning point of the hysteresis function in response to the input q being a maximum value or a minimum value.

ステップS4では、dq/dt≧0であるか否かを判別し、この判別がYESである場合にはステップS5に移り、NOである場合にはステップS6に移る。ステップS5では、関数f(q)に基づいてVを出力し、ヒステリシス演算処理を終了する。ステップS6では、関数g(q)に基づいてVを出力し、ヒステリシス演算処理を終了する。 In step S4, it is determined whether dq / dt ≧ 0. If this determination is YES, the process proceeds to step S5, and if NO, the process proceeds to step S6. In step S5, and outputs a V h based on a function f 1 (q), and ends the hysteresis processing. In step S6, the output V h based on a function g 2 (q), and ends the hysteresis processing.

次に、ヒステリシス関数を更新する手順について説明する。図5は、ヒステリシス演算部61におけるヒステリシス関数更新処理の手順を示すフローチャートである。   Next, a procedure for updating the hysteresis function will be described. FIG. 5 is a flowchart showing a procedure of hysteresis function update processing in the hysteresis calculation unit 61.

初めに、ヒステリシス演算部61は、q>qmaxであるか否かを判別し、この判別がYESである場合にはステップS15に移り、NOである場合にはステップS12に移る。より具体的には、所定の記憶領域に記憶された入力qの履歴に基づいて、ヒステリシス関数の転換点Pmaxに対応する入力値qmaxより大きいか否かを判別する。 First, the hysteresis calculation unit 61 determines whether or not q> q max . If this determination is YES, the process proceeds to step S15. If NO, the process proceeds to step S12. More specifically, based on the history of the input q stored in a predetermined storage area, it is determined whether or not the input value is greater than the input value q max corresponding to the turning point P max of the hysteresis function.

ステップS12では、qmin及びVh_minを更新し、ステップS13に移る。具体的には、入力されたqを極小値としてqminを更新すると共に、このqminに対するf(qmin)を演算しこれをVh_minとし、転換点Pminを更新する。 In step S12, q min and V h_min are updated, and the process proceeds to step S13. Specifically, the input q updates the q min as the minimum value, it calculates a f 1 (q min) for the q min and V H_min, updates the turning point P min.

ステップS13では、関数f(q)を平行移動し、関数f´(q)を算出し、ステップS14に移る。具体的には、図6に示すように、関数f(q)を平行移動し、上述のステップS12において更新された転換点Pminと、Pmaxとを通過する関数f´(q)を算出する。ステップS14では、算出されたf´(q)をf(q)として再定義し、図4のステップS4に移る。 In step S13, the function f 1 (q) is translated, a function f 1 ′ (q) is calculated, and the process proceeds to step S14. Specifically, as shown in FIG. 6, translated function f 1 (q), and the turning point P min that was updated in step S12 described above, the function f 1 passing through the P max '(q) Is calculated. In step S14, the calculated f 1 ′ (q) is redefined as f 1 (q), and the process proceeds to step S4 in FIG.

ステップS15では、qmax及びVh_maxを更新し、ステップS16に移る。具体的には、入力されたqを極大値としてqmaxを更新すると共に、このqmaxに対するf(qmax)を演算しこれをVh_maxとし、転換点Pmaxを更新する。 In step S15, q max and V h_max are updated, and the process proceeds to step S16. Specifically, updates the q max as the maximum value the input q, we calculate the f 2 (q max) for the q max and V H_max, updates the turning point P max.

ステップS16では、f(q)を平行移動し、関数f´(q)を算出し、ステップS17に移る。具体的には、図6に示すように、関数f(q)を平行移動し、上述のステップS15において更新された転換点Pmaxと、Pminとを通過する関数f´(q)を算出する。ステップS17では、算出されたf´(q)をf(q)として再定義し、ステップS18に移る。 In step S16, f 2 (q) is translated, a function f 2 ′ (q) is calculated, and the process proceeds to step S17. Specifically, as shown in FIG. 6, translated function f 2 (q), and the turning point P max that was updated in step S15 described above, the function f 2 which passes through the P min '(q) Is calculated. In step S17, the calculated f 2 ′ (q) is redefined as f 2 (q), and the process proceeds to step S18.

ステップS18では、f(q)を対称移動し、対応する関数g(q)を算出し、図4のステップS4に移る。具体的には、転換点Pmin及びPmaxを結ぶ直線の中点をIとして、関数f(q)を、この中点Iに関して点対称移動することにより、関数g(q)を算出する。 In step S18, f 2 (q) is moved symmetrically, the corresponding function g 2 (q) is calculated, and the process proceeds to step S4 in FIG. Specifically, the function g 2 (q) is calculated by moving the function f 2 (q) symmetrically with respect to the midpoint I, where I is the midpoint of the straight line connecting the turning points P min and P max. To do.

このf(q)の対称移動の具体例について、図7を参照して詳述する。図7は、このステップS18における関数f(q)の対称移動の具体例を示す図であり、転換点Pminを、qmin=0及びVh_min=0とする例を示す。 A specific example of this symmetrical movement of f 2 (q) will be described in detail with reference to FIG. FIG. 7 is a diagram showing a specific example of the symmetrical movement of the function f 2 (q) in step S18, and shows an example in which the turning points P min are set to q min = 0 and V h_min = 0.

先ず、転換点Pmin及びPmaxを通過する関数f(q)を、転換点Pminに関して点対称移動し、関数h(q)を算出する。具体的にはこの例では、h(q)=−f(−q)として、関数h(q)を算出する。次に、この関数h(q)を、q軸方向にqmax−qmin平行移動し、V軸方向にVh_max−Vh_min平行移動し、関数g(q)を算出する。以上のようにして、関数f(q)を対称移動及び平行移動することにより、関数g(q)が算出される。 First, the function f 2 (q) passing through the turning points P min and P max is moved point-symmetrically with respect to the turning point P min to calculate the function h 2 (q). Specifically, in this example, the function h 2 (q) is calculated as h 2 (q) = − f 2 (−q). Next, the function h 2 (q), q max -q min moved parallel to the q-axis direction, move V h_max -V h_min parallel to V h axis direction, it calculates the function g 2 (q). As described above, the function g 2 (q) is calculated by moving the function f 2 (q) symmetrically and parallelly.

<比較例>
次に、以上のように構成された圧電アクチュエータ制御装置1によって推定された圧電アクチュエータ10の変位及び荷重と、計測された変位及び荷重とを、図8〜図17を参照しながら比較する。
<Comparative example>
Next, the displacement and load of the piezoelectric actuator 10 estimated by the piezoelectric actuator control device 1 configured as described above are compared with the measured displacement and load with reference to FIGS.

図8は、圧電アクチュエータ10の変位及び荷重を計測する試験装置80の構成を示す模式図である。
試験装置80は、圧電アクチュエータ10を上述の圧電アクチュエータ制御装置10で駆動することにより変位させる駆動対象物としてのターゲット部材81と、このターゲット部材81の変位[m]を計測する変位センサ82と、圧電アクチュエータ10に発生した荷重[N]を計測する荷重センサ83と、これら圧電アクチュエータ10、ターゲット部材81、変位センサ82、及び荷重センサ83を収容する収容部材84と、を備える。
FIG. 8 is a schematic diagram showing the configuration of a test apparatus 80 that measures the displacement and load of the piezoelectric actuator 10.
The test apparatus 80 includes a target member 81 as a driving object to be displaced by driving the piezoelectric actuator 10 with the piezoelectric actuator control apparatus 10 described above, a displacement sensor 82 for measuring the displacement [m] of the target member 81, A load sensor 83 that measures a load [N] generated in the piezoelectric actuator 10, and a housing member 84 that houses the piezoelectric actuator 10, a target member 81, a displacement sensor 82, and the load sensor 83 are provided.

収容部材84は、略筒状であり、その下端部から上端部へ向かって順に、荷重センサ83、圧電アクチュエータ10、及びターゲット部材81が収容される。また、このターゲット部材81は、圧電アクチュエータ10の伸縮に応じて摺動可能になっている。この収容部材84の上端部とターゲット部材81の上端部との間には、ターゲット部材81を圧電アクチュエータ10の上端側へ常時押圧するスプリング85が介装されており、これにより、圧電アクチュエータ10は、ターゲット部材81及び荷重センサ83により挟持される。   The accommodating member 84 is substantially cylindrical, and the load sensor 83, the piezoelectric actuator 10, and the target member 81 are accommodated in order from the lower end to the upper end. The target member 81 is slidable according to the expansion and contraction of the piezoelectric actuator 10. A spring 85 that constantly presses the target member 81 toward the upper end side of the piezoelectric actuator 10 is interposed between the upper end portion of the housing member 84 and the upper end portion of the target member 81. The target member 81 and the load sensor 83 are sandwiched.

変位センサ82は、圧電アクチュエータ10に電圧が印加されていない状態におけるターゲット部材81の位置を0として、この圧電アクチュエータ10が伸張する方向に正を取るものとして、ターゲット部材81の変位を計測する。荷重センサ83は、圧電アクチュエータ10が伸張する方向に沿って作用する荷重を計測する。   The displacement sensor 82 measures the displacement of the target member 81 assuming that the position of the target member 81 in a state where no voltage is applied to the piezoelectric actuator 10 is 0, and is positive in the direction in which the piezoelectric actuator 10 extends. The load sensor 83 measures a load acting along the direction in which the piezoelectric actuator 10 extends.

また、収容部材84の上端部とターゲット部材81の上端部との間には、上述のスプリング85の他、圧電アクチュエータ10を駆動した場合にターゲット部材81により圧縮される圧縮サンプル86が設けられている。この圧縮サンプル86は、ターゲット部材82を変位させる際に、このターゲット部材81に作用する抵抗力を模したものであり、異なる材質で形成されたサンプルと交換可能となっている。つまり、この圧縮サンプル86の材質を変えることにより、ターゲット部材81に作用する抵抗力を変えることが可能となっている。   In addition to the spring 85 described above, a compressed sample 86 that is compressed by the target member 81 when the piezoelectric actuator 10 is driven is provided between the upper end portion of the housing member 84 and the upper end portion of the target member 81. Yes. The compressed sample 86 simulates a resistance force acting on the target member 81 when the target member 82 is displaced, and can be exchanged for a sample formed of a different material. That is, the resistance force acting on the target member 81 can be changed by changing the material of the compressed sample 86.

図9は、圧電アクチュエータ10に異なる電圧を印加した場合において計測された変位及び荷重の変化を示す図であり、圧縮サンプル86として、サンプル1〜3を用いた場合とサンプルを設けない場合とにおける変位及び荷重の変化を示す図である。ここで、横軸を変位[m−6]とし、縦軸を荷重[N]とする。また、サンプル1〜3は、それぞれ、サンプル1,2,3の順で、その剛性が低くなるような材質のものを用いる。 FIG. 9 is a diagram showing changes in displacement and load measured when different voltages are applied to the piezoelectric actuator 10, and in the case where the samples 1 to 3 are used as the compression sample 86 and the case where no sample is provided. It is a figure which shows the change of a displacement and a load. Here, the horizontal axis is displacement [m −6 ], and the vertical axis is load [N]. Samples 1 to 3 are made of materials whose rigidity decreases in the order of samples 1, 2, and 3, respectively.

圧電アクチュエータ10には、該圧電アクチュエータ10を駆動する電圧が、そのピーク値が予め定められた最大値となるように、所定の時間に亘ってパルス状に印加される。ここで、図9には、印加電圧の最大値を、20,40,60,80,100,120,140[V]とした場合における変位及び荷重の変化を示している。   A voltage for driving the piezoelectric actuator 10 is applied to the piezoelectric actuator 10 in a pulse shape over a predetermined time so that the peak value becomes a predetermined maximum value. Here, FIG. 9 shows changes in displacement and load when the maximum value of the applied voltage is 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140 [V].

図9に示すように、圧電アクチュエータ10に印加する電圧を所定の時間に亘って変化させると、これに伴い変位センサ82及び荷重センサ83により計測された変位及び荷重はヒステリシスを描く。また、圧電アクチュエータ10に印加する電圧の最大値を大きくするに従い、変位センサ82及び荷重センサ83により計測される変位及び荷重の最大値も大きくなる。また、圧縮サンプル86の剛性が小さくなるに従い、荷重センサ82によって計測される荷重の最大値は小さくなると共に、変位センサ82によって計測される変位も大きくなる。   As shown in FIG. 9, when the voltage applied to the piezoelectric actuator 10 is changed over a predetermined time, the displacement and the load measured by the displacement sensor 82 and the load sensor 83 draw a hysteresis. Further, as the maximum value of the voltage applied to the piezoelectric actuator 10 is increased, the maximum values of displacement and load measured by the displacement sensor 82 and the load sensor 83 are also increased. Further, as the rigidity of the compressed sample 86 becomes smaller, the maximum load value measured by the load sensor 82 becomes smaller and the displacement measured by the displacement sensor 82 becomes larger.

また、圧縮サンプル86として、サンプルを設けていない場合には、圧電アクチュエータ10の伸張に対抗して該圧電アクチュエータ10を荷重センサ83に押圧する部材は、スプリング85のみであるため、変位は最大印加電圧の大きさにかかわらず略0となる。   Further, when no sample is provided as the compressed sample 86, the only member that presses the piezoelectric actuator 10 against the load sensor 83 against the expansion of the piezoelectric actuator 10 is the spring 85, so that the maximum displacement is applied. It is substantially 0 regardless of the magnitude of the voltage.

次に、図10〜図17を参照して、以上のように印加電圧の最大値を変化させた場合における、変位センサ82及び荷重センサ83により計測された変位及び荷重と、圧電アクチュエータ制御装置1により推定された変位及び荷重とを比較する。   Next, referring to FIGS. 10 to 17, the displacement and load measured by the displacement sensor 82 and the load sensor 83 and the piezoelectric actuator control device 1 when the maximum value of the applied voltage is changed as described above. Compare the estimated displacement and load.

ここで、図10〜図17の各々において、図中の上段のグラフは、従来の圧電アクチュエータ制御装置により推定された変位又は荷重と計測された変位又は荷重との比較例を示し、図中の下段のグラフは、上述の圧電アクチュエータ制御装置1により推定された変位又は荷重と計測された変位又は荷重との比較例を示す。   Here, in each of FIG. 10 to FIG. 17, the upper graph in the figure shows a comparative example of the displacement or load estimated by the conventional piezoelectric actuator control device and the measured displacement or load. The lower graph shows a comparative example of the displacement or load estimated by the piezoelectric actuator control device 1 and the measured displacement or load.

ここで、従来の圧電アクチュエータ制御装置とは、ヒステリシス関数の非対称性が考慮されていない上述の数5及び数6に基づいて変位及び荷重を推定する圧電アクチュエータ制御装置のことを示す。   Here, the conventional piezoelectric actuator control device refers to a piezoelectric actuator control device that estimates displacement and load based on the above formulas 5 and 6 in which asymmetry of the hysteresis function is not considered.

図10及び図11は、それぞれ、試験装置80の圧縮サンプル86として最も剛性が高いサンプル1を用いた場合における変位及び荷重の時間変化を示す図である。図12及び図13は、それぞれ、試験装置80の圧縮サンプル86として2番目に剛性が高いサンプル2を用いた場合における変位及び荷重の時間変化を示す図である。図14及び図15は、それぞれ、試験装置80の圧縮サンプル86として最も剛性が低いサンプル3を用いた場合における変位及び荷重の時間変化を示す図である。また、図16及び図17は、それぞれ、試験装置80に圧縮サンプル86を設けていない場合における変位及び荷重の時間変化を示す図である。   FIGS. 10 and 11 are diagrams showing temporal changes in displacement and load when the sample 1 having the highest rigidity is used as the compressed sample 86 of the test apparatus 80, respectively. FIG. 12 and FIG. 13 are diagrams showing temporal changes in displacement and load when the sample 2 having the second highest rigidity is used as the compressed sample 86 of the test apparatus 80, respectively. FIGS. 14 and 15 are diagrams showing temporal changes in displacement and load when the sample 3 having the lowest rigidity is used as the compressed sample 86 of the test apparatus 80, respectively. FIGS. 16 and 17 are diagrams showing temporal changes in displacement and load when the test apparatus 80 is not provided with the compressed sample 86, respectively.

また、図10〜図17において、実線は、各最大電圧に対して変位センサ82又は荷重センサ83により計測された変位又は荷重の時間変化を示し、複数のドットで構成された破線は、各最大電圧に対して推定された変位又は荷重の時間変化を示す。   In FIGS. 10 to 17, the solid line indicates the time change of the displacement or load measured by the displacement sensor 82 or the load sensor 83 with respect to each maximum voltage, and the broken line composed of a plurality of dots indicates each maximum voltage. It shows the time variation of displacement or load estimated with respect to voltage.

図10,12,14,16に示すように、圧電アクチュエータ制御装置1により推定された変位の時間変化(図中の下段のグラフ参照)は、従来の圧電アクチュエータ制御装置により推定された変位の時間変化(図中の上段のグラフ参照)と比較して、実線で示す計測された変位の時間変化に対してより近い。つまり、圧電アクチュエータ制御装置1による変位の推定性能は、従来の圧電アクチュエータ制御装置と比較して向上している。これら図10,12,14,16に示すように、この推定性能は、圧縮サンプル86の材質、すなわち、ターゲット部材81に作用する抵抗の大きさにかかわらず向上する。また、この推定性能は、圧電アクチュエータ10に印加する電圧の最大値にかかわらず向上する。   As shown in FIGS. 10, 12, 14, and 16, the time variation of displacement estimated by the piezoelectric actuator control device 1 (see the lower graph in the figure) is the displacement time estimated by the conventional piezoelectric actuator control device. Compared to the change (refer to the upper graph in the figure), it is closer to the time change of the measured displacement indicated by the solid line. That is, the displacement estimation performance by the piezoelectric actuator control device 1 is improved as compared with the conventional piezoelectric actuator control device. As shown in FIGS. 10, 12, 14, and 16, the estimated performance is improved regardless of the material of the compressed sample 86, that is, the magnitude of the resistance acting on the target member 81. Further, this estimated performance is improved regardless of the maximum value of the voltage applied to the piezoelectric actuator 10.

また、これらの図10,12,14,16において、破線で囲まれた領域70,72,74,76、すなわち、変位が最大値となってから0へ向けて収束する領域において、変位の推定性能が特に向上する。これは、圧電アクチュエータ制御装置1は、圧電アクチュエータ10のヒステリシスの非対称性を考慮したためである。   In these FIGS. 10, 12, 14, and 16, the displacements are estimated in the regions 70, 72, 74, and 76 surrounded by the broken lines, that is, in the regions where the displacements converge toward 0 after reaching the maximum value. The performance is particularly improved. This is because the piezoelectric actuator control device 1 considers the hysteresis asymmetry of the piezoelectric actuator 10.

図11,13,15,17に示すように、圧電アクチュエータ制御装置1により推定された荷重の時間変化(図中の下段のグラフ参照)は、従来の圧電アクチュエータ制御装置により推定された荷重の時間変化(図中の上段のグラフ参照)と比較して、実線で示す計測された荷重の時間変化に対してより近い。つまり、圧電アクチュエータ制御装置1による荷重の推定性能は、従来の圧電アクチュエータ制御装置と比較して向上している。これら図11,13,15,17に示すように、この推定性能は、圧縮サンプル86の材質、すなわち、ターゲット部材81に作用する抵抗の大きさにかかわらず向上する。また、この推定性能は、圧電アクチュエータ10に印加する電圧の最大値にかかわらず向上する。   As shown in FIGS. 11, 13, 15, and 17, the time change of the load estimated by the piezoelectric actuator control device 1 (see the lower graph in the figure) is the load time estimated by the conventional piezoelectric actuator control device. Compared to the change (see the upper graph in the figure), it is closer to the time change of the measured load indicated by the solid line. That is, the load estimation performance by the piezoelectric actuator control device 1 is improved as compared with the conventional piezoelectric actuator control device. As shown in FIGS. 11, 13, 15, and 17, the estimated performance is improved regardless of the material of the compressed sample 86, that is, the magnitude of the resistance acting on the target member 81. Further, this estimated performance is improved regardless of the maximum value of the voltage applied to the piezoelectric actuator 10.

また、これら図11,13,15,17において、破線71,73,75,77、すなわち、荷重が最大値となってから0へ向けて収束する領域において、荷重の推定性能が特に向上する。これは、圧電アクチュエータ制御装置1は、圧電アクチュエータ10のヒステリシスの非対称性を考慮したためである。   In FIGS. 11, 13, 15, and 17, the load estimation performance is particularly improved in the broken lines 71, 73, 75, and 77, that is, in the region where the load converges toward 0 after reaching the maximum value. This is because the piezoelectric actuator control device 1 considers the hysteresis asymmetry of the piezoelectric actuator 10.

以上、この発明の実施形態につき、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。   The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and includes a design and the like within a scope not departing from the gist of the present invention.

本発明の圧電アクチュエータの制御方法に係る一実施形態としての圧電アクチュエータ制御装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the piezoelectric actuator control apparatus as one Embodiment which concerns on the control method of the piezoelectric actuator of this invention. 前記圧電アクチュエータ制御装置の変位荷重推定部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the displacement load estimation part of the said piezoelectric actuator control apparatus. 関数f(q)及びf(q)に基づいて構成されるヒステリシス関数を示す図である。It is a diagram showing a hysteresis function configured based on a function f 1 (q) and f 2 (q). 前記実施形態に係る圧電アクチュエータ制御装置のヒステリシス演算処理の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the hysteresis calculation process of the piezoelectric actuator control apparatus which concerns on the said embodiment. 前記実施形態に係る圧電アクチュエータ制御装置のヒステリシス関数更新処理の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the hysteresis function update process of the piezoelectric actuator control apparatus which concerns on the said embodiment. 関数f´(q)及びf´(q)に基づいて構成されるヒステリシス関数を示す図である。Is a diagram showing a hysteresis function configured based on a function f 1 '(q) and f 2' (q). 関数f(q)の対称移動の具体例を示す図である。It is a diagram showing a specific example of a symmetrical movement of the function f 2 (q). 圧電アクチュエータの変位及び荷重を計測する試験装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the test apparatus which measures the displacement and load of a piezoelectric actuator. 圧電アクチュエータに異なる電圧を印加した場合において計測された変位及び荷重の変化を示す図である。It is a figure which shows the displacement and load change which were measured when a different voltage was applied to a piezoelectric actuator. 圧縮サンプルとして最も剛性が高いサンプルを用いた場合における変位の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the displacement at the time of using the sample with the highest rigidity as a compression sample. 圧縮サンプルとして最も剛性が高いサンプルを用いた場合における荷重の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the load at the time of using the sample with the highest rigidity as a compression sample. 圧縮サンプルとして2番目に剛性が高いサンプルを用いた場合における変位の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the displacement at the time of using the sample with the 2nd highest rigidity as a compression sample. 圧縮サンプルとして2番目に剛性が高いサンプルを用いた場合における荷重の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the load in the case of using the sample with the 2nd highest rigidity as a compression sample. 圧縮サンプルとして最も剛性が低いサンプルを用いた場合における変位の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the displacement at the time of using the sample with the lowest rigidity as a compression sample. 圧縮サンプルとして最も剛性が低いサンプルを用いた場合における荷重の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of a load in case the sample with the lowest rigidity is used as a compression sample. 圧縮サンプルを設けていない場合における変位の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the displacement in the case where the compression sample is not provided. 圧縮サンプルを設けていない場合における荷重の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the load in the case where the compression sample is not provided. 圧電素子の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of a piezoelectric element. 積層型の圧電アクチュエータの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of a laminated type piezoelectric actuator. 電気機械モデルの構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of an electromechanical model. 機械モデルの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of a machine model. n=1の場合における機械モデルの変位xと力Fとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the displacement x and force F of a machine model in the case of n = 1. 複数の要素を並列した機械モデルの変位xと力Fとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the displacement x of the mechanical model which arranged the some element in parallel, and force F. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1…圧電アクチュエータ制御装置、10…圧電アクチュエータ、20…F/B制御部、30…アクチュエータ駆動部、50…検出部、60…変位荷重推定部、61…ヒステリシス演算部、62…変位量演算部、63…第1増幅器、65…第2増幅器、66…第1減算器、67…第2減算器。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Piezoelectric actuator control apparatus, 10 ... Piezoelectric actuator, 20 ... F / B control part, 30 ... Actuator drive part, 50 ... Detection part, 60 ... Displacement load estimation part, 61 ... Hysteresis calculation part, 62 ... Displacement amount calculation part 63... First amplifier 65. Second amplifier 66. First subtractor 67.

Claims (1)

圧電アクチュエータに印加された電圧及び誘起された電荷を入力として、該圧電アクチュエータの変位及び荷重を推定し、該推定された変位及び荷重に基づいて圧電アクチュエータに印加する電圧または電荷量を設定する圧電アクチュエータの制御方法であって、
前記圧電アクチュエータの非線形性を考慮したアクチュエータモデルの支援下で、少なくとも次の2つの関数f(q)及びf(q)含む複数の関数に基づいて構成されるヒステリシス関数に基づいて、変位及び荷重を推定することを特徴とする圧電アクチュエータの制御方法。
Figure 2008245339
ただし、qは変数とし、a,b,c,a,b,cは定数とする。
A piezoelectric device that estimates the displacement and load of the piezoelectric actuator using the voltage and induced charge applied to the piezoelectric actuator as inputs, and sets the voltage or charge amount to be applied to the piezoelectric actuator based on the estimated displacement and load. An actuator control method comprising:
Displacement based on a hysteresis function configured based on a plurality of functions including at least the following two functions f 1 (q) and f 2 (q) with the assistance of an actuator model that takes into account the nonlinearity of the piezoelectric actuator And a method of controlling the piezoelectric actuator, wherein the load is estimated.
Figure 2008245339
However, q is a variable, and a 1 , b 1 , c 1 , a 2 , b 2 , and c 2 are constants.
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