JP5284005B2 - Control method of piezoelectric actuator - Google Patents
Control method of piezoelectric actuator Download PDFInfo
- Publication number
- JP5284005B2 JP5284005B2 JP2008215296A JP2008215296A JP5284005B2 JP 5284005 B2 JP5284005 B2 JP 5284005B2 JP 2008215296 A JP2008215296 A JP 2008215296A JP 2008215296 A JP2008215296 A JP 2008215296A JP 5284005 B2 JP5284005 B2 JP 5284005B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piezoelectric actuator
- displacement
- load
- voltage
- hysteresis
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 33
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 119
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 25
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 23
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 9
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 4
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
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/又は荷重を推定し、該推定された変位及び/又は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, and the displacement and / or load of the piezoelectric actuator is estimated, and the piezoelectric actuator is determined based on the estimated displacement and / or load. The present invention relates to a method for controlling a piezoelectric actuator that sets a voltage to be applied.
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/又は荷重の情報を、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/又は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 control the displacement and / or load information of the piezoelectric actuator by feeding it back to the applied voltage. However, in order to perform such feedback control, it is necessary to provide a sensor for detecting a mechanical amount such as displacement and / or 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
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
先ず、第1の方法について、図16及び図17を参照しながら説明する。
図16は、1つの圧電素子を示す模式図である。図16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D3及び電界強度E3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T3の応力及びS3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D3、電界強度E3、応力T3、及び歪みS3に対して次の関係式が導出される。
FIG. 16 is a schematic diagram showing one piezoelectric element. As shown in FIG. 16, when a predetermined voltage is applied from the upper and lower ends of the 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 .
図17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16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。 FIG. 17 is a schematic diagram showing the 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.
ここで、qは各電極に誘起された電荷量であり、q=D3A2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=E3dで示される。xは変位であり、x=ndS3で示される。Fは荷重であり、T3Aで示される。また、α=Knd33とし、C’=C−(nd33)2K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
次に、非特許文献2に記載された第2の方法について、図18〜図21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
図18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18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. 18 is a circuit diagram illustrating a configuration of an electromechanical model of the piezoelectric actuator disclosed in Non-Patent
機械要素91は、質量0の物体をばね定数KE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FP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18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。
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
図19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Ki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fi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Fi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. 19 is a schematic diagram showing a configuration of a mechanical model (Maxwell Slip Model) equivalent to the
図20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21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20及び図21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20及び図21を比較すると、図20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ki及びfi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21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. 20 is a diagram showing the relationship between the displacement x of the machine model and the force F when n = 1, and FIG. 21 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. 20 and 21, hysteresis occurs between the displacement x and the force F. 20 and 21 are compared, in the example shown in FIG. 20, 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 the 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18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。
Returning to FIG. 18, 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
ここで、MRC要素92間の電位差Vhは、上述の機械モデルからの類推により、νi及びCiを定数として、次式により記述される。
Here, the potential difference V h between the
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Vh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νi及びCi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。
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νi及びCi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νi及びCi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
また、図20及び図21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。
As shown in FIGS. 20 and 21, 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
さらに、電源投入後第1回目の電圧印加後に残留変位が生じる場合に、第1回目の変位軌跡と第2回目以降の変位軌跡とが異なることを考慮したモデルは存在しない。 Further, when residual displacement occurs after the first voltage application after the power is turned on, there is no model that takes into account that the first and second displacement loci are different.
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、圧電アクチュエータの非線形性及び変位軌跡の違いを考慮しつつ、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 into account the nonlinearity and displacement trajectory of the piezoelectric actuator. To do.
(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/又は荷重を推定し、該推定された変位及び/又は荷重に基づいて圧電アクチュエータに印加する電圧又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に印加された電圧及び誘起された電荷から、少なくとも次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/又は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。
(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/又は荷重に基づいて決定される。またここで、変位及び/又は荷重を推定する際には、数7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 / or load of the piezoelectric actuator. Here, when the displacement and / or load is estimated, the displacement and / or load is estimated based on a hysteresis function configured based on Equation 7. 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3つ(α,a,Vhmax)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
また、電源投入後第1回目の電圧印加後には残留変位が生じることがあり、残留変位の影響による特性を数7のヒステリシス関数によって考慮することにより、第2回目以降の電圧印加を精度よく表現することができるので、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/又は荷重の推定精度を向上させることができる。 Further, residual displacement may occur after the first voltage application after the power is turned on, and the second and subsequent voltage application can be accurately expressed by taking into account the characteristics due to the effect of the residual displacement using the hysteresis function of Equation 7. Therefore, it is possible to improve the estimation accuracy of displacement and / or load by modeling a more realistic piezoelectric actuator.
(2) qの変化量(dq/dt)の正負に応じて、定数α,a,Vhmaxが設定されることを特徴とする圧電アクチュエータの制御方法。 (2) A method for controlling a piezoelectric actuator, wherein constants α, a, and V hmax are set in accordance with the sign of q change amount (dq / dt).
(2)に記載の発明によれば、qの変化量(dq/dt)の正負に応じて、例えば、dq/dt≧0の場合とdq/dt<0の場合とで定数を切り換えることにより、ヒステリシスループを非対称なものとして表現することができるので、より現実に近い圧電アクチュエータをモデル化でき、変位及び/又は荷重の推定精度を向上させることができる。 According to the invention described in (2), depending on whether the amount of change in q (dq / dt) is positive or negative, for example, by switching the constant between dq / dt ≧ 0 and dq / dt <0. Since the hysteresis loop can be expressed as asymmetric, a more realistic piezoelectric actuator can be modeled, and the displacement and / or load estimation accuracy can be improved.
(3) 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/又は荷重を推定し、該推定された変位及び/又は荷重に基づいて圧電アクチュエータに印加する電圧又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に印加された電圧及び誘起された電荷から、少なくとも一つのヒステリシス関数を用いて、変位及び/又は荷重を推定し、前記ヒステリシス関数は、電源投入後第1回目の電圧印加による軌跡と第2回目の電圧印加による軌跡とが異なることを特徴とする圧電アクチュエータの制御方法。 (3) The voltage applied to the piezoelectric actuator and the induced charge are input, the displacement and / or load of the piezoelectric actuator is estimated, and the voltage applied to the piezoelectric actuator based on the estimated displacement and / or load. Alternatively, a method for controlling a piezoelectric actuator that sets a charge amount, wherein a displacement and / or a load is estimated from at least one hysteresis function from a voltage applied to the piezoelectric actuator and an induced charge, and the hysteresis The function is a method of controlling a piezoelectric actuator, wherein a trajectory due to the first voltage application after power-on is different from a trajectory due to the second voltage application.
(3)に記載の発明によれば、上記(1)と同様に、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、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。また、残留変位の影響による特性を考慮することにより、第2回目以降の電圧印加を精度よく表現することができるので、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/又は荷重の推定精度を向上させることができる。
According to the invention described in (3), similarly to the above (1), the piezoelectric actuator can be controlled in consideration of its hysteresis, and an electric machine based on the Maxwell Slip Model shown in
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/又は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 / or load.
さらに、残留変位の影響による特性を考慮することにより、第2回目以降の電圧印加を精度よく表現することができるので、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/又は荷重の推定精度を向上させることができる。 Furthermore, since the voltage application after the second time can be accurately expressed by considering the characteristics due to the effect of the residual displacement, the displacement and / or load can be reduced by modeling a more realistic piezoelectric actuator. The estimation accuracy can be improved.
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/又は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
F/B制御部20は、入力された目標変位及び/又は目標荷重と、変位荷重推定部60により推定された推定変位及び/又は推定荷重と、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/又は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又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 /
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7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
ここで、上式8はヒステリシス関数である。より具体的には、この変位荷重推定部60は、上述の微分方程式に基づいて電圧Vh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。
Here, the above equation 8 is a hysteresis function. More specifically, the displacement
ヒステリシス演算部61は、電荷qを入力として、後に図4を参照して詳述する手順により電圧Vh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Vhを減算し、VCを出力する。変位量演算部62は、入力されたVC及びqに基づいて、(q−C’VC)/KE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KE倍し出力する。第2減算器67は、入力されたKEx−αVC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。なお、変位荷重推定部60は、変位x又は荷重Fのいずれか一方のみの推定を行うこともできる。
The
次に、図3、図4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微分方程式に基づいてVhを出力する。ここで、関数dq/dtは、次の関数に基づいて記述されるヒステリシス関数によりVhを演算する。
Next, the configuration of the
図3は、数9の関数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、電源投入後第1回目の電圧印加によって、P0(q0=0,Vh=0)からPmax(qmax,Vhmax)までループし、第1回目の戻りは残留変位の影響によりP0ではなくPmin(qmin,Vhmin)までループする。第2回目以後は、PminからPmaxのループ、PmaxからPminのループを交互に繰り返す。
FIG. 3 is a diagram illustrating a hysteresis function configured based on the function of
ヒステリシス演算部61は、ヒステリシス関数により、入力qに対するVhを演算する。ここで、ヒステリシス関数は、qの変化量が大きくなる場合、すなわちdq/dt≧0である場合には、定数α=α1,a=a1,Vhmax=Vhmax1に基づいてVhを決定し、qの変化量が小さくなる場合、すなわちdq/dt<0である場合には、定数α=α2,a=a2,Vhmax=Vhmax2に基づいてVhを決定する。すなわち、qの変化量の増減に応じて各定数を設定することで、非対称なヒステリシスループを表現することができる。なお、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。
The
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Vh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
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、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S3に移り、NOである場合にはステップS4に移る。ステップS3では、定数α=α1,a=a1,Vhmax=Vhmax1に基づいてVhを出力し、ヒステリシス演算処理を終了する。ステップS4では、定数α=α2,a=a2,Vhmax=Vhmax2に基づいてVhを出力し、ヒステリシス演算処理を終了する。
First, the
なお、図5は、(a)が入力電圧の時間変化を示す図であり、(b)が変位の時間変化を示す図である。入力電圧の時間変化が一定であるにも関わらず、変位が0に戻っていないことから、第1回目の電圧印加後に残留変位が生じていることが分かる。 FIG. 5A is a diagram showing the time change of the input voltage, and FIG. 5B is a diagram showing the time change of the displacement. Although the time change of the input voltage is constant, the displacement does not return to 0, which indicates that a residual displacement has occurred after the first voltage application.
<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6〜図15を参照しながら比較する。
<Comparative example>
Next, the displacement and load of the
図6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。
FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of a
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。
The
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
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
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
図7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. 7 is a diagram showing changes in displacement and load measured when different voltages are applied to the
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7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
図7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. 7, when the voltage applied to the
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
次に、図8〜図15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. 8 to 15, the displacement and load measured by the
ここで、図8〜図15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 FIGS. 8 to 15, 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
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
図8及び図9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14及び図15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. 8 and 9 are diagrams showing temporal changes in displacement and load when the
また、図8〜図15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. 8 to 15, the solid line indicates the time variation of the displacement or load measured by the
図8,10,12,14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8,10,12,14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. 8, 10, 12, and 14, the time variation of the 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
また、これらの図8,10,12,14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. 8, 10, 12, and 14, the displacements are estimated in the
図9,11,13,15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9,11,13,15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. 9, 11, 13, and 15, 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
また、これら図9,11,13,15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。
9, 11, 13, and 15, the load estimation performance is particularly improved in the
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 embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to the embodiments, and includes designs and the like that do not depart from the gist of the present invention.
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
Claims (2)
前記圧電アクチュエータに印加された電圧V及び誘起された電荷qから、少なくとも次の[数1]で表現される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、電圧Vhを算出し、少なくとも次の[数2]で表現される関係式に基いて、変位x及び荷重F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。
From the voltage V applied to the piezoelectric actuator and the induced charge q, the voltage Vh is calculated based on a hysteresis function configured based on at least the function expressed by the following [Equation 1], and at least A method for controlling a piezoelectric actuator, wherein the displacement x and the load F are estimated based on a relational expression expressed by [Equation 2] .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008215296A JP5284005B2 (en) | 2008-08-25 | 2008-08-25 | Control method of piezoelectric actuator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008215296A JP5284005B2 (en) | 2008-08-25 | 2008-08-25 | Control method of piezoelectric actuator |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2010050382A JP2010050382A (en) | 2010-03-04 |
JP5284005B2 true JP5284005B2 (en) | 2013-09-11 |
Family
ID=42067214
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008215296A Expired - Fee Related JP5284005B2 (en) | 2008-08-25 | 2008-08-25 | Control method of piezoelectric actuator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5284005B2 (en) |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2270892B1 (en) | 2008-04-18 | 2016-02-24 | NGK Insulators, Ltd. | Method and apparatus for testing a piezoelectric/electrostrictive actuator, and method for adjusting the actuator |
CN105159069B (en) * | 2015-08-03 | 2017-03-29 | 北京理工大学 | A kind of displacement control method of piezoelectric ceramic actuator |
CN105846712A (en) * | 2016-04-26 | 2016-08-10 | 南京理工大学 | Piezoelectric driving power supply based on inductive charge feedback and control method thereof |
CN108846191B (en) * | 2018-06-07 | 2022-04-15 | 哈尔滨工业大学 | Distributed parameter saturated capacitance model modeling method for piezoelectric ceramic actuator |
CN110868193B (en) * | 2019-11-13 | 2022-06-10 | 宁波大学 | Self-sensing method for output displacement and output force of piezoelectric actuator |
CN114047703B (en) * | 2021-12-01 | 2024-02-23 | 吉林大学 | Model-free self-adaptive control method of piezoelectric ceramic micro-positioning platform |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH05129676A (en) * | 1991-11-05 | 1993-05-25 | Toyota Motor Corp | Manufacture of piezoelectric laminated structure |
JPH05327052A (en) * | 1992-05-25 | 1993-12-10 | Olympus Optical Co Ltd | Piezoelectric body controller |
DE10143501C1 (en) * | 2001-09-05 | 2003-05-28 | Siemens Ag | Method for controlling a piezo-operated fuel injection valve |
JP5041405B2 (en) * | 2007-03-23 | 2012-10-03 | 本田技研工業株式会社 | Control method of piezoelectric actuator |
-
2008
- 2008-08-25 JP JP2008215296A patent/JP5284005B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2010050382A (en) | 2010-03-04 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5284005B2 (en) | Control method of piezoelectric actuator | |
JP5041405B2 (en) | Control method of piezoelectric actuator | |
Aguirre et al. | Asymmetric-hysteresis compensation in piezoelectric actuators | |
Chen et al. | Rhombic micro-displacement amplifier for piezoelectric actuator and its linear and hybrid model | |
Abidi et al. | Sliding-mode control for high-precision motion of a piezostage | |
Georgiou et al. | Electromechanical modeling of piezoceramic actuators for dynamic loading applications | |
Mansour et al. | Piezoelectric bimorph actuator with integrated strain sensing electrodes | |
JP5486832B2 (en) | Mechanical output measurement evaluation method, control method of piezoelectric actuator, and apparatus using these methods | |
Milecki et al. | Application of geometry based hysteresis modelling in compensation of hysteresis of piezo bender actuator | |
Miri et al. | A comparative study of different physics-based approaches to modelling of piezoelectric actuators | |
Manjunath et al. | Vibration control of Timoshenko smart structures using multirate output feedback based discrete sliding mode control for SISO systems | |
JP6920114B2 (en) | Current sensor | |
Feng et al. | Stability results for piezoelectric beams with long‐range memory effects in the boundary | |
Kusculuoglu et al. | Nonlinear modeling of composite plates with piezoceramic layers using finite element analysis | |
Muralidhara et al. | Displacement characteristics of a piezoactuator-based prototype microactuator with a hydraulic displacement amplification system | |
Ivan et al. | Self-sensing measurement in piezoelectric cantilevered actuators for micromanipulation and microassembly contexts | |
Rasid et al. | Dynamic modeling of a piezoelectric micro-lens actuator with experimental validation | |
Myers et al. | Designing piezoelectric interdigitated microactuators using finite element analysis | |
JP6041309B2 (en) | Pressure sensor | |
Fallahinia et al. | Robust control of piezoelectric micro positioning actuator using self-sensing method | |
CN117649903B (en) | Dynamic hysteresis neural network modeling and prediction method for intelligent material device | |
Nguyen et al. | Open-loop position tracking control of a piezoceramic flexible beam using a dynamic hysteresis compensator | |
Rhode-Barbarigos et al. | Modeling dielectric-elastomer minimum-energy structures using dynamic relaxation with appropriate material behavior | |
Sung et al. | A Method of Hysteresis Modeling and Traction Control for a Piezoelectric Actuator | |
Gu et al. | Modeling of piezoelectric-actuated nanopositioning stages involving with the hysteresis |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20101125 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20130131 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130212 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20130410 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20130507 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20130529 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |