JP5284005B2 - Control method of piezoelectric actuator - Google Patents

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  • 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 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 0005284005
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。 First, the first method will be described with reference to FIGS. 16 and 17.
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 .
Figure 0005284005
Here, Y is the Young's modulus of the element, ε 33 is the dielectric constant, and d 33 is the piezoelectric constant.

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.

Figure 0005284005
Figure 0005284005

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 nonpatent literature 2 is demonstrated, referring FIGS. 18-21. 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 Document 2. As shown in FIG. 18, the electromechanical model includes a capacitor C ′, a converter T that converts electrical energy into mechanical energy, a mechanical element 91 coupled 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。 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. 18, the following equation is derived considering only the elements surrounded by the broken line 99, that is, the elements composed of the capacitor C ′, the converter T, and the mechanical element 91.

Figure 0005284005
Figure 0005284005

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 a broken line 99 that describes the linear behavior of the piezoelectric actuator. Including.

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. 19 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 0005284005
Figure 0005284005

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 MRC element 92 equivalent to the above mechanical model, the following expression is obtained. become.

Figure 0005284005
Figure 0005284005

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 0005284005
Figure 0005284005

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 Document 2 is not a model that reproduces the behavior of an actual piezoelectric actuator.

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。

Figure 0005284005
ただし、q,Vhは変数とし、α,a,Vhmaxは定数とする。 (1) 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 an amount of charge, wherein a displacement and / or based on a hysteresis function configured based on at least the following function from a voltage applied to the piezoelectric actuator and an induced charge: A method for controlling a piezoelectric actuator, characterized by estimating a load.
Figure 0005284005
However, q and Vh are variables, and α, a, and Vhmax 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/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 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, the number of parameters that need to be input in Equation 7 is three (α, a, V hmax ). 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、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 Non-Patent Document 2 Compared with the model, the nonlinearity of the piezoelectric actuator can be reproduced with a smaller number of parameters, so that the piezoelectric actuator can be driven stably without providing a calculator capable of high-speed calculation. Moreover, since the voltage application after the second time can be accurately expressed by considering the characteristics due to the influence of the residual displacement, the displacement and / or the load can be reduced by modeling a more realistic piezoelectric actuator. The estimation accuracy can be improved.

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 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 displacement and / or 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/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 / B control unit 20 calculates the difference between the input target displacement and / or target load and the estimated displacement and / or estimated load estimated by the displacement load estimation unit 60, and the displacement of the piezoelectric actuator 10 And / or the target voltage or target charge amount applied to the piezoelectric actuator 10 is set so that the load quickly converges 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 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 7 above. More specifically, the displacement load estimation unit 60 estimates the displacement x and the load F based on the following equation.

Figure 0005284005
Figure 0005284005

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。 Here, the above equation 8 is a hysteresis function. More specifically, the displacement load estimation unit 60 includes a hysteresis calculating portion 61 for calculating the voltage V h based on the differential equations discussed above, the displacement calculating unit 62 which calculates the amount of displacement x, the. 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。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 hysteresis calculating unit 61 receives the charge q and calculates the voltage V h according to a procedure described in detail later with reference to FIG. 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. Note that the displacement load estimation unit 60 can also estimate only one of the displacement x and the load F.

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V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Vを演算する。 Next, the configuration of the hysteresis calculation 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 differential equations considering hysteresis. Here, the function dq / dt calculates V h by a hysteresis function described based on the following function.

Figure 0005284005
ただし、q,Vhは変数とし、α,a,Vhmaxは定数とする。
Figure 0005284005
However, q and Vh are variables, and α, a, and Vhmax are constants.

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、P(q=0,V=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P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 Equation 9. Specifically, the first voltage application after power-on loops from P 0 (q 0 = 0, V h = 0) to P max (q max , V hmax ), and the first return remains. Due to the influence of the displacement, it loops to P min (q min , V hmin ) instead of P 0 . After the second time, a loop from P min to P max and a loop from P max to P min are alternately repeated.

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V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=α,a=a,Vhmax=Vhmax1に基づいてV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=α,a=a,Vhmax=Vhmax2に基づいてV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 hysteresis calculation unit 61 calculates V h for the input q using a hysteresis function. Here, when the amount of change in q becomes large, that is, when dq / dt ≧ 0, the hysteresis function sets V h based on constants α = α 1 , a = a 1 , V hmax = V hmax1. When q is changed and dq / dt <0, V h is determined based on constants α = α 2 , a = a 2 , and V hmax = V hmax 2 . That is, an asymmetric hysteresis loop can be expressed by setting each constant according to the increase or decrease in the amount of change in q. The intersection points P min and P max 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、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=α,a=a,Vhmax=Vhmax1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S4では、定数α=α,a=a,Vhmax=Vhmax2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。 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 or not dq / dt ≧ 0. If this determination is YES, the process proceeds to step S3, and if NO, the process proceeds to step S4. In step S3, the outputs V h based on the constant α = α 1, a = a 1, V hmax = V hmax1, ends the hysteresis processing. In step S4, the outputs V h based on the constant α = α 2, a = a 2, V hmax = V hmax2, ends the hysteresis processing.

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 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 test apparatus 80 that measures the displacement and load of the piezoelectric actuator 10.

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 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 piezoelectric actuator 10. 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 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. 7 shows changes in displacement and load when the maximum value of the applied voltage is 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140 [V].

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 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 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 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 sample 1 having the highest rigidity is used as the compressed sample 86 of the test apparatus 80, respectively. FIGS. 10 and 11 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. 12 and 13 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. FIG. 14 and FIG. 15 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 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 actuator control device 1 is improved as compared with the conventional piezoelectric actuator control device. As shown in FIGS. 8, 10, 12, and 14, 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 regions 70, 72, 74, and 76 surrounded by the broken lines, that is, in the regions where the displacement converges 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 actuator control device 1 is improved as compared with the conventional piezoelectric actuator control device. As shown in FIGS. 9, 11, 13, and 15, 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 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 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.

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dq/dt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 figure which shows the hysteresis function comprised based on the function dq / dt. 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. 第1回目の電圧印加後に残留変位が生じていることを説明するための図である。It is a figure for demonstrating that the residual displacement has arisen after the voltage application of the 1st time. 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.

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 (2)

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を入力として、該圧電アクチュエータの変位x及び荷重Fを推定し、該推定された変位x及び荷重F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 0005284005
式中、は誘起された電荷、Vhはヒステリシス関数から算出される電圧であって、q、Vhは変数とし、α、a、Vhmaxは定数を表す。

Figure 0005284005
式中、xは変位、Fは荷重、Vは印加された電圧、は誘起された電荷とし、K 、α、C´は定数を表す。
As the input voltage V and the induced charges q that is applied to the piezoelectric actuator, and estimates the displacement x and the load F of the piezoelectric actuators, the voltage applied to the piezoelectric actuator based on the displacement x and the load F is the estimated or A method for controlling a piezoelectric actuator for setting a charge amount,
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] .

Figure 0005284005
In the formula, q is an induced charge , Vh is a voltage calculated from a hysteresis function , q and Vh are variables, and α, a, and Vhmax are constants .

Figure 0005284005
In the formula, x is displacement, F is a load, V is an applied voltage, q is an induced charge, and K E , α, and C ′ represent constants.
前記[数1]で表現される関数中の定数α、a、Vhmaxについて、qの変化量(dq/dt)がゼロ以上の場合に、定数α、a、及びVhmaxとしてそれぞれ所定の値α1、a1、Vhmax1が設定され、qの変化量(dq/dt)が負の場合に、定数α、a、及びVhmaxとしてそれぞれ、別の値α2、a2、Vhmax2が設定されることを特徴とする請求項1記載の圧電アクチュエータの制御方法。 With respect to the constants α, a, and Vhmax in the function expressed by [Equation 1], when the amount of change in q (dq / dt) is zero or more, the constants α, a, and Vhmax are predetermined values α1, When a1 and Vhmax1 are set and a change amount (dq / dt) of q is negative, different values α2, a2, and Vhmax2 are set as constants α, a, and Vhmax, respectively. Item 2. A method for controlling a piezoelectric actuator according to Item 1.
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