專利名稱：操作壓電執(zhí)行單元的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的用于操作壓電執(zhí)行單元的方法，考慮到由于相應(yīng)壓電材料特性而受到遲滯影響的轉(zhuǎn)換特性，通過提供一個(gè)控制電壓，并借助于適當(dāng)?shù)慕?，尤其是?duì)高度動(dòng)態(tài)應(yīng)用的建模，對(duì)這些特性進(jìn)行在線補(bǔ)償，以得到所需的執(zhí)行單元位移路徑。
由于能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為機(jī)械功，壓電材料長(zhǎng)期以來就被用于實(shí)現(xiàn)特殊的執(zhí)行單元。相對(duì)于傳統(tǒng)的工作原理而言，壓電材料的優(yōu)點(diǎn)在于能量轉(zhuǎn)化近乎是無延遲地完成。這樣就可以實(shí)現(xiàn)具有寬帶轉(zhuǎn)換特性的執(zhí)行單元。應(yīng)用壓電執(zhí)行單元的其他優(yōu)點(diǎn)還包括可實(shí)現(xiàn)的高設(shè)置力、在準(zhǔn)靜態(tài)運(yùn)行時(shí)的低功耗、高剛度和很寬的路程分辨能力。
為了產(chǎn)生盡可能大的偏移，壓電執(zhí)行單元通過高電壓來控制。這個(gè)高電壓會(huì)使壓電材料內(nèi)部的微物理主域進(jìn)程結(jié)束。這就在宏觀層面上產(chǎn)生了壓電轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性的遲滯、蠕變和飽和效應(yīng)。在這種情況下壓電執(zhí)行單元的實(shí)際轉(zhuǎn)換特性會(huì)與理想線性曲線發(fā)生偏離。由于這一事實(shí)，在執(zhí)行定位任務(wù)時(shí)，驅(qū)動(dòng)的路程分辨能力的優(yōu)點(diǎn)得不到充分發(fā)揮，因?yàn)樵谶@種情況下當(dāng)前位置額定值與位置實(shí)際值之間的偏差由遲滯誤差來決定。另外，對(duì)執(zhí)行單元的和諧的、周期性的控制也會(huì)產(chǎn)生不希望的高次諧波，可能會(huì)激勵(lì)出自振蕩。
因此就存在這樣的必要性，即必須根據(jù)應(yīng)用提前對(duì)在大電信號(hào)工作中產(chǎn)生的效應(yīng)、尤其是遲滯效應(yīng)及非線性進(jìn)行補(bǔ)償。
為了對(duì)壓電轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性進(jìn)行線性化，已知有不同的方法。一方面是對(duì)電荷進(jìn)行控制而不是對(duì)電壓進(jìn)行控制。另一方面是可以調(diào)節(jié)執(zhí)行單元的輸出量或者用開環(huán)工作鏈進(jìn)行反向控制。
在電荷控制的方案中利用了這種情況，即在壓電執(zhí)行單元中，在執(zhí)行單元偏移與執(zhí)行單元的電荷之間存在特定的函數(shù)關(guān)系。這種方法的缺點(diǎn)在于，為測(cè)量執(zhí)行單元電荷所需的充/放電電流的積分由于執(zhí)行單元有無窮絕緣電阻而存在誤差。而且這個(gè)誤差會(huì)隨著時(shí)間而增大。為了消除這個(gè)積分誤差，在實(shí)現(xiàn)電荷控制時(shí)所需的電荷傳感器被設(shè)計(jì)為高通濾波器。但這樣則使電荷控制只適合于動(dòng)態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)操作，而不適合于靜態(tài)操作。
調(diào)節(jié)執(zhí)行單元輸出量的方法的優(yōu)點(diǎn)在于，在相應(yīng)選擇傳感器以及設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器時(shí)，不僅達(dá)到了執(zhí)行單元轉(zhuǎn)換特性的近乎完全線性化，而且還使得抑制外部干擾影響成為可能。不過這種方法還需要一個(gè)外部傳感器來獲取調(diào)節(jié)值。
最后，還可以通過在前面接入一個(gè)反向補(bǔ)償控制器將開環(huán)工作鏈中的非理想轉(zhuǎn)換部分組合起來。這種控制器的任務(wù)是從預(yù)先給定的、與實(shí)際系統(tǒng)的所需輸出信號(hào)相對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)中產(chǎn)生一個(gè)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的輸入信號(hào)，從而使實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)際輸出信號(hào)與預(yù)先給定的控制信號(hào)在物理尺度上完全一致。在這種解決方案中可以不必使用獲取執(zhí)行單元輸出量的傳感器。
描述帶有遲滯的轉(zhuǎn)換特性的不同模型在Kuhnen，Klaus所著的“Inverse Steuerung piezoelektrischer Aktoren mit Hyterese- Kriechund Superpositionsoperatoren(對(duì)帶有遲滯、蠕變和超位置操作器的壓電執(zhí)行單元的反向控制)”(Shaker出版社公司，2001年)中進(jìn)行了介紹。
所有已知的在考慮遲滯操作器的情況下對(duì)壓電執(zhí)行單元進(jìn)行反向控制的方法都有計(jì)算量非常大的缺點(diǎn)，其結(jié)果是積分、尤其是用于對(duì)執(zhí)行單元進(jìn)行在線調(diào)節(jié)的積分在高度動(dòng)態(tài)工作中不能實(shí)現(xiàn)或者只能有限地實(shí)現(xiàn)。
因此由上述出發(fā)，本發(fā)明的任務(wù)是給出一種進(jìn)一步發(fā)展的操作壓電執(zhí)行單元的方法，考慮到由于壓電材料特性而受到遲滯影響的轉(zhuǎn)換特性，通過提供一個(gè)控制電壓來得到所需的執(zhí)行單元位移路徑，這種方法可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)，并且能夠?qū)⑵渥鳛榧兇獾碾娔Ｐ驮诟叨葎?dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)中應(yīng)用。
本發(fā)明所述任務(wù)的解決方案通過權(quán)利要求1所限定的方法來實(shí)現(xiàn)，其中從屬權(quán)利要求給出了至少符合目的的實(shí)施例和改進(jìn)方案。
在根據(jù)本發(fā)明的操作壓電執(zhí)行單元的方法中，考慮到由于壓電材料特性而受到遲滯影響的轉(zhuǎn)換特性，通過提供一個(gè)控制電壓以得到所需的執(zhí)行單元位移路徑，這一方法的出發(fā)點(diǎn)在于，為確定控制電壓而進(jìn)行建模，遲滯特性可以作為一個(gè)可通過電氣方式來描述的量被觀測(cè)，其中這個(gè)可通過電量描述的值是由多條支路1到n電并聯(lián)而得到的，并且其中每條支路具有由非線性電阻R1到Rn和非線性電容C1到Cn構(gòu)成的串聯(lián)電路。
這里由R1和C1構(gòu)成的支路對(duì)應(yīng)于壓電執(zhí)行單元的理想電荷關(guān)系，而其它的支路R2到Rn以及C2到Cn代表實(shí)際執(zhí)行單元的材料特性。
執(zhí)行單元的整個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)M由通過支路構(gòu)成的多項(xiàng)式鏈的總電荷得到。
在輸入額定位置后，計(jì)算出為到達(dá)這個(gè)額定位置所需的額定電荷量，接著確定與電荷實(shí)際值的差，并在此支持下計(jì)算出所有電容C1到Cn的電荷變化，以及為此所需的電壓變化和所得到的總控制電壓，即供電電壓。
如果已知執(zhí)行單元的材料特性，可以不用位置傳感器而實(shí)現(xiàn)上述的方法。
從自動(dòng)校準(zhǔn)的意義上來看，為了確定執(zhí)行單元的材料常數(shù)，可以使執(zhí)行單元在兩個(gè)預(yù)先給定的已知點(diǎn)之間移動(dòng)，從而計(jì)算出為此所需的電荷。此外還可以確定出代表相應(yīng)執(zhí)行單元的材料特性的部分電荷和電容。
這種方法既可以用軟件實(shí)現(xiàn)，尤其是作為固件模塊來實(shí)現(xiàn)，也可以用硬件的計(jì)算功能模塊來執(zhí)行，該功能模塊在前面連接了一個(gè)已知的電壓放大器。
在上面提到的方法中，遲滯特性由電容C和電阻R的串聯(lián)電路來表示，其中多個(gè)類似的支路又彼此并聯(lián)。第1到第n個(gè)并聯(lián)支路代表遲滯特性，可以這樣來理解，即在某個(gè)特定時(shí)間內(nèi)一個(gè)并聯(lián)支路和位于其中的電容未被完全充電或放電，或者充電過程由于相應(yīng)執(zhí)行單元的材料特性或材料常數(shù)而放慢了。與單晶陶瓷的理想特性不同的是，例如在各個(gè)支路中的電阻的非線性部分例如可以理解為各個(gè)晶元之間的內(nèi)部摩擦。
下面借助于一個(gè)實(shí)施例并參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明。其中如圖所示

圖1等效電路圖，構(gòu)成了本發(fā)明的方法的基礎(chǔ)；圖2基于R/C等效電路進(jìn)行電壓計(jì)算的方框圖；圖3程序流程圖，描述了本方法的流程。
根據(jù)圖1，在這種操作壓電執(zhí)行單元的方法中，考慮到遲滯特性或轉(zhuǎn)換關(guān)系，通過提供一個(gè)控制電壓以得到所需的執(zhí)行單元位移路徑，參照具有不同支路的并聯(lián)電路的純等效電路圖來描述。每條支路又是由一個(gè)電阻和一個(gè)電容組成的串聯(lián)電路。R1和C1的串聯(lián)電路代表壓電執(zhí)行單元的理想電荷關(guān)系；而帶有串聯(lián)支路R2/C2到Rn/Cn的支路則代表從非線性角度來看由壓電執(zhí)行單元的不同材料特性所限定的電荷關(guān)系。
因此電阻R1到Rn和電容C1到Cn都是非線性元件。在考慮等效電路的情況下計(jì)算出的電壓通過一個(gè)已知的電壓放大器(圖2)產(chǎn)生。這個(gè)由電壓放大器產(chǎn)生的電壓作用于壓電執(zhí)行單元PZT上，使該壓電執(zhí)行單元產(chǎn)生期望的位移。
如圖2中所示，借助數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)的、用于計(jì)算電壓的功能模塊也可以是電壓放大器的組成部件，從而用放大器處理更簡(jiǎn)單的、線性的特性。
參照?qǐng)D3的程序流程圖，根據(jù)圖2的功能模塊圖在第一個(gè)步驟中需要輸入要到達(dá)的額定位置，在此之后要計(jì)算出為到達(dá)這個(gè)額定位置所需的電荷額定值。第二個(gè)步驟中確定電荷的額定值與當(dāng)前實(shí)際值之間的差。當(dāng)改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，還需要根據(jù)等效電路圖重新計(jì)算各個(gè)電容器之間的電壓變化。在沒有發(fā)生方向變化、只是在已經(jīng)預(yù)先設(shè)定的方向上繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的情況下，還將計(jì)算出為達(dá)到理想的電荷差所需的電流值，分別用于對(duì)其進(jìn)行平衡。從這種計(jì)算中還可以得到各個(gè)非線性電容的充電電流以及所需的電荷變化。
當(dāng)電荷變化值已知時(shí)，可以從中計(jì)算出對(duì)各個(gè)電容所需的電壓變化，從而確定所需的供電電壓并輸出電壓值。
由于上述方法基于電模型，因此可以通過非常簡(jiǎn)單的方式來對(duì)待放大器的電流限制。
權(quán)利要求
1.一種用于操作壓電執(zhí)行單元的方法，考慮到由于壓電材料特性而受到遲滯影響的轉(zhuǎn)換特性，通過設(shè)置一個(gè)控制電壓，并借助于適當(dāng)?shù)慕！⒂绕涫菍?duì)高度動(dòng)態(tài)應(yīng)用的建模對(duì)這些特性進(jìn)行在線補(bǔ)償，以得到所需的執(zhí)行單元位移路徑，其特征在于，-對(duì)于為確定控制電壓而進(jìn)行的建模，遲滯特性作為一個(gè)可通過電氣方式描述的量被觀測(cè)，而這個(gè)可通過電氣方式描述的量是作為多條支路1到n的并聯(lián)電路得到的，其中每條支路由非線性電阻R1到Rn和非線性電容C1到Cn串聯(lián)而成，-此外，由R1和C1構(gòu)成的支路對(duì)應(yīng)于壓電執(zhí)行單元的理想電荷關(guān)系，其它支路代表實(shí)際執(zhí)行單元的材料特性，-執(zhí)行單元的整個(gè)機(jī)械移動(dòng)M由各條支路形成的多項(xiàng)式鏈的總電荷來得到，-在輸入額定位置后，計(jì)算出為到達(dá)這個(gè)額定位置所需的額定電荷量，確定與電荷實(shí)際值的差距，并在此支持下計(jì)算出所有電容C1到Cn的電荷變化，以及為此所需的電壓變化和所得到的總控制電壓或供電電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，通過使執(zhí)行單元在兩個(gè)預(yù)先給定的已知點(diǎn)之間移動(dòng)，確定為此所需的電荷，并由此確定出代表相應(yīng)執(zhí)行單元的材料特性的部分電荷和電容。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，用硬件實(shí)現(xiàn)的計(jì)算功能模塊來執(zhí)行，該計(jì)算功能模塊在前面連接了一個(gè)已知的電壓放大器或集成到這個(gè)電壓放大器中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于操作壓電執(zhí)行單元的方法，考慮到由于壓電材料特性而受到遲滯影響的轉(zhuǎn)換特性，通過提供一個(gè)控制電壓，并借助于為靜態(tài)、以及高度動(dòng)態(tài)應(yīng)用形成適當(dāng)?shù)哪Ｐ投鴮?duì)這些特性進(jìn)行在線補(bǔ)償，以得到所需的執(zhí)行單元位移路徑。根據(jù)本發(fā)明，對(duì)于為確定控制電壓而進(jìn)行的建模，遲滯特性作為一個(gè)可通過電氣方式來描述的量被觀測(cè)，而這個(gè)可通過電氣方式來描述的量代表多條支路1到n的并聯(lián)電路得到的，其中每條支路由非線性電阻R1到Rn和非線性電容C1到Cn串聯(lián)連接而成。此外，由R1和C1構(gòu)成的支路代表壓電執(zhí)行單元的理想電荷關(guān)系，而其它支路代表實(shí)際執(zhí)行單元的材料特性。執(zhí)行單元的整個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)M由各條支路形成的多項(xiàng)式鏈的總電荷得到。在輸入額定位置后，計(jì)算出為到達(dá)這個(gè)額定位置所需的額定電荷值，確定與電荷實(shí)際值的差，并在此支持下計(jì)算出所有電容C1到Cn的電荷變化，以及為此所需的電壓變化和所得到的總控制電壓或供電電壓。
文檔編號(hào)G05B17/02GK1973383SQ200580020778
公開日2007年5月30日 申請(qǐng)日期2005年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月24日
發(fā)明者奧斯卡·趙賢賓 申請(qǐng)人:物理設(shè)備(Pi)兩合公司