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，通過提供一個控制電壓，并借助于適當(dāng)?shù)慕?，尤其是對高度動態(tài)應(yīng)用的建模，對這些特性進(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，壓電材料長期以來就被用于實現(xiàn)特殊的執(zhí)行單元。相對于傳統(tǒng)的工作原理而言，壓電材料的優(yōu)點在于能量轉(zhuǎn)化近乎是無延遲地完成。這樣就可以實現(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)點還包括可實現(xiàn)的高設(shè)置力、在準(zhǔn)靜態(tài)運(yùn)行時的低功耗、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。這個高電壓會使壓電材料內(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)行單元的實際轉(zhuǎn)換特性會與理想線性曲線發(fā)生偏離。由于這一事實，在執(zhí)行定位任務(wù)時，驅(qū)動的路程分辨能力的優(yōu)點得不到充分發(fā)揮，因為在這種情況下當(dāng)前位置額定值與位置實際值之間的偏差由遲滯誤差來決定。另外，對執(zhí)行單元的和諧的、周期性的控制也會產(chǎn)生不希望的高次諧波，可能會激勵出自振蕩。
因此就存在這樣的必要性，即必須根據(jù)應(yīng)用提前對在大電信號工作中產(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。一方面是對電荷進(jìn)行控制而不是對電壓進(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。這種方法的缺點在于，為測量執(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。而且這個誤差會隨著時間而增大。為了消除這個積分誤差，在實現(xiàn)電荷控制時所需的電荷傳感器被設(shè)計為高通濾波器。但這樣則使電荷控制只適合于動態(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)點在于，在相應(yīng)選擇傳感器以及設(shè)計調(diào)節(jié)器時，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、與實際系統(tǒng)的所需輸出信號相對應(yīng)的控制信號中產(chǎn)生一個對實際系統(tǒng)的輸入信號，從而使實際系統(tǒng)的實際輸出信號與預(yù)先給定的控制信號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壓電執(zhí)行單元進(jìn)行反向控制的方法都有計算量非常大的缺點，其結(jié)果是積分、尤其是用于對執(zhí)行單元進(jìn)行在線調(diào)節(jié)的積分在高度動態(tài)工作中不能實現(xiàn)或者只能有限地實現(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，這種方法可以簡單地實現(xiàn)，并且能夠?qū)⑵渥鳛榧兇獾碾娔Ｐ驮诟叨葎討B(tài)的運(yùn)動中應(yīng)用。
本發(fā)明所述任務(wù)的解決方案通過權(quán)利要求1所限定的方法來實現(xiàn)，其中從屬權(quán)利要求給出了至少符合目的的實施例和改進(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可通過電氣方式來描述的量被觀測，其中這個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代表實際執(zhí)行單元的材料特性。
執(zhí)行單元的整個機(jī)械運(yùn)動M由通過支路構(gòu)成的多項式鏈的總電荷得到。
在輸入額定位置后，計算出為到達(dá)這個額定位置所需的額定電荷量，接著確定與電荷實際值的差，并在此支持下計算出所有電容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現(xiàn)上述的方法。
從自動校準(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)行單元在兩個預(yù)先給定的已知點之間移動，從而計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現(xiàn)，尤其是作為固件模塊來實現(xiàn)，也可以用硬件的計算功能模塊來執(zhí)行，該功能模塊在前面連接了一個已知的電壓放大器。
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，其中多個類似的支路又彼此并聯(lián)。第1到第n個并聯(lián)支路代表遲滯特性，可以這樣來理解，即在某個特定時間內(nèi)一個并聯(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，例如在各個支路中的電阻的非線性部分例如可以理解為各個晶元之間的內(nèi)部摩擦。
下面借助于一個實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電阻和一個電容組成的串聯(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算出的電壓通過一個已知的電壓放大器(圖2)產(chǎn)生。這個由電壓放大器產(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)字信號處理器實現(xiàn)的、用于計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單的、線性的特性。
參照圖3的程序流程圖，根據(jù)圖2的功能模塊圖在第一個步驟中需要輸入要到達(dá)的額定位置，在此之后要計算出為到達(dá)這個額定位置所需的電荷額定值。第二個步驟中確定電荷的額定值與當(dāng)前實際值之間的差。當(dāng)改變運(yùn)動方向時，還需要根據(jù)等效電路圖重新計算各個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)動的情況下，還將計算出為達(dá)到理想的電荷差所需的電流值，分別用于對其進(jìn)行平衡。從這種計算中還可以得到各個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，可以從中計算出對各個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單的方式來對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)置一個控制電壓，并借助于適當(dāng)?shù)慕！⒂绕涫菍Ω叨葎討B(tài)應(yīng)用的建模對這些特性進(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，-對于為確定控制電壓而進(jìn)行的建模，遲滯特性作為一個可通過電氣方式描述的量被觀測，而這個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，其它支路代表實際執(zhí)行單元的材料特性，-執(zhí)行單元的整個機(jī)械移動M由各條支路形成的多項式鏈的總電荷來得到，-在輸入額定位置后，計算出為到達(dá)這個額定位置所需的額定電荷量，確定與電荷實際值的差距，并在此支持下計算出所有電容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)行單元在兩個預(yù)先給定的已知點之間移動，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，用硬件實現(xiàn)的計算功能模塊來執(zhí)行，該計算功能模塊在前面連接了一個已知的電壓放大器或集成到這個電壓放大器中。
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，通過提供一個控制電壓，并借助于為靜態(tài)、以及高度動態(tài)應(yīng)用形成適當(dāng)?shù)哪Ｐ投鴮@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，對于為確定控制電壓而進(jìn)行的建模，遲滯特性作為一個可通過電氣方式來描述的量被觀測，而這個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，而其它支路代表實際執(zhí)行單元的材料特性。執(zhí)行單元的整個機(jī)械運(yùn)動M由各條支路形成的多項式鏈的總電荷得到。在輸入額定位置后，計算出為到達(dá)這個額定位置所需的額定電荷值，確定與電荷實際值的差，并在此支持下計算出所有電容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G05B17/02GK1973383SQ200580020778
公開日2007年5月30日 申請日期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 申請人:物理設(shè)備(Pi)兩合公司