[發明專利]壓電位移驅動器的控制系統

在審

• 申請號: 201811538884.0
• 申請日: 2018-12-14
• 公開（公告）號: CN111324050A
• 公開（公告）日: 2020-06-23
• 發明（設計）人: 陳巍;梁元博;羅棟
• 申請（專利權）人: 深圳先進技術研究院
• 主分類號: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042
• 代理公司: 深圳市銘粵知識產權代理有限公司 44304
• 代理人: 孫偉峰;黃進

本發明提供了一種壓電位移驅動器的控制系統，其包括FPGA控制電路、功率放大電路、壓電位移驅動器以及自感知反饋電路；FPGA控制電路根據預期位移信號和反饋的實際位移信號生成控制電壓信號，輸入至所述功率放大電路；功率放大電路將控制電壓信號進行功率放大形成驅動電壓輸入至壓電位移驅動器；自感知反饋電路與壓電位移驅動器連接并將壓電位移驅動器作為感應器，根據壓電位移驅動器的位移量生成相應的實際位移信號反饋至FPGA控制電路。本發明的控制系統是基于壓電陶瓷自感知探測進行閉環反饋，可以使系統響應速度加快，性能提高，并使系統的體積、重量減小。

技術領域

本發明屬于位移驅動器技術領域，具體涉及一種壓電位移驅動器的控制系統。

背景技術

微位移驅動器是精密驅動系統中的關鍵執行環節，現有的微位移驅動元件種類包括機電驅動類、電磁驅動類、壓電驅動類、磁致伸縮驅動類。壓電位移驅動器以其體積小、分辨率高、響應快、無噪聲、外界干擾小和推力大等特點相比與其他種類驅動具有明顯優點。

壓電陶瓷位移驅動器由于壓電陶瓷本身的遲滯特性，改善遲滯特性并實現閉環穩定控制為本領域的最大難點。遲滯特性具體表現為在通有輸入電壓時表現出多值映射性，即對相同的輸入信號，其輸出信號若無系統歷史輸出狀態參考的情況下會出現多值。為了確定系統的輸出量，輸出信號不僅依賴于輸入信號當前值，還依賴于系統以前的狀態，呈現出記憶性。

目前，對于遲滯模型的研究一直是理論界的熱點和難點問題，遲滯模型的精確建立是一項極富挑戰性的工作，且尚無統一的遲滯模型。迄今為止專家學者們研究的遲滯數學模型主要包括兩類：物理遲滯模型和唯象遲滯模型。物理遲滯模型是從描述遲滯材料的基本物理原理出發，通過能量、位移或者應力-應變的物理量的關系推導遲滯模型。唯象遲滯模型是從遲滯曲線的唯象特性出發，直接采用有效的數學模型表征遲滯曲線，無需關注遲滯系統的物理意義，是目前研究和應用中更為普遍的一種。

現有的基于遲滯逆模型的壓電陶瓷驅動控制方法為對遲滯模型先進行建模，再通過數值計算法和解析法建立磁滯逆模型，然后在此基礎上，設計基于逆模型的前饋控制器消除遲滯非線性帶來的影響，經過逆模型補償后的系統可近似看作是線性系統。實際應用時，為達到精確控制系統線性度的目的，還加入閉環控制以補償系統的不確定性和干擾。現有的閉環控制系統中，通常是在壓電陶瓷位移驅動器上外加集成的傳感器，通過集成的傳感器來檢測位移驅動器發生位移的大小向控制系統反饋實際位移信號，其缺點是外加的傳感器與執行器(位移驅動器)動態特性不完全相同，易使系統的穩定性變差，傳感器系統體積較大，不易小型化。

發明內容

為了解決上述現有技術存在的問題，本發明提供了一種壓電位移驅動器的控制系統，基于壓電陶瓷自感知探測進行閉環反饋，可以使系統響應速度加快，性能提高，并使系統的體積、重量減小。

為了達到上述發明目的，本發明采用了如下的技術方案：

一種壓電位移驅動器的控制系統，其中，所述控制系統包括FPGA控制電路、功率放大電路、壓電位移驅動器以及自感知反饋電路；所述FPGA控制電路根據預期位移信號和所述自感知反饋電路反饋的實際位移信號生成控制電壓信號，并將所述控制電壓信號輸入至所述功率放大電路；所述功率放大電路將所述控制電壓信號進行功率放大形成驅動電壓輸入至所述壓電位移驅動器，以使所述壓電位移驅動器產生相應的位移量；所述自感知反饋電路與所述壓電位移驅動器連接并將所述壓電位移驅動器作為感應器，所述自感知反饋電路根據所述壓電位移驅動器的位移量生成相應的實際位移信號反饋至所述FPGA控制電路。

具體地，所述FPGA控制電路包括滑模控制模塊、數模轉換模塊和模數轉換模塊；所述滑模控制模塊根據預期位移信號和所述自感知反饋電路反饋的實際位移信號生成控制電壓信號；所述數模轉換模塊連接在所述滑模控制模塊和所述功率放大電路之間，用于將所述控制電壓信號的數字信號轉換為模擬信號；所述模數轉換模塊連接在所述滑模控制模塊和所述自感知反饋電路之間，用于將所述自感知反饋電路反饋的實際位移信號的模擬信號轉換為數字信號。