专利名称：操作压电执行单元的方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于操作压电执行单元的方法，考虑到由于相应压电材料特性而受到迟滞影响的转换特性，通过提供一个控制电压，并借助于适当的建模，尤其是对高度动态应用的建模，对这些特性进行在线补偿，以得到所需的执行单元位移路径。
由于能够将电能转化为机械功，压电材料长期以来就被用于实现特殊的执行单元。相对于传统的工作原理而言，压电材料的优点在于能量转化近乎是无延迟地完成。这样就可以实现具有宽带转换特性的执行单元。应用压电执行单元的其他优点还包括可实现的高设置力、在准静态运行时的低功耗、高刚度和很宽的路程分辨能力。
为了产生尽可能大的偏移，压电执行单元通过高电压来控制。这个高电压会使压电材料内部的微物理主域进程结束。这就在宏观层面上产生了压电转换器的转换特性的迟滞、蠕变和饱和效应。在这种情况下压电执行单元的实际转换特性会与理想线性曲线发生偏离。由于这一事实，在执行定位任务时，驱动的路程分辨能力的优点得不到充分发挥，因为在这种情况下当前位置额定值与位置实际值之间的偏差由迟滞误差来决定。另外，对执行单元的和谐的、周期性的控制也会产生不希望的高次谐波，可能会激励出自振荡。
因此就存在这样的必要性，即必须根据应用提前对在大电信号工作中产生的效应、尤其是迟滞效应及非线性进行补偿。
为了对压电转换器的转换特性进行线性化，已知有不同的方法。一方面是对电荷进行控制而不是对电压进行控制。另一方面是可以调节执行单元的输出量或者用开环工作链进行反向控制。
在电荷控制的方案中利用了这种情况，即在压电执行单元中，在执行单元偏移与执行单元的电荷之间存在特定的函数关系。这种方法的缺点在于，为测量执行单元电荷所需的充/放电电流的积分由于执行单元有无穷绝缘电阻而存在误差。而且这个误差会随着时间而增大。为了消除这个积分误差，在实现电荷控制时所需的电荷传感器被设计为高通滤波器。但这样则使电荷控制只适合于动态和准静态操作，而不适合于静态操作。
调节执行单元输出量的方法的优点在于，在相应选择传感器以及设计调节器时，不仅达到了执行单元转换特性的近乎完全线性化，而且还使得抑制外部干扰影响成为可能。不过这种方法还需要一个外部传感器来获取调节值。
最后，还可以通过在前面接入一个反向补偿控制器将开环工作链中的非理想转换部分组合起来。这种控制器的任务是从预先给定的、与实际系统的所需输出信号相对应的控制信号中产生一个对实际系统的输入信号，从而使实际系统的实际输出信号与预先给定的控制信号在物理尺度上完全一致。在这种解决方案中可以不必使用获取执行单元输出量的传感器。
描述带有迟滞的转换特性的不同模型在Kuhnen，Klaus所著的“Inverse Steuerung piezoelektrischer Aktoren mit Hyterese- Kriechund Superpositionsoperatoren(对带有迟滞、蠕变和超位置操作器的压电执行单元的反向控制)”(Shaker出版社公司，2001年)中进行了介绍。
所有已知的在考虑迟滞操作器的情况下对压电执行单元进行反向控制的方法都有计算量非常大的缺点，其结果是积分、尤其是用于对执行单元进行在线调节的积分在高度动态工作中不能实现或者只能有限地实现。
因此由上述出发，本发明的任务是给出一种进一步发展的操作压电执行单元的方法，考虑到由于压电材料特性而受到迟滞影响的转换特性，通过提供一个控制电压来得到所需的执行单元位移路径，这种方法可以简单地实现，并且能够将其作为纯粹的电模型在高度动态的运动中应用。
本发明所述任务的解决方案通过权利要求1所限定的方法来实现，其中从属权利要求给出了至少符合目的的实施例和改进方案。
在根据本发明的操作压电执行单元的方法中，考虑到由于压电材料特性而受到迟滞影响的转换特性，通过提供一个控制电压以得到所需的执行单元位移路径，这一方法的出发点在于，为确定控制电压而进行建模，迟滞特性可以作为一个可通过电气方式来描述的量被观测，其中这个可通过电量描述的值是由多条支路1到n电并联而得到的，并且其中每条支路具有由非线性电阻R1到Rn和非线性电容C1到Cn构成的串联电路。
这里由R1和C1构成的支路对应于压电执行单元的理想电荷关系，而其它的支路R2到Rn以及C2到Cn代表实际执行单元的材料特性。
执行单元的整个机械运动M由通过支路构成的多项式链的总电荷得到。
在输入额定位置后，计算出为到达这个额定位置所需的额定电荷量，接着确定与电荷实际值的差，并在此支持下计算出所有电容C1到Cn的电荷变化，以及为此所需的电压变化和所得到的总控制电压，即供电电压。
如果已知执行单元的材料特性，可以不用位置传感器而实现上述的方法。
从自动校准的意义上来看，为了确定执行单元的材料常数，可以使执行单元在两个预先给定的已知点之间移动，从而计算出为此所需的电荷。此外还可以确定出代表相应执行单元的材料特性的部分电荷和电容。
这种方法既可以用软件实现，尤其是作为固件模块来实现，也可以用硬件的计算功能模块来执行，该功能模块在前面连接了一个已知的电压放大器。
在上面提到的方法中，迟滞特性由电容C和电阻R的串联电路来表示，其中多个类似的支路又彼此并联。第1到第n个并联支路代表迟滞特性，可以这样来理解，即在某个特定时间内一个并联支路和位于其中的电容未被完全充电或放电，或者充电过程由于相应执行单元的材料特性或材料常数而放慢了。与单晶陶瓷的理想特性不同的是，例如在各个支路中的电阻的非线性部分例如可以理解为各个晶元之间的内部摩擦。
下面借助于一个实施例并参照附图详细描述本发明。其中如图所示
图1等效电路图，构成了本发明的方法的基础；图2基于R/C等效电路进行电压计算的方框图；图3程序流程图，描述了本方法的流程。
根据图1，在这种操作压电执行单元的方法中，考虑到迟滞特性或转换关系，通过提供一个控制电压以得到所需的执行单元位移路径，参照具有不同支路的并联电路的纯等效电路图来描述。每条支路又是由一个电阻和一个电容组成的串联电路。R1和C1的串联电路代表压电执行单元的理想电荷关系；而带有串联支路R2/C2到Rn/Cn的支路则代表从非线性角度来看由压电执行单元的不同材料特性所限定的电荷关系。
因此电阻R1到Rn和电容C1到Cn都是非线性元件。在考虑等效电路的情况下计算出的电压通过一个已知的电压放大器(图2)产生。这个由电压放大器产生的电压作用于压电执行单元PZT上，使该压电执行单元产生期望的位移。
如图2中所示，借助数字信号处理器实现的、用于计算电压的功能模块也可以是电压放大器的组成部件，从而用放大器处理更简单的、线性的特性。
参照图3的程序流程图，根据图2的功能模块图在第一个步骤中需要输入要到达的额定位置，在此之后要计算出为到达这个额定位置所需的电荷额定值。第二个步骤中确定电荷的额定值与当前实际值之间的差。当改变运动方向时，还需要根据等效电路图重新计算各个电容器之间的电压变化。在没有发生方向变化、只是在已经预先设定的方向上继续运动的情况下，还将计算出为达到理想的电荷差所需的电流值，分别用于对其进行平衡。从这种计算中还可以得到各个非线性电容的充电电流以及所需的电荷变化。
当电荷变化值已知时，可以从中计算出对各个电容所需的电压变化，从而确定所需的供电电压并输出电压值。
由于上述方法基于电模型，因此可以通过非常简单的方式来对待放大器的电流限制。
权利要求
1.一种用于操作压电执行单元的方法，考虑到由于压电材料特性而受到迟滞影响的转换特性，通过设置一个控制电压，并借助于适当的建模、尤其是对高度动态应用的建模对这些特性进行在线补偿，以得到所需的执行单元位移路径，其特征在于，-对于为确定控制电压而进行的建模，迟滞特性作为一个可通过电气方式描述的量被观测，而这个可通过电气方式描述的量是作为多条支路1到n的并联电路得到的，其中每条支路由非线性电阻R1到Rn和非线性电容C1到Cn串联而成，-此外，由R1和C1构成的支路对应于压电执行单元的理想电荷关系，其它支路代表实际执行单元的材料特性，-执行单元的整个机械移动M由各条支路形成的多项式链的总电荷来得到，-在输入额定位置后，计算出为到达这个额定位置所需的额定电荷量，确定与电荷实际值的差距，并在此支持下计算出所有电容C1到Cn的电荷变化，以及为此所需的电压变化和所得到的总控制电压或供电电压。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，通过使执行单元在两个预先给定的已知点之间移动，确定为此所需的电荷，并由此确定出代表相应执行单元的材料特性的部分电荷和电容。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，用硬件实现的计算功能模块来执行，该计算功能模块在前面连接了一个已知的电压放大器或集成到这个电压放大器中。
全文摘要
本发明涉及一种用于操作压电执行单元的方法，考虑到由于压电材料特性而受到迟滞影响的转换特性，通过提供一个控制电压，并借助于为静态、以及高度动态应用形成适当的模型而对这些特性进行在线补偿，以得到所需的执行单元位移路径。根据本发明，对于为确定控制电压而进行的建模，迟滞特性作为一个可通过电气方式来描述的量被观测，而这个可通过电气方式来描述的量代表多条支路1到n的并联电路得到的，其中每条支路由非线性电阻R1到Rn和非线性电容C1到Cn串联连接而成。此外，由R1和C1构成的支路代表压电执行单元的理想电荷关系，而其它支路代表实际执行单元的材料特性。执行单元的整个机械运动M由各条支路形成的多项式链的总电荷得到。在输入额定位置后，计算出为到达这个额定位置所需的额定电荷值，确定与电荷实际值的差，并在此支持下计算出所有电容C1到Cn的电荷变化，以及为此所需的电压变化和所得到的总控制电压或供电电压。
文档编号G05B17/02GK1973383SQ200580020778
公开日2007年5月30日 申请日期2005年6月16日 优先权日2004年6月24日
发明者奥斯卡·赵贤宾 申请人:物理设备(Pi)两合公司