一种利用自身电容变化作为位移反溃的压电陶瓷致动器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种利用自身电容变化作为位移反溃的压电陶瓷致动器，属于精密运动控制领域。本发明包括压电陶瓷微位移致动器、驱动模块、位移指令输出模块、电容信号采集模块、闭环控制模块。本发明利用压电陶瓷微位移致动器本身的电容变化作为监测驱动元件的位移变化，使驱动元件与位移反馈元件集于一体，规避了传统技术必须增加外置位移传感器的技术壁垒，在简化了机构复杂度的同时，还解决了由于需要接触安装传感器产生致动器安全性差的技术难点。
【专利说明】—种利用自身电容变化作为位移反溃的压电陶瓷致动器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用自身电容变化作为位移反溃的压电陶瓷致动器，属于精密运动控制领域。
【背景技术】
[0002]压电陶瓷微位移致动器因其运动分辨率高、驱动力大，在精密机床、纳米级运动控制领域应用广泛。
[0003]压电陶瓷微位移致动器是基于压电材料的逆压电效应工作的微位移驱动元件，其伸长量与施加在压电陶瓷材料上的电场强度相关，但并非单调对应关系，而是有一定的迟滞，其最大迟滞量一般为最大行程的15%左右，在精密运动控制领域远不能满足要求，需要采用闭环控制方式实现高精度运动控制。
[0004]目前压电陶瓷微位移致动器的位移反馈控制是通过外置位移传感器的方式来实现的，位移传感器安装在致动器上，用来采集压电陶瓷微位移致动器的伸长量，然后通过采集得到的致动器的实际伸长量与控制系统发出的伸长量指令进行比较，进而进行位移修正。传统的外置位移传感器包括电容位移传感器和电阻应变计传感器；电容位移传感器的优点是位移分辨率高，缺点是其机械结构复杂，制造、安装、调整不便，且容易受环境影响，电容变化与位移变化呈非线性关系；电阻应变计传感器的优点是结构简单、紧凑，缺点是由于应变计与压电陶瓷的高压驱动电极精密接触，导致致动器安全性较差，容易被高压击穿。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为了解决传统压电陶瓷微位移致动器的位移反馈控制需要外置位移传感器，增加机械结构复杂度，且安全性较差等问题，而提供一种利用自身电容变化作为位移反溃的压电陶瓷致动器。
[0006]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0007]本发明的一种利用自身电容变化作为位移反溃的压电陶瓷致动器，包括压电陶瓷微位移致动器、驱动模块、位移指令输出模块、电容信号采集模块、闭环控制模块；
[0008]位移指令输出模块向驱动模块输出位移驱动指令；
[0009]电容信号采集模块用于采集压电陶瓷微位移致动器的电容容量，并将其转化为致动器的实际位移值后输出给闭环运动控制模块；
[0010]闭环控制模块对电容信号采集模块输入的实际位移值和位移控制模块输入的指令位移值相比较，得出位移修正值并向驱动模块输出位移修正指令；
[0011]驱动模块将接收位移控制模块和闭环控制模块的位移指令转换成驱动压电陶瓷微位移致动器驱动电压，向压电陶瓷微位移致动器输出该驱动电压；
[0012]位移指令输出模块与驱动模块的输入端数据线连接，位移指令输出模块向驱动模块输出位移驱动指令；驱动模块的输出端与压电陶瓷微位移致动器的位移控制电路数据线连接，驱动模块将位移驱动指令转换成驱动电压后向压电陶瓷微位移致动器的位移控制电路输出该电压，组成驱动控制电路；同时，压电陶瓷微位移致动器与电容信号采集模块的输入端数据线连接，压电陶瓷微位移致动器向电容信号采集模块的输出其电容容量；电容信号采集模块输出端与位移指令输出模块分别与闭环控制模块的输入端数据线连接，电容信号采集模块将得到的电容容量转换为实际位移值，并输出给闭环控制模块，位移指令输出模块同时将位移驱动指令输出给闭环控制模块；闭环控制模块的输出端与驱动模块据线连接输入端数据线连接，闭环控制模块对电容信号采集模块输入的实际位移值和位移控制模块输入的指令位移值相比较，得出位移修正值并向驱动模块输出位移修正指令，形成闭环控制电路。
[0013]工作过程
[0014]位移指令输出模块向驱动模块输出位移驱动指令，通过驱动模块控制压电陶瓷微位移致动器产生位移量，同时，位移指令输出模块将该位移驱动指令输出给闭环控制模块，闭环控制模块将该位移驱动指令作为闭环控制参考值；压电陶瓷微位移致动器发生位移后，产生电容量变化，电容信号采集模块采集压电陶瓷微位移致动器的电容容量，并将其转化为致动器的实际位移值后输出给闭环运动控制模块；闭环运动控制模块将得到的实际位移值和指令位移值相比较，得出位移修正值并向驱动模块输出位移修正指令，驱动模块根据该位移修正指令控制压电陶瓷微位移致动器修正其位移量，实现闭环控制。
[0015]有益效果
[0016]本发明利用压电陶瓷微位移致动器本身的电容变化作为监测驱动元件的位移变化，使驱动元件与位移反馈元件集于一体，规避了传统技术必须增加外置位移传感器的技术壁垒，在简化了机构复杂度的同时，还解决了由于需要接触安装传感器产生致动器安全性差的技术难点。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明致动器的闭环控制示意图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步说明。
[0019]实施例
[0020]本发明的一种利用自身电容变化作为位移反溃的压电陶瓷致动器，包括压电陶瓷微位移致动器、驱动模块、位移指令输出模块、电容信号采集模块、闭环控制模块；
[0021]位移指令输出模块向驱动模块输出位移驱动指令；
[0022]电容信号采集模块用于采集压电陶瓷微位移致动器的电容容量，并将其转化为致动器的实际位移值后输出给闭环运动控制模块；
[0023]闭环控制模块对电容信号采集模块输入的实际位移值和位移控制模块输入的指令位移值相比较，得出位移修正值并向驱动模块输出位移修正指令；
[0024]驱动模块将接收位移控制模块和闭环控制模块的位移指令转换成驱动压电陶瓷微位移致动器驱动电压，向压电陶瓷微位移致动器输出该驱动电压；
[0025]位移指令输出模块与驱动模块的输入端数据线连接，位移指令输出模块向驱动模块输出位移驱动指令；驱动模块的输出端与压电陶瓷微位移致动器的位移控制电路数据线连接，驱动模块将位移驱动指令转换成驱动电压后向压电陶瓷微位移致动器的位移控制电路输出该电压，组成驱动控制电路；同时，压电陶瓷微位移致动器与电容信号采集模块的输入端数据线连接，压电陶瓷微位移致动器向电容信号采集模块的输出其电容容量；电容信号采集模块输出端与位移指令输出模块分别与闭环控制模块的输入端数据线连接，电容信号采集模块将得到的电容容量转换为实际位移值，并输出给闭环控制模块，位移指令输出模块同时将位移驱动指令输出给闭环控制模块；闭环控制模块的输出端与驱动模块据线连接输入端数据线连接，闭环控制模块对电容信号采集模块输入的实际位移值和位移控制模块输入的指令位移值相比较，得出位移修正值并向驱动模块输出位移修正指令，形成闭环控制电路。
[0026]工作过程
[0027]位移指令输出模块向驱动模块输出位移驱动指令，通过驱动模块控制压电陶瓷微位移致动器产生位移量，同时，位移指令输出模块将该位移驱动指令输出给闭环控制模块，闭环控制模块将该位移驱动指令作为闭环控制参考值；压电陶瓷微位移致动器发生位移后，产生电容量变化，电容信号采集模块采集压电陶瓷微位移致动器的电容容量，并将其转化为致动器的实际位移值后输出给闭环运动控制模块；闭环运动控制模块将得到的实际位移值和指令位移值相比较，得出位移修正值并向驱动模块输出位移修正指令，驱动模块根据该位移修正指令控制压电陶瓷微位移致动器修正其位移量，实现闭环控制。
【权利要求】
1.一种利用自身电容变化作为位移反溃的压电陶瓷致动器，其特征是:包括压电陶瓷微位移致动器、驱动模块、位移指令输出模块、电容信号采集模块、闭环控制模块； 位移指令输出模块向驱动模块输出位移驱动指令； 电容信号采集模块用于采集压电陶瓷微位移致动器的电容容量，并将其转化为致动器的实际位移值后输出给闭环运动控制模块； 闭环控制模块对电容信号采集模块输入的实际位移值和位移控制模块输入的指令位移值相比较，得出位移修正值并向驱动模块输出位移修正指令； 驱动模块将接收位移控制模块和闭环控制模块的位移指令转换成驱动压电陶瓷微位移致动器驱动电压，向压电陶瓷微位移致动器输出该驱动电压； 位移指令输出模块与驱动模块的输入端数据线连接，位移指令输出模块向驱动模块输出位移驱动指令；驱动模块的输出端与压电陶瓷微位移致动器的位移控制电路数据线连接，驱动模块将位移驱动指令转换成驱动电压后向压电陶瓷微位移致动器的位移控制电路输出该电压，组成驱动控制电路；同时，压电陶瓷微位移致动器与电容信号采集模块的输入端数据线连接，压电陶瓷微位移致动器向电容信号采集模块的输出其电容容量；电容信号采集模块输出端与位移指令输出模块分别与闭环控制模块的输入端数据线连接，电容信号采集模块将得到的电容容量转换为实际位移值，并输出给闭环控制模块，位移指令输出模块同时将位移驱动指令输出给闭环控制模块；闭环控制模块的输出端与驱动模块据线连接输入端数据线连接，闭环控制模块对电容信号采集模块输入的实际位移值和位移控制模块输入的指令位移值相比较，得出位移修正值并向驱动模块输出位移修正指令，形成闭环控制电路。
【文档编号】G05D3/12GK103676969SQ201310591326
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年11月20日 优先权日:2013年11月20日
【发明者】李华丰, 朱振宇, 李强, 兰一兵, 张丽娟 申请人:中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所