压电陶瓷致动器的驱动控制方法及装置与流程

本发明涉及一种压电陶瓷致动器的驱动控制方法及装置，属于驱动控制技术领域。

背景技术：

随着纳米技术应用领域对跨尺度精密运动的要求越来越高，惯性粘滑驱动跨尺度运动技术成为国内外广泛关注的焦点。其中，压电陶瓷致动器通常作为惯性粘滑驱动系统的驱动组件来驱动惯性粘滑驱动系统中的运动块运动。

现有的压电陶瓷致动器的驱动控制方式为：使用锯齿状驱动信号来驱动运动块运动。然而，使用锯齿状驱动信号驱动运动块运动时驱动运动块的位移较小，驱动效率较低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种压电陶瓷致动器的驱动控制方法及装置，可以解决使用锯齿状驱动信号驱动运动块运动时驱动运动块的位移较小，驱动效率较低的问题。为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，提供一种压电陶瓷致动器的驱动控制方法，所述压电陶瓷致动器一端连接有放置在接触面上的运动块，另一端连接有质量块，所述方法包括：

确定所述运动块与所述接触面之间的摩擦力；

使用所述摩擦力和所述质量块的质量确定所述压电陶瓷致动器的二阶驱动信号的目标加速度；

根据所述目标加速度生成所述二阶驱动信号，所述二阶驱动信号包括多个驱动周期，每个驱动周期包括具有所述目标加速度的升压阶段，以及在所述升压阶段之后的降压阶段；

使用所述二阶驱动信号驱动所述运动块运动。

可选地，所述使用所述摩擦力和所述质量块的质量确定所述压电陶瓷致动器的二阶驱动信号的目标加速度，包括：

计算所述摩擦力与所述质量块的质量的比值；

将小于或等于所述比值的正数确定为所述目标加速度。

可选地，所述二阶驱动信号的每个驱动周期还包括在所述降压阶段之后、且电压小于或等于预设电压的缓冲阶段。

可选地，所述根据所述目标加速度生成所述二阶驱动信号，包括：

在所述二阶驱动信号中每个驱动周期的缓冲阶段添加振动信号。

可选地，所述缓冲阶段的电压为0。

第二方面，提供一种压电陶瓷致动器的驱动控制装置，所述压电陶瓷致动器一端连接有放置在接触面上的运动块，另一端连接有质量块，所述装置包括：

摩擦力确定模块，用于确定所述运动块与所述接触面之间的摩擦力；

加速度确定模块，用于使用所述摩擦力和所述质量块的质量确定所述压电陶瓷致动器的二阶驱动信号的目标加速度；

信号生成模块，用于根据所述目标加速度生成所述二阶驱动信号，所述二阶驱动信号包括多个驱动周期，每个驱动周期包括具有所述目标加速度的升压阶段，以及在所述升压阶段之后的降压阶段；

驱动控制模块，用于使用所述二阶驱动信号驱动所述运动块运动。

可选地，所述加速度确定模块，用于：

计算所述摩擦力与所述质量块的质量的比值；

将小于或等于所述比值的正数确定为所述目标加速度。

可选地，所述二阶驱动信号的每个驱动周期还包括在所述降压阶段之后、且电压小于或等于预设电压的缓冲阶段。

可选地，所述信号生成模块，用于：

在所述二阶驱动信号中每个驱动周期的缓冲阶段添加振动信号。

可选地，所述缓冲阶段的电压为0。

本发明的有益效果在于：通过确定运动块与接触面之间的摩擦力；使用摩擦力和质量块的质量确定压电陶瓷致动器的二阶驱动信号的目标加速度；根据目标加速度生成二阶驱动信号，二阶驱动信号包括多个驱动周期，每个驱动周期包括具有目标加速度的升压阶段，以及在升压阶段之后的降压阶段；使用二阶驱动信号驱动运动块运动；可以解决使用锯齿状驱动信号驱动运动块运动时驱动运动块的位移较小，驱动效率较低的问题；由于二阶驱动信号在升压阶段以恒定地加速度推动运动块，使得运动块不会产生负向位移；另外，在相同时间内以恒定加速度升压至最大电压与以匀速升压至最大电压相比会产生更大的惯性力从而推动运动块产生更多的正向位移，提高压电陶瓷致动器的驱动效率。

另外，以恒定加速度升压后，由于压电陶瓷致动器惯性较大，可以在降压阶段结束后继续推动运动块移动，从而达到节省资源的效果。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是现有技术提供的现有的压电陶瓷致动器的驱动控制过程的示意图；

图2是本申请一个实施例提供的压电陶瓷致动器的驱动控制方法的流程图；

图3是本申请一个实施例提供的压电陶瓷致动器的驱动控制过程的示意图；

图4是本申请一个实施例提供的二阶驱动信号的缓冲阶段的振动信号的示意图；

图5是本申请一个实施例提供的锯齿状的驱动信号与运动块位移关系的示意图；

图6是本申请一个实施例提供的二阶驱动信号与运动块位移关系的示意图；

图7是本申请一个实施例提供的不同驱动信号驱动运动块时位移关系的比较示意图；

图8是本申请一个实施例提供的压电陶瓷致动器的驱动控制装置的框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

现有的压电陶瓷致动器的驱动信号如图1所示。根据图1可知，该驱动信号为锯齿状驱动信号，该锯齿状驱动信号包括两个阶段，分别为：1-2所示的升压阶段和2-3所示的降压阶段。

在1-2所示的升压阶段，压电陶瓷致动器发生形变驱动质量块向第一方向移动，位移为ap；运动块在升压时，由于在瞬间产生的惯性冲击力克服摩擦力，使运动块向第二方向运动，产生负向位移。第一方向与第一方向相反。

在2-3所示的降压阶段，压电陶瓷致动器还原并驱动质量块向第二方向移动，运动块向第一方向移动，位移为sstep。

根据上述过程可知，图1所示的现有的压电陶瓷致动器的驱动控制方法至少存在以下问题：

1、在升压阶段开始时会对运动块产生负向位移，最终将导致单步位移减少的问题；

2、升压阶段直线上升，无法使得压电陶瓷致动器在短时间内产生较大的惯性力推动运动块产生更多的正向位移的问题。

基于上述技术问题，本实施例中，将1-2所示的升压阶段的驱动信号优化为二阶驱动信号，使得二阶驱动信号在升压阶段以恒定地加速度推动运动块，使得运动块不会产生负向位移；另外，在相同时间内以恒定加速度升压至最大电压与以匀速升压至最大电压相比会产生更大的惯性力从而推动运动块产生更多的正向位移，提高压电陶瓷致动器的驱动效率。

另外，以恒定加速度升压后，由于压电陶瓷致动器惯性较大，可以在降压阶段结束后继续推动运动块移动，从而达到节省资源的效果。

图2是本申请一个实施例提供的压电陶瓷致动器的驱动控制方法的流程图。用于压电陶瓷致动器中，所述压电陶瓷致动器一端连接有放置在接触面上的运动块，另一端连接有质量块，该方法至少包括以下几个步骤：

步骤201，确定运动块与接触面之间的摩擦力。

可选地，运动块与接触面之间的摩擦力可以是经过多次试验得到的；或者，也可以是通过建立摩擦力模型计算得到的。

步骤202，使用摩擦力和质量块的质量确定压电陶瓷致动器的二阶驱动信号的目标加速度。

可选地，使用摩擦力和质量块的质量确定压电陶瓷致动器的二阶驱动信号的目标加速度，包括：计算摩擦力与质量块的质量的比值；将小于或等于比值的正数确定为目标加速度。

确定压电陶瓷致动器的二阶驱动信号的目标加速度可以通过下述公式表示：

其中，apm为目标加速度(m/s²)；f为运动块与接触面之间的摩擦力(n)；mi为质量块的质量(g)。

步骤203，根据目标加速度生成二阶驱动信号。

其中，二阶驱动信号包括多个驱动周期，每个驱动周期包括具有目标加速度的升压阶段，以及在升压阶段之后的降压阶段。

可选地，二阶驱动信号的每个驱动周期还包括在降压阶段之后、且电压低于预设电压的缓冲阶段。

参考图3所示的二阶驱动信号，该二阶驱动信号包括升压阶段1-2、降压阶段2-3和缓冲阶段3-4。

在升压阶段1-2，以恒定的目标加速度apm上升，压电陶瓷致动器发生形变驱动质量块向第一方向移动，位移为ap。压电陶瓷致动器产生恒定的惯性冲击力，惯性冲击力不能克服摩擦力，此时，运动块与接触面之间处于粘滞状态，不会产生负向位移。当驱动信号的电压达到最大时，此时压电陶瓷致动器和质量块的速度达到最大，这将在滑动阶段有助于更大的惯性冲击力产生，使得运动块产生更大的位移。此外，达到升压阶段1-2的最大电压需要更短的时间。

在2-3所示的降压阶段，压电陶瓷致动器还原并驱动质量块向第二方向移动，运动块向第一方向移动。第一方向与第二方向相反。

在3-4所示的缓冲阶段，压电陶瓷致动器保持原长。此时，运动块可能存在三种状态：第一种，运动块存在正向动能，此时，运动块存在正向动能时，运动块继续保持正向位移，直至停止运动。第二种，运动块存在负向动能，此时，运动块产生将产生负向位移，如果没有缓冲阶段，将导致运动块在升压阶段，产生更大的负向位移。第三种，运动块不存在动能，此时，可以不添加缓冲阶段。

其中，运动块的动能可以通过计算得到。

在一个示例中，在二阶驱动信号中每个驱动周期的缓冲阶段添加振动信号。振动信号用于减小运动块与接触面之间的摩擦力，这样，可以使得运动块运动的距离更远。参考图4所示的缓冲阶段的振动信号。

在另一个示例中，预设电压为0。

步骤204，使用二阶驱动信号驱动运动块运动。

为了更清楚地表示本申请提供的压电陶瓷致动器的驱动控制方法的效果，参考图5所示的以传统的锯齿状驱动信号驱动运动块运动时运动块的位移情况(上方曲线为位移曲线，下方曲线为驱动信号)。根据图5可知，在1ms内运动块位移8μm左右。

参考图6所示的以本申请提供的二阶驱动信号(未包括缓冲阶段)驱动运动块运动时运动块的位移情况(上方曲线为位移曲线，下方曲线为驱动信号)。根据图6可知，在1ms内运动块位移10μm左右。

参考图7所示的以本申请提供的传统的锯齿状驱动信号驱动运动块运动时运动块的位移情况(底部曲线)、二阶驱动信号(缓冲阶段未添加振动信号)驱动运动块运动时运动块的位移情况(中间曲线)和二阶驱动信号(缓冲阶段添加振动信号)驱动运动块运动时运动块的位移情况(上方曲线)。根据图7可知，二阶驱动信号(缓冲阶段添加振动信号)驱动运动块运动时位移最大、二阶驱动信号(缓冲阶段添加振动信号)驱动运动块运动时位移次之、锯齿状驱动信号驱动运动块运动时运动块的位移最小。

综上所述，本实施例提供的压电陶瓷致动器的驱动控制方法，通过确定运动块与接触面之间的摩擦力；使用摩擦力和质量块的质量确定压电陶瓷致动器的二阶驱动信号的目标加速度；根据目标加速度生成二阶驱动信号，二阶驱动信号包括多个驱动周期，每个驱动周期包括具有目标加速度的升压阶段，以及在升压阶段之后的降压阶段；使用二阶驱动信号驱动运动块运动；可以解决使用锯齿状驱动信号驱动运动块运动时驱动运动块的位移较小，驱动效率较低的问题；由于二阶驱动信号在升压阶段以恒定地加速度推动运动块，使得运动块不会产生负向位移；另外，在相同时间内以恒定加速度升压至最大电压与以匀速升压至最大电压相比会产生更大的惯性力从而推动运动块产生更多的正向位移，提高压电陶瓷致动器的驱动效率。

另外，以恒定加速度升压后，由于压电陶瓷致动器惯性较大，可以在降压阶段结束后继续推动运动块移动，从而达到节省资源的效果。

另外，通过在缓冲阶段引入振动信号，可以减小运动块与接触面之间的摩擦力，从而使得运动块运动的距离更远。

图8是本申请另一个实施例提供的电池充电截止电压确定装置的框图。该装置用于压电陶瓷致动器中，压电陶瓷致动器一端连接有放置在接触面上的运动块，另一端连接有质量块。该装置至少包括以下几个模块：摩擦力确定模块810、加速度确定模块820、信号生成模块830和驱动控制模块840。

摩擦力确定模块810，用于确定所述运动块与所述接触面之间的摩擦力；

加速度确定模块820，用于使用所述摩擦力和所述质量块的质量确定所述压电陶瓷致动器的二阶驱动信号的目标加速度；

信号生成模块830，用于根据所述目标加速度生成所述二阶驱动信号，所述二阶驱动信号包括多个驱动周期，每个驱动周期包括具有所述目标加速度的升压阶段，以及在所述升压阶段之后的降压阶段；

驱动控制模块840，用于使用所述二阶驱动信号驱动所述运动块运动。

可选地，所述加速度确定模块820，用于：

计算所述摩擦力与所述质量块的质量的比值；

将小于或等于所述比值的正数确定为所述目标加速度。

可选地，所述二阶驱动信号的每个驱动周期还包括在所述降压阶段之后、且电压小于或等于预设电压的缓冲阶段。

可选地，所述信号生成模块830，用于：

在所述二阶驱动信号中每个驱动周期的缓冲阶段添加振动信号。

可选地，所述缓冲阶段的电压为0。

相关细节参考上述方法实施例。

需要说明的是：上述实施例中提供的压电陶瓷致动器的驱动控制装置在进行压电陶瓷致动器的驱动控制时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将压电陶瓷致动器的驱动控制装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的压电陶瓷致动器的驱动控制装置与压电陶瓷致动器的驱动控制方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。