基于自感知反馈电路的压电位移驱动器的控制系统的制作方法

本实用新型属于位移驱动器技术领域，具体涉及一种基于自感知反馈电路的压电位移驱动器的控制系统。

背景技术：

微位移驱动器是精密驱动系统中的关键执行环节，现有的微位移驱动元件种类包括机电驱动类、电磁驱动类、压电驱动类、磁致伸缩驱动类。压电位移驱动器以其体积小、分辨率高、响应快、无噪声、外界干扰小和推力大等特点相比与其他种类驱动具有明显优点。

压电陶瓷位移驱动器由于压电陶瓷本身的迟滞特性，改善迟滞特性并实现闭环稳定控制为本领域的最大难点。迟滞特性具体表现为在通有输入电压时表现出多值映射性，即对相同的输入信号，其输出信号若无系统历史输出状态参考的情况下会出现多值。为了确定系统的输出量，输出信号不仅依赖于输入信号当前值，还依赖于系统以前的状态，呈现出记忆性。

目前，对于迟滞模型的研究一直是理论界的热点和难点问题，迟滞模型的精确建立是一项极富挑战性的工作，且尚无统一的迟滞模型。迄今为止专家学者们研究的迟滞数学模型主要包括两类：物理迟滞模型和唯象迟滞模型。物理迟滞模型是从描述迟滞材料的基本物理原理出发，通过能量、位移或者应力-应变的物理量的关系推导迟滞模型。唯象迟滞模型是从迟滞曲线的唯象特性出发，直接采用有效的数学模型表征迟滞曲线，无需关注迟滞系统的物理意义，是目前研究和应用中更为普遍的一种。

现有的基于迟滞逆模型的压电陶瓷驱动控制方法为对迟滞模型先进行建模，再通过数值计算法和解析法建立磁滞逆模型，然后在此基础上，设计基于逆模型的前馈控制器消除迟滞非线性带来的影响，经过逆模型补偿后的系统可近似看作是线性系统。实际应用时，为达到精确控制系统线性度的目的，还加入闭环控制以补偿系统的不确定性和干扰。现有的闭环控制系统中，通常是在压电陶瓷位移驱动器上外加集成的传感器，通过集成的传感器来检测位移驱动器发生位移的大小向控制系统反馈实际位移信号，其缺点是外加的传感器与执行器(位移驱动器)动态特性不完全相同，易使系统的稳定性变差，传感器系统体积较大，不易小型化。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种基于自感知反馈电路的压电位移驱动器的控制系统，基于压电陶瓷自感知探测进行闭环反馈，可以使系统响应速度加快，性能提高，并使系统的体积、重量减小。

为了达到目的，本实用新型采用了如下的技术方案：

一种基于自感知反馈电路的压电位移驱动器的控制系统，其中，所述控制系统包括FPGA控制电路、功率放大电路、压电位移驱动器以及自感知反馈电路；所述FPGA控制电路根据预期位移信号和所述自感知反馈电路反馈的实际位移信号生成控制电压信号，并将所述控制电压信号输入至所述功率放大电路；所述功率放大电路将所述控制电压信号进行功率放大形成驱动电压输入至所述压电位移驱动器，以使所述压电位移驱动器产生相应的位移量；所述自感知反馈电路与所述压电位移驱动器连接并将所述压电位移驱动器作为感应器，所述自感知反馈电路根据所述压电位移驱动器的位移量生成相应的实际位移信号反馈至所述FPGA控制电路。

具体地，所述FPGA控制电路包括滑模控制模块、数模转换模块和模数转换模块；所述滑模控制模块根据预期位移信号和所述自感知反馈电路反馈的实际位移信号生成控制电压信号；所述数模转换模块连接在所述滑模控制模块和所述功率放大电路之间，用于将所述控制电压信号的数字信号转换为模拟信号；所述模数转换模块连接在所述滑模控制模块和所述自感知反馈电路之间，用于将所述自感知反馈电路反馈的实际位移信号的模拟信号转换为数字信号。

具体地，所述滑模控制模块为设置有二阶滑模算法的滑模控制模块。

具体地，所述自感知反馈电路为电桥电路，所述压电位移驱动器连接在所述电桥电路的其中一个桥臂上。

具体地，所述电桥电路包括依次连接的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，所述第一桥臂上设置有所述压电位移驱动器，所述第二桥臂上设置有第一电阻，所述第三桥臂上设置有第二电阻，所述第四桥臂上设置有参考电容；其中，所述功率放大电路提供的驱动电压的正极连接于所述第一桥臂和所述第四桥臂的连接点，负极连接于所述第二桥臂和所述第三桥臂的连接点；所述第一桥臂和所述第二桥臂的连接点与所述第三桥臂和所述第四桥臂的连接点之间输出反馈的实际位移信号。

具体地，所述压电位移驱动器包括位移放大机构和压电陶瓷，所述功率放大电路提供的驱动电压使得所述压电陶瓷的长度发生变化，所述位移放大机构将所述压电陶瓷的长度变化进行放大。

本实用新型实施例提供的基于自感知反馈电路的压电位移驱动器的控制系统，采用压电陶瓷自感知探测进行闭环反馈，压电位移驱动器中的压电陶瓷不仅用于作为位移机构的驱动器，并且还用于作为闭环反馈电路中的感应器，驱动器和感应器融为一体，可以使系统响应速度加快，性能提高，并且还减少了系统所需传感器数量，使系统体积减小、系统重量降低。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的基于自感知反馈电路的压电位移驱动器的控制系统的结构框图；

图2是本实用新型实施例中的压电位移驱动器的结构示意图；

图3是本实用新型实施例中的自感知反馈电路的电路图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本实用新型的实施方式仅仅是示例性的，并且本实用新型并不限于这些实施方式。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型，在附图中仅仅示出了与根据本实用新型的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本实用新型关系不大的其他细节。

本实施例提供了一种基于自感知反馈电路的压电位移驱动器的控制系统，如图1所示，所述控制系统包括FPGA控制电路1、功率放大电路2、压电位移驱动器3以及自感知反馈电路4。

其中，所述FPGA控制电路1根据预期位移信号和所述自感知反馈电路4反馈的实际位移信号生成控制电压信号，并将所述控制电压信号输入至所述功率放大电路2。所述功率放大电路2将所述控制电压信号进行功率放大形成驱动电压输入至所述压电位移驱动器3，以使所述压电位移驱动器3产生相应的位移量；所述自感知反馈电路4与所述压电位移驱动器3连接并将所述压电位移驱动器3作为感应器，所述自感知反馈电路4根据所述压电位移驱动器3的位移量生成相应的实际位移信号反馈至所述FPGA控制电路1。

其中，如图2所示，所述压电位移驱动器3包括位移放大机构31和压电陶瓷32，所述压电陶瓷32具有正负电极以接收所述功率放大电路2输出的驱动电压，所述功率放大电路2提供的驱动电压使得所述压电陶瓷32的长度发生变化，所述位移放大机构31将所述压电陶瓷32的长度变化进行放大。

本实施例中，如图1所示，所述FPGA控制电路1包括滑模控制模块11、数模转换模块12和模数转换模块13。所述数模转换模块12连接在所述滑模控制模块11和所述功率放大电路2之间，所述模数转换模块13连接在所述自感知反馈电路4和所述滑模控制模块11之间。所述滑模控制模块11根据预期位移信号和所述自感知反馈电路4反馈的实际位移信号生成控制电压信号，该控制电压信号为数字信号。所述数模转换模块12用于将所述控制电压信号的数字信号转换为模拟信号，再将该控制电压信号的模拟信号输入到所述功率放大电路2。所述自感知反馈电路4以所述压电位移驱动器3作为感应器获取实际位移信号的模拟信号，所述模数转换模块13用于将所述实际位移信号的模拟信号转换为数字信号，再将该实际位移信号的数字信号输入到所述滑模控制模块11。

本实用新型中采用滑模控制算法生成控制信号，不需要通过对复杂的磁滞模型建模来实现，其具有输出位移精度高、结构紧凑、线性度高等优点，并且相比建立精确迟滞模型简化了计算量，提升了控制系统的性能。在优选的方案中，所述滑模控制模块11为设置有二阶滑模算法的滑模控制模块，具体是设置有二阶Twisting滑模控制算法。

其中，所述自感知反馈电路4为电桥电路，所述压电位移驱动器3连接在所述电桥电路的其中一个桥臂上。具体地，如图3所示，所述电桥电路包括依次连接的第一桥臂L1、第二桥臂L2、第三桥臂L3和第四桥臂L4。所述第一桥臂L1上设置有所述压电位移驱动器3的压电陶瓷32，如图3中，第一桥臂L1上的电容Cp是压电陶瓷32的等效束缚电容，电压Up是压电陶瓷32由于应变而产生的电压。所述第二桥臂L2上设置有第一电阻R1，所述第三桥臂L3上设置有第二电阻R2，所述第四桥臂L4上设置有参考电容Cr。其中，所述功率放大电路2提供的驱动电压Uc的正极连接于所述第一桥臂L1和所述第四桥臂L4的连接点，负极连接于所述第二桥臂L2和所述第三桥臂L3的连接点；所述第一桥臂L1和所述第二桥臂L2的连接点与所述第三桥臂L3和所述第四桥臂L4的连接点之间输出反馈的实际位移信号Us。

所述电桥电路中，通过调试选择第一电阻R1、第二电阻R2以及参考电容Cr的具体参数使得电桥电路的初始状态为平衡电桥。当驱动电压Uc驱动所述压电陶瓷32的长度发生变化时，电桥电路中的电容Cp和电压Up发生变化，由此在电桥输出端获得相应的实际位移信号Us。基于以上的电桥电路，实现了位移驱动器和位移感应器融为一体。

综上所述，根据本实用新型的实施例提供的基于自感知反馈电路的压电位移驱动器的控制系统：首先是采用滑模控制算法生成控制信号，不需要通过对复杂的磁滞模型建模来实现，其具有输出位移精度高、结构紧凑、线性度高等优点；其次是采用压电陶瓷自感知探测进行闭环反馈，压电位移驱动器中的压电陶瓷不仅用于作为位移机构的驱动器，并且还用于作为闭环反馈电路中的感应器，驱动器和感应器融为一体，可以使系统响应速度加快，性能提高，并且还减少了系统所需传感器数量，使系统体积减小、系统重量降低。

虽然已经参照特定实施例示出并描述了本实用新型，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本实用新型的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。