专利名称：压电陶瓷驱动器抗迟滞驱动方法
技术领域：
本发明涉及应用在实现纳米级定位中，对于作为微动工作台驱动元件的钨青铜系列压电陶瓷驱动器的迟滞特性进行改善的方法。
背景技术：
随着纳米测量技术的发展，对于能够实现纳米级定位的多自由度微动工作台的研究越来越受到人们的重视。微动工作台驱动元件的选择和使用直接影响着最终的性能指标。目前，在实践中采用的微小位移驱动元件有很多种，而压电陶瓷驱动器以其体积小、重量轻、驱动电压不高、精度和位移分辨率高、频率响应快、不发热、不产生噪声、承载力大等特性，成为微定位控制领域应用最广的驱动元件之一。但是，压电陶瓷材料所固有的非线性特性、迟滞特性、蠕变特性等，都大大限制了压电陶瓷驱动器定位精度的进一步提高，其中迟滞误差对精度的影响最大。因此，如何改善压电陶瓷驱动器的迟滞特性成为我们实现超精密定位所需解决的首要问题。对此国内外专家学者进行了大量的研究，并提出了一系列的理论和方法来改善其特性。目前在驱动器的开环或半闭环控制中提出的减小迟滞的方法主要有1、电荷控制法；2、压电陶瓷两端串联小电容的方法；3、Preisach模型；4、通用化的Maxwell模型；5、多项式近似模型；6、采用电容和电阻组成桥路。但是，这些方法需要通过建立复杂的数学模型来进行控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是避免上述现有技术中所存在的不足之处，提供一种压电陶瓷驱动器抗迟滞驱动方法。以降低其迟滞误差和非线性误差，使得这种驱动器可以在实际中更方便地进行应用。
本发明的特点在于选择硬性钨青铜型压电陶瓷驱动器，并设置其电压驱动方式为设置目标电压值V1、V2、V3......Vn逐级变化的阶跃式驱动电压，在每一目标电压值附近，经过高频往复振动后再达到目标电压值。
目前，应用最广的是以机械串联、电学并联方式极化而成的多层压电陶瓷驱动器。当在驱动器上施加恒定压力时，其压电方程可以表示为ΔL＝Nd33V式中，N为陶瓷叠层数；d33为压电常数；V为所加的电压；ΔL为沿厚度方向所产生的位移。从钨青铜系列压电陶瓷驱动器在开环控制下实际测量得到的压电陶瓷电压-位移曲线可以得知，当电压从最大值开始减小时，其位移不是从上升的位移曲线返回，而是出现了较大的位移滞后，特别是在50伏(电压范围为0-100V)的控制电压下，相同输入电压对应的位移滞后已经达到0.231微米(总量程只有1.33微米)。这种电压-位移间的滞后关系就是压电陶瓷驱动器的迟滞特性。这是因为，只有当材料是单晶单畴状态且处于弱电场时，d才为常数。但是对于由多晶体构成的压电陶瓷材料来说，由于其组成晶体存在着大量的电畴，当存在强电场作用时，电畴的转向运动使得d不再是常数，而成为了随电场强度E变化的函数。这样，驱动器所产生的位移量不仅与电压有关，并且还与变化的压电常数有关。当电畴处于转角为180°的状态时，当其反转时，驱动器不会产生位移滞后现象；但是当电畴处于转角为90°的状态时，当电压下降时，90°畴的反转就会使驱动器在平行或垂直于电场方向上的位移量成非线性增加，而这也就导致压电陶瓷驱动器出现电压一位移迟滞现象。
根据以上的原理分析可得，非180°电畴的存在直接导致了压电陶瓷迟滞特性的形成。为了改善这部分电畴的工作状态，本发明提出在控制时使驱动电压的改变不再是单一的上升或下降，而是通过在目标电压值附近的高频往复振动，再达到目标电压值。这样既可以使电畴的转向不再按照单一的规律变化，而成为多次的往复转向，使它尽可能接近180°电畴的特性，从而有效降低迟滞作用。实验证明，与已有技术相比，本发明采用这种新的驱动方式可以使驱动器的迟滞误差下降70％～90％。同时对其线性度也有很大改善，通过使用这种方法，线性度可以达到1％以上。
附图
为本发明方法中驱动电压波形图。
具体实施例方式本实施例选择硬性钨青铜压电陶瓷驱动器，这种驱动器和软性的钙钛矿结构压电陶瓷驱动器相比，迟滞特性、蠕变误差均有很大改善，特别是在性能方面比较稳定。具体实施中，设置其电压驱动方式为设置以目标电压值V1、V2、V3......Vn逐级变化的阶跃式驱动电压，在每一目标电压值附近，经过高频往复振动后再达到目标电压值。
以0～100伏的电压范围为例。每次的变压间隔为10伏。V1＝10伏为目标电压值，V2＝20，V3＝30为其后的各目标电压值。在施加电压序列时，采用如下的施加电压序列0～15～5～15～5～15～10～25～15～25～15～25～20，以此类推，一直到达目标电压顶点100伏；以上为电压的上升序列，当电压下降时，原理是一样的，也是在目标电压周围进行振动。对于钨青铜型压电陶瓷驱动器来讲，由于在驱动器极化过程中，造成驱动器之间结构并不完全相同，所以在施加此种方法的过程中，必须进行相应的微调。例如说，在以上所举的例子中选用的振动电压为5伏间隔，另外的驱动器采用这种方法可能就不行，那么我们就可以采用振动电压为10伏间隔来进行，而得到的效果同样也大大降低了压电陶瓷的迟滞误差，同时改善了驱动器的非线性特性。
权利要求
1.压电陶瓷驱动器抗迟滞驱动方法，其特征在于选择硬性钨青铜型压电陶瓷驱动器，并设置其电压驱动方式为设置目标电压值(V1、V2、V3......Vn)逐级变化的阶跃式驱动电压，在每一目标电压值附近，经过高频往复振动后再达到目标电压值。
2.根据权利要求1所述的压电陶瓷驱动器抗迟滞驱动方法，其特征是在所述目标电压值附近高频往复振动的电压波形为方波。
全文摘要
压电陶瓷驱动器抗迟滞驱动方法，其特征在于选择硬钨青铜压电陶瓷驱动器，并设置其电压驱动方式为设置以目标电压值V1、V2、V3…Vn逐级变化的阶跃式驱动电压，在每一目标电压值附近，经过高频往复振动后再达到目标电压值。本发明方法可以使驱动器不仅在迟滞特性、非线性误差上有很大的改善，也使其在性能方面更为稳定。
文档编号H02N2/14GK1567693SQ03131939
公开日2005年1月19日 申请日期2003年6月17日 优先权日2003年6月17日
发明者余晓芬, 俞建卫, 王永红, 黄其圣, 邓辉, 魏玉凤 申请人:合肥工业大学