一種利用自身電容變化作為位移反潰的壓電陶瓷致動(dòng)器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種利用自身電容變化作為位移反潰的壓電陶瓷致動(dòng)器，屬于精密運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域。本發(fā)明包括壓電陶瓷微位移致動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)模塊、位移指令輸出模塊、電容信號(hào)采集模塊、閉環(huán)控制模塊。本發(fā)明利用壓電陶瓷微位移致動(dòng)器本身的電容變化作為監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)元件的位移變化，使驅(qū)動(dòng)元件與位移反饋元件集于一體，規(guī)避了傳統(tǒng)技術(shù)必須增加外置位移傳感器的技術(shù)壁壘，在簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)復(fù)雜度的同時(shí)，還解決了由于需要接觸安裝傳感器產(chǎn)生致動(dòng)器安全性差的技術(shù)難點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種利用自身電容變化作為位移反潰的壓電陶瓷致動(dòng)器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用自身電容變化作為位移反潰的壓電陶瓷致動(dòng)器，屬于精密運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電陶瓷微位移致動(dòng)器因其運(yùn)動(dòng)分辨率高、驅(qū)動(dòng)力大，在精密機(jī)床、納米級(jí)運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
[0003]壓電陶瓷微位移致動(dòng)器是基于壓電材料的逆壓電效應(yīng)工作的微位移驅(qū)動(dòng)元件，其伸長(zhǎng)量與施加在壓電陶瓷材料上的電場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)，但并非單調(diào)對(duì)應(yīng)關(guān)系，而是有一定的遲滯，其最大遲滯量一般為最大行程的15%左右，在精密運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足要求，需要采用閉環(huán)控制方式實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)控制。
[0004]目前壓電陶瓷微位移致動(dòng)器的位移反饋控制是通過(guò)外置位移傳感器的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，位移傳感器安裝在致動(dòng)器上，用來(lái)采集壓電陶瓷微位移致動(dòng)器的伸長(zhǎng)量，然后通過(guò)采集得到的致動(dòng)器的實(shí)際伸長(zhǎng)量與控制系統(tǒng)發(fā)出的伸長(zhǎng)量指令進(jìn)行比較，進(jìn)而進(jìn)行位移修正。傳統(tǒng)的外置位移傳感器包括電容位移傳感器和電阻應(yīng)變計(jì)傳感器；電容位移傳感器的優(yōu)點(diǎn)是位移分辨率高，缺點(diǎn)是其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造、安裝、調(diào)整不便，且容易受環(huán)境影響，電容變化與位移變化呈非線(xiàn)性關(guān)系；電阻應(yīng)變計(jì)傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，缺點(diǎn)是由于應(yīng)變計(jì)與壓電陶瓷的高壓驅(qū)動(dòng)電極精密接觸，導(dǎo)致致動(dòng)器安全性較差，容易被高壓擊穿。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)壓電陶瓷微位移致動(dòng)器的位移反饋控制需要外置位移傳感器，增加機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，且安全性較差等問(wèn)題，而提供一種利用自身電容變化作為位移反潰的壓電陶瓷致動(dòng)器。
[0006]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明的一種利用自身電容變化作為位移反潰的壓電陶瓷致動(dòng)器，包括壓電陶瓷微位移致動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)模塊、位移指令輸出模塊、電容信號(hào)采集模塊、閉環(huán)控制模塊；
[0008]位移指令輸出模塊向驅(qū)動(dòng)模塊輸出位移驅(qū)動(dòng)指令；
[0009]電容信號(hào)采集模塊用于采集壓電陶瓷微位移致動(dòng)器的電容容量，并將其轉(zhuǎn)化為致動(dòng)器的實(shí)際位移值后輸出給閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制模塊；
[0010]閉環(huán)控制模塊對(duì)電容信號(hào)采集模塊輸入的實(shí)際位移值和位移控制模塊輸入的指令位移值相比較，得出位移修正值并向驅(qū)動(dòng)模塊輸出位移修正指令；
[0011]驅(qū)動(dòng)模塊將接收位移控制模塊和閉環(huán)控制模塊的位移指令轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷微位移致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電壓，向壓電陶瓷微位移致動(dòng)器輸出該驅(qū)動(dòng)電壓；
[0012]位移指令輸出模塊與驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端數(shù)據(jù)線(xiàn)連接，位移指令輸出模塊向驅(qū)動(dòng)模塊輸出位移驅(qū)動(dòng)指令；驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端與壓電陶瓷微位移致動(dòng)器的位移控制電路數(shù)據(jù)線(xiàn)連接，驅(qū)動(dòng)模塊將位移驅(qū)動(dòng)指令轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)電壓后向壓電陶瓷微位移致動(dòng)器的位移控制電路輸出該電壓，組成驅(qū)動(dòng)控制電路；同時(shí)，壓電陶瓷微位移致動(dòng)器與電容信號(hào)采集模塊的輸入端數(shù)據(jù)線(xiàn)連接，壓電陶瓷微位移致動(dòng)器向電容信號(hào)采集模塊的輸出其電容容量；電容信號(hào)采集模塊輸出端與位移指令輸出模塊分別與閉環(huán)控制模塊的輸入端數(shù)據(jù)線(xiàn)連接，電容信號(hào)采集模塊將得到的電容容量轉(zhuǎn)換為實(shí)際位移值，并輸出給閉環(huán)控制模塊，位移指令輸出模塊同時(shí)將位移驅(qū)動(dòng)指令輸出給閉環(huán)控制模塊；閉環(huán)控制模塊的輸出端與驅(qū)動(dòng)模塊據(jù)線(xiàn)連接輸入端數(shù)據(jù)線(xiàn)連接，閉環(huán)控制模塊對(duì)電容信號(hào)采集模塊輸入的實(shí)際位移值和位移控制模塊輸入的指令位移值相比較，得出位移修正值并向驅(qū)動(dòng)模塊輸出位移修正指令，形成閉環(huán)控制電路。
[0013]工作過(guò)程
[0014]位移指令輸出模塊向驅(qū)動(dòng)模塊輸出位移驅(qū)動(dòng)指令，通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊控制壓電陶瓷微位移致動(dòng)器產(chǎn)生位移量，同時(shí)，位移指令輸出模塊將該位移驅(qū)動(dòng)指令輸出給閉環(huán)控制模塊，閉環(huán)控制模塊將該位移驅(qū)動(dòng)指令作為閉環(huán)控制參考值；壓電陶瓷微位移致動(dòng)器發(fā)生位移后，產(chǎn)生電容量變化，電容信號(hào)采集模塊采集壓電陶瓷微位移致動(dòng)器的電容容量，并將其轉(zhuǎn)化為致動(dòng)器的實(shí)際位移值后輸出給閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制模塊；閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制模塊將得到的實(shí)際位移值和指令位移值相比較，得出位移修正值并向驅(qū)動(dòng)模塊輸出位移修正指令，驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)該位移修正指令控制壓電陶瓷微位移致動(dòng)器修正其位移量，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。
[0015]有益效果
[0016]本發(fā)明利用壓電陶瓷微位移致動(dòng)器本身的電容變化作為監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)元件的位移變化，使驅(qū)動(dòng)元件與位移反饋元件集于一體，規(guī)避了傳統(tǒng)技術(shù)必須增加外置位移傳感器的技術(shù)壁壘，在簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)復(fù)雜度的同時(shí)，還解決了由于需要接觸安裝傳感器產(chǎn)生致動(dòng)器安全性差的技術(shù)難點(diǎn)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明致動(dòng)器的閉環(huán)控制示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0019]實(shí)施例
[0020]本發(fā)明的一種利用自身電容變化作為位移反潰的壓電陶瓷致動(dòng)器，包括壓電陶瓷微位移致動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)模塊、位移指令輸出模塊、電容信號(hào)采集模塊、閉環(huán)控制模塊；
[0021]位移指令輸出模塊向驅(qū)動(dòng)模塊輸出位移驅(qū)動(dòng)指令；
[0022]電容信號(hào)采集模塊用于采集壓電陶瓷微位移致動(dòng)器的電容容量，并將其轉(zhuǎn)化為致動(dòng)器的實(shí)際位移值后輸出給閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制模塊；
[0023]閉環(huán)控制模塊對(duì)電容信號(hào)采集模塊輸入的實(shí)際位移值和位移控制模塊輸入的指令位移值相比較，得出位移修正值并向驅(qū)動(dòng)模塊輸出位移修正指令；
[0024]驅(qū)動(dòng)模塊將接收位移控制模塊和閉環(huán)控制模塊的位移指令轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷微位移致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電壓，向壓電陶瓷微位移致動(dòng)器輸出該驅(qū)動(dòng)電壓；
[0025]位移指令輸出模塊與驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端數(shù)據(jù)線(xiàn)連接，位移指令輸出模塊向驅(qū)動(dòng)模塊輸出位移驅(qū)動(dòng)指令；驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端與壓電陶瓷微位移致動(dòng)器的位移控制電路數(shù)據(jù)線(xiàn)連接，驅(qū)動(dòng)模塊將位移驅(qū)動(dòng)指令轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)電壓后向壓電陶瓷微位移致動(dòng)器的位移控制電路輸出該電壓，組成驅(qū)動(dòng)控制電路；同時(shí)，壓電陶瓷微位移致動(dòng)器與電容信號(hào)采集模塊的輸入端數(shù)據(jù)線(xiàn)連接，壓電陶瓷微位移致動(dòng)器向電容信號(hào)采集模塊的輸出其電容容量；電容信號(hào)采集模塊輸出端與位移指令輸出模塊分別與閉環(huán)控制模塊的輸入端數(shù)據(jù)線(xiàn)連接，電容信號(hào)采集模塊將得到的電容容量轉(zhuǎn)換為實(shí)際位移值，并輸出給閉環(huán)控制模塊，位移指令輸出模塊同時(shí)將位移驅(qū)動(dòng)指令輸出給閉環(huán)控制模塊；閉環(huán)控制模塊的輸出端與驅(qū)動(dòng)模塊據(jù)線(xiàn)連接輸入端數(shù)據(jù)線(xiàn)連接，閉環(huán)控制模塊對(duì)電容信號(hào)采集模塊輸入的實(shí)際位移值和位移控制模塊輸入的指令位移值相比較，得出位移修正值并向驅(qū)動(dòng)模塊輸出位移修正指令，形成閉環(huán)控制電路。
[0026]工作過(guò)程
[0027]位移指令輸出模塊向驅(qū)動(dòng)模塊輸出位移驅(qū)動(dòng)指令，通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊控制壓電陶瓷微位移致動(dòng)器產(chǎn)生位移量，同時(shí)，位移指令輸出模塊將該位移驅(qū)動(dòng)指令輸出給閉環(huán)控制模塊，閉環(huán)控制模塊將該位移驅(qū)動(dòng)指令作為閉環(huán)控制參考值；壓電陶瓷微位移致動(dòng)器發(fā)生位移后，產(chǎn)生電容量變化，電容信號(hào)采集模塊采集壓電陶瓷微位移致動(dòng)器的電容容量，并將其轉(zhuǎn)化為致動(dòng)器的實(shí)際位移值后輸出給閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制模塊；閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制模塊將得到的實(shí)際位移值和指令位移值相比較，得出位移修正值并向驅(qū)動(dòng)模塊輸出位移修正指令，驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)該位移修正指令控制壓電陶瓷微位移致動(dòng)器修正其位移量，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。
【權(quán)利要求】
1.一種利用自身電容變化作為位移反潰的壓電陶瓷致動(dòng)器，其特征是:包括壓電陶瓷微位移致動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)模塊、位移指令輸出模塊、電容信號(hào)采集模塊、閉環(huán)控制模塊； 位移指令輸出模塊向驅(qū)動(dòng)模塊輸出位移驅(qū)動(dòng)指令； 電容信號(hào)采集模塊用于采集壓電陶瓷微位移致動(dòng)器的電容容量，并將其轉(zhuǎn)化為致動(dòng)器的實(shí)際位移值后輸出給閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制模塊； 閉環(huán)控制模塊對(duì)電容信號(hào)采集模塊輸入的實(shí)際位移值和位移控制模塊輸入的指令位移值相比較，得出位移修正值并向驅(qū)動(dòng)模塊輸出位移修正指令； 驅(qū)動(dòng)模塊將接收位移控制模塊和閉環(huán)控制模塊的位移指令轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷微位移致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電壓，向壓電陶瓷微位移致動(dòng)器輸出該驅(qū)動(dòng)電壓； 位移指令輸出模塊與驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端數(shù)據(jù)線(xiàn)連接，位移指令輸出模塊向驅(qū)動(dòng)模塊輸出位移驅(qū)動(dòng)指令；驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端與壓電陶瓷微位移致動(dòng)器的位移控制電路數(shù)據(jù)線(xiàn)連接，驅(qū)動(dòng)模塊將位移驅(qū)動(dòng)指令轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)電壓后向壓電陶瓷微位移致動(dòng)器的位移控制電路輸出該電壓，組成驅(qū)動(dòng)控制電路；同時(shí)，壓電陶瓷微位移致動(dòng)器與電容信號(hào)采集模塊的輸入端數(shù)據(jù)線(xiàn)連接，壓電陶瓷微位移致動(dòng)器向電容信號(hào)采集模塊的輸出其電容容量；電容信號(hào)采集模塊輸出端與位移指令輸出模塊分別與閉環(huán)控制模塊的輸入端數(shù)據(jù)線(xiàn)連接，電容信號(hào)采集模塊將得到的電容容量轉(zhuǎn)換為實(shí)際位移值，并輸出給閉環(huán)控制模塊，位移指令輸出模塊同時(shí)將位移驅(qū)動(dòng)指令輸出給閉環(huán)控制模塊；閉環(huán)控制模塊的輸出端與驅(qū)動(dòng)模塊據(jù)線(xiàn)連接輸入端數(shù)據(jù)線(xiàn)連接，閉環(huán)控制模塊對(duì)電容信號(hào)采集模塊輸入的實(shí)際位移值和位移控制模塊輸入的指令位移值相比較，得出位移修正值并向驅(qū)動(dòng)模塊輸出位移修正指令，形成閉環(huán)控制電路。
【文檔編號(hào)】G05D3/12GK103676969SQ201310591326
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月20日
【發(fā)明者】李華豐, 朱振宇, 李強(qiáng), 蘭一兵, 張麗娟 申請(qǐng)人:中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所