一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置和方法

技术领域

本发明涉及压电致动器位移响应非线性校正领域，针对现有电荷驱动压电致动器在低频信号驱动下的位移响应失真行为进行校正，具体涉及一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置和方法。

背景技术

压电陶瓷是一种人工制造的多晶体压电材料，将很多压电陶瓷片堆叠起来便构成了压电致动器，压电致动器具有分辨率高、频带宽、效率高、驱动力大、结构紧凑等优点。得益于压电陶瓷在微位移方面优越的性能，压电致动器广泛应用于微定位、能量回收等领域。但是压电材料本身结构因素使压电致动器存在迟滞、蠕变等固有特性，由此带来的非线性响应问题对压电致动器的定位精度造成不利影响。

为解决压电致动器的非线性响应问题，常见的解决方案有前馈控制法、反馈控制法以及电荷驱动法。对于前馈控制法，该方法以压电致动器的电压驱动方式为基础，利用数学模型进行前馈补偿，由于该方法为开环控制，抗干扰能力较差，只靠一个固定的数学模型无法精确拟合具有多个不确定性因素的压电致动器。对于反馈控制法，该方法仍然以电压驱动为基础，所谓反馈法，就是用电容传感器、电阻应变片等位移传感器实时测量压电致动器的位移并进行实时补偿，反馈法采用闭环控制，存在一定的抗干扰能力，但该方法需要额外的高精度位移传感器，成本较高。对于电荷驱动法，该方法从压电致动器的驱动器的研究与设计层面实现对压电致动器高线性度驱动，不需要多余的运算量与硬件设备，仅凭驱动电路本身就能很好的提高压电致动器驱动过程的线性度。然而，传统电荷放大器一般应用在动态驱动领域，低频信号驱动下普遍存在输出信号失真问题，这使其无法在低频信号下使压电致动器保持长时间精确驱动，这对静态、准静态下的压电致动器高线性度驱动及高精度定位带来一定的挑战。对于电荷放大器低频驱动下压电致动器输出失真的校正与补偿，张连生提出了一种用于压电致动器的电荷泵校正驱动方法(参见CN 115912988 A一种用于压电致动器的电荷泵校正驱动方法)，这是一种应用在开关电容式电荷泵驱动电路低频信号下的失真校正方法，这种方法需对输出位移曲线进行多项式拟合，再将拟合得到的校正参数反馈给校正模块，以对输出位移进行校正，虽然该方法取得较好结果，但每次使压电致动器时均需要预先拟合来识别其失真情况，显然该方法过于繁琐，仅能针对压电致动器输出特定位移曲线的校正。杨琛提出一种压电陶瓷电荷驱动-控制电路(参见CN115864892 A一种压电陶瓷电荷驱动-控制电路)，该电路在传统电荷驱动回路的基础上加入了双自由度控制电路来时刻监控输出给压电致动器的电压信号，并以此为依据反馈给控制信号输入端对电荷放大器的控制信号进行实时调整来抑制压电致动器的失真，但是，由于给压电致动器施加的电压值并不能真实反映其位移响应，反馈信号的反馈值仅靠双自由度控制电路模块而非真正能够反映压电致动器位移的模块装置做决断，显然不能从根本上解决问题。

发明内容

为解决电荷驱动的压电致动器在低频信号下的位移响应失真行为，本发明提供一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置和方法，在压电致动器驱动回路中串联电容实时采集电荷放大器输出电荷情况，并将其转换为对应等效电压值，通过该等效电压作为反馈对信号发生器信号进行高线性度修正，修正信号经电荷放大器输出至压电致动器两极，能够有效抑制压电致动器非线性位移响应问题，提升压电致动器位移响应线性度和精度。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置，包括：信号发生器、信号修正模块、电荷放大器、压电致动器及输出电荷采集模块。所述信号发生器产生控制信号，为压电致动器位移响应提供参考；所述信号修正模块接收前级信号发生器输出的控制信号与输出电荷采集模块输出的反馈信号，经处理后输出修正信号给后级电荷放大器；所述电荷放大器将输入电压信号转换为电荷激励信号输出，以驱动压电致动器；所述压电致动器接收电荷放大器激励信号并产生相应位移响应；所述输出电荷采集模块中电荷采集电容串联在电荷驱动回路中，将电荷放大器输出电荷量等比例转换为电压信号并反馈给信号修正模块，以完成对压电致动器位移响应的校正。

进一步地，所述信号修正模块需要由比例放大器K

进一步地，所述输出电荷采集模块需要由电荷采集电容C

进一步地，所述输出电荷采集模块中，电荷采集电容C

进一步地，所述电荷放大器为通常带有直流反馈回路的电荷放大电路构型，可以采用现有电荷放大器产品，也可自主搭建电路实现，其内部核心放大器芯片需为能够输出高电压大电流的功率放大器芯片。

此外，本发明还提供了一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正方法，该方法包括以下步骤：

1)所述电荷放大器在信号发生器输入信号V

2)所述输出电荷采集模块准确检测电容C

3)所述信号修正模块中的比例放大器K

4)所述修正信号再次发送给电荷放大器，输出经校正后的电荷量，使压电致动器位移响应得以校正。

本发明的原理在于：在传统的压电致动器驱动回路中串联一个电荷采集电容C

本发明与现有技术相比有如下有益效果：

(1)与现有压电致动器电荷驱动技术相比，本发明在其基础上设计增加了输出电荷采集模块与信号修正模块，在不过分增加系统复杂性的前提下有效消除电荷放大器在低频信号下的输出失真现象，提升压电致动器的位移响应线性度。

(2)与传统电压放大器和位移传感器搭配做闭环控制提升位移响应线性度的方案相比，本发明不需采用昂贵的位移传感器进行位移测量与反馈，具有方法简单、容易实施、成本低廉的优点。

综上所述，本发明根据串联电容下每个电容器的电荷量相等以及压电致动器电荷量与位移响应成正比的原理，实现压电致动器位移响应精确跟踪，有效抑制电荷放大器低频信号驱动下压电致动器的位移响应失真行为，方法简单有效，特别适用于微纳米级别的高精度位移控制、低频自适应光学镜面面型控制和保持等领域，具有重要意义和应用价值。

附图说明

图1为传统电荷放大器电路原理图；

图2为本发明基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置结构框图；

图3为本发明基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置电路原理图；

图4为本发明基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置具体实施电路设计图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为传统电荷放大器的电路原理图，其中R

根据系统传递函数(1)式，电荷放大器需满足R

下面结合图2、图3、图4进一步说明本发明的装置和具体实施步骤。

本发明提供基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置和方法。如图2～图3所示，本发明的一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置包括信号发生器1、信号修正模块2、电荷放大器3、压电致动器4及输出电荷采集模块5；

所述信号发生器1用于产生控制信号使压电致动器4产生相应位移响应，其输出端与信号修正模块2第一输入端相连；

所述信号修正模块2同时接收信号发生器1输出的控制信号与输出电荷采集模块5输出的反馈信号，经处理后输出修正信号给电荷放大器3以抑制其输出失真，所述信号修正模块2具有两个输入端一个输出端，其第一输入端与信号发生器1输出端相连，其第二输入端与输出电荷采集模块5输出端相连，其输出端与电荷放大器3输入端相连；

所述电荷放大器3将输入电压信号转换为电荷量输出，所述电荷放大器3具有一个输出端两个输入端，其正输入端与信号修正模块2输出端相连，其负输入端与压电致动器4一端相连，其输出端与输出电荷采集模块5第一输入端相连；

所述压电致动器4接收电荷放大器3输出电荷量并产生相应的位移响应，其一端与电荷放大器3负输入端相连，一端与输出电荷采集模块5第二输入端相连；

所述输出电荷采集模块5对电荷放大器3输出的电荷量实时采集并等比例转换为电压信号，所述输出电荷采集模块5具有两个输入端一个输出端，其第一输入端与电荷放大器3输出端相连，第二输入端与压电致动器4一端相连，输出端信号修正模块2的输入端相连。

本发明实施例中，如图4所示，所述信号修正模块2由比例放大器K

本发明实施例中，如图4所示，所述输出电荷采集模块5由电荷采集电容C

本发明实施例中，所述输出电荷采集模块5中，电荷采集电容C

本发明实施例中，所述电荷放大器3为通常带有直流反馈回路的电荷放大电路，优选采用现有电荷放大器产品PI E-506.10。

本发明实施例中，所述压电致动器4优选采用等效电容为10μF的PI 840.60，电荷采集电容C

本发明实施例中，在搭建完成以上基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置后，之后按照本发明提供的基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正方法使用该装置，该方法包括以下步骤：

步骤1)电荷放大器3在信号发生器1输入信号V

步骤2)输出电荷采集模块5准确检测电荷采集电容C

步骤3)信号修正模块2内的比例放大器K

步骤4)修正信号再次发送给电荷放大器3，并输出校正后的电荷量，使压电致动器4的位移响应得以校正。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭示的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。