一种压电陶瓷振幅反馈控制装置及方法

技术领域

本发明涉及超声换能器技术领域，特别涉及一种压电陶瓷振幅反馈控制装置及方法。

背景技术

现有检测超声加工设备振幅的技术包括：离线检测和实时检测。

(1)离线检测：将超声换能器放置于专用的振幅检测装置，给定控制指令，检测装置显示振幅，通过一系列的观测和标定，得到驱动指令-振幅的对应曲线。超声设备工作时，其刀具端面与被加工材料往往紧密贴合在一起，如激光测位移等外部传感器无法进行测量，机床上也没有足够的空间外加传感器，因此有专利提到，在超声设备安装之前，先放置在检测设备上测试振幅，得到性能参数之后再安装在机床上。离线检测方法得到的控制指令和振幅的对应关系只是离散的点，数量有限，在加工条件不发生大的改变的前提下，此种方法是有效的，但在实际加工过程中，一旦加工条件，被加工材料等外部因素发生变化，难以根据预设的对应关系进行控制，加工质量难以保证。因此该方法的应用具有局限性，且难以保证加工质量。

(2)实时检测：这里的实时检测并不是实时检测压电陶瓷的振幅，而是压电陶瓷两端的电信号。根据逆压电效应，为压电陶瓷施加电压，压电陶瓷会发生形变，即压电陶瓷的形变与其驱动电压存在近似线性的对应关系，在对控制精度要求不高的场合，可以直接实时检测电源输出的电信号，间接表征振幅信号。通过压电陶瓷两端的电信号可以表征振幅，但是考虑到压电陶瓷存在迟滞等特性，直接基于电压表征振幅存在较大误差。采用迟滞模型可以补偿迟滞特性，但是该方法局限性较大，当工况改变，模型参数难以进行精确的控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种压电陶瓷振幅反馈控制装置及方法，通过检测压电陶瓷两端的电信号，有效提取压电陶瓷的振幅信息，不附加外部传感器，适用于工作空间有限，对振幅精度要求高的应用场合。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种压电陶瓷振幅反馈控制装置，所述压电陶瓷振幅反馈控制装置应用于超声辅助加工设备，所述超声辅助加工设备包括刀柄和压电陶瓷；所述压电陶瓷振幅反馈控制装置包括：

驱动电路，用于为所述压电陶瓷供电，驱动所述超声辅助加工设备运行；

解耦电路，用于提取所述压电陶瓷两端的电信号；所述电信号包括驱动电路产生的驱动信号和压电陶瓷的正压电效应，所述正压电效应包括振幅信息；

控制电路，与所述驱动电路和所述解耦电路连接，用于根据所述振幅信息以及期望振幅发出控制指令控制驱动电路

为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：

一种压电陶瓷振幅反馈控制方法，所述方法应用上述的压电陶瓷振幅反馈控制装置，所述方法包括：

提取超声辅助加工设备中压电陶瓷的振幅信息；

根据所述振幅信息和期望振幅确定控制指令；

根据控制指令控制驱动电路驱动超声辅助加工设备运行。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明采用解耦电路能够提取表征压电陶瓷振幅的电信号，实时检测压电陶瓷的振幅，减少了环境因素改变对设备运行时的影响；且由于振幅采集位置就在压电陶瓷两端，控制环路减少中间环节，系统响应速度快，控制性能得到改善。本发明无外加传感器，适用于空间狭窄，无法安装传感器的工况，同时减少了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的压电陶瓷振幅反馈控制装置的结构框图；

图2为本发明提供的压电陶瓷振幅反馈控制装置应用于超声辅助加工设备的示意图；

图3为正压电效应和逆压电效应示意图；

图4为解耦电路的结构示意图；

图5为本发明提供的压电陶瓷振幅反馈控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种压电陶瓷振幅反馈控制装置及方法，通过检测压电陶瓷两端的电信号，有效提取压电陶瓷的振幅信息。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1-图2所示，本发明提供的压电陶瓷振幅反馈控制装置应用于超声辅助加工设备101，超声辅助加工设备101包括刀柄1011和压电陶瓷1012。压电陶瓷振幅反馈控制装置包括：驱动电路102、解耦电路103和控制电路107。

驱动电路102用于为压电陶瓷1012供电，驱动超声辅助加工设备101运行。如图3所示，驱动电路102为压电陶瓷1012供电，电能加在AB两端，压电陶瓷1012会发生机械形变；压电陶瓷1012工作时，其端面和被加工材料发生挤压，由正压电效应，会在AB端积累电荷。因此，AB端的电信号由两部分耦合而成，一部分是来自驱动电路102的驱动信号，另一部分来自压电陶瓷1012的正压电效应，这一部分包含了压电陶瓷1012的振幅信息。

解耦电路103用于提取压电陶瓷1012两端的电信号。如图4所示，解耦电路103包括：电压跟随器1031、检测陶瓷1032、变压器1033以及差分电路1034。

压电陶瓷1012放置于超声辅助加工设备101内部，在超声辅助加工设备101外部放置一个相同参数的检测陶瓷1032。电压跟随电路1031保证驱动电路1102的输入电压不受到负载变化的影响，输入电压经过跟随电压电压跟随电路1041，经过变压器1033分别给压电陶瓷1012和检测陶瓷1032供电。

压电陶瓷1012和检测陶瓷1032施加相同的预紧力，但是检测陶瓷1032不进行加工。压电陶瓷1012同时存在正压电效应和逆压电效应，存在电能和机械能的双向流动，当压电陶瓷1012进行加工时，收到硬质材料的挤压，受正压电效应的影响，此时压电陶瓷1012上的电压和检测陶瓷1032上电压存在电压差，差分电路1034获取该信号，用于表征振幅。

控制电路107接收来自上位机109的下发的期望振幅以及接收来自解耦电路103反馈的振幅信息，产生控制指令控制驱动电路102。

进一步地，上位机109经过通讯电路108连接至控制电路107，实现人机交互。

进一步地，高精度的DA转换电路104连接至驱动电路102；解耦电路103连接至高精度的AD转换电路105；控制电路107经过隔离电路106连接至DA转换电路104和AD转换电路105。

DA转换电路104将来自控制电路107的数字指令转换为模拟量，驱动电路102放大模拟量，控制超声辅助加工设备101工作。AD转换电路105将来自解耦电路103的模拟量转换为数字量。隔离电路106将实现低电压电路和高电压电路的电气隔离，起到保护作用。

本发明考虑到压电陶瓷同时存在正压电效应和逆压电效应，压电陶瓷在加工过程中，陶瓷两端的电信号是正逆压电效应共同作用的结果，通过检测陶瓷两端的电信号，通过解耦电路可提取出压电陶瓷的振幅信息，设置控制算法，进而实现超声辅助加工设备的振幅控制。且在本装置中，压电陶瓷同时具备执行器和传感器的功能，不需要额外增加位移传感器，节省了加工装置的空间，降低了成本。

实施例二

为了应用上述实施例一对应的装置，以实现相应的功能和技术效果，下面提供了一种压电陶瓷振幅反馈控制方法。

该方法包括：

S1：提取超声辅助加工设备中压电陶瓷的振幅信息。

S2：根据振幅信息和期望振幅确定控制指令。

S3：根据控制指令控制驱动电路驱动超声辅助加工设备运行。

详细过程如图5所示：

步骤1：用户在上位机输入期望振幅。

步骤2：控制电路接收来自上位机的指令，接收来自解耦电路反馈的陶瓷振幅信息，产生控制指令。

步骤3：DA转换电路将控制指令转换为模拟量。

步骤4：驱动电路将模拟量进行功率放大，驱动超声辅助加工设备运行。

步骤5：解耦电路在不影响超声辅助加工设备正常工作的前提下，提取包含陶瓷振幅信息的电信号幅信息经过AD转换电路转换为数字量，输入控制电路。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。