[发明专利]压电位移驱动器的控制系统

说明书

本发明提供了一种压电位移驱动器的控制系统，其包括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；FPGA控制电路根据预期位移信号和反馈的实际位移信号生成控制电压信号，输入至所述功率放大电路；功率放大电路将控制电压信号进行功率放大形成驱动电压输入至压电位移驱动器；自感知反馈电路与压电位移驱动器连接并将压电位移驱动器作为感应器，根据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FPGA控制电路。本发明的控制系统是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。

技术领域

本发明属于位移驱动器技术领域，具体涉及一种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。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种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。

为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种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。