【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
1、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。
2、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
技术实现思路
1、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，本专利技术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。
2、为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、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。
4、进一步地，所述信号修正模块需要由比例放大器k1、比例放大器k2，差分放大器a3、差分放大器a4组成。其中，所述比例放大器k1输入端接收来自输出电荷采集模块的反馈信号，经比例放大器k1做幅值调整后输出给差分放大器a3；所述差分放大器a3负输入端接收经比例放大器k1调整幅值的反馈信号，正输入端接信号发生器输出控制信号vin，二者做差后输出信号传递给比例放大器k2，经比例放大器k2调整后得到误差信号；所述差分放大器a4负输入端接收比例放大器k2输出的误差信号，正输入端接收来自信号发生器的控制信号，二者做差后输出修正信号给后级电荷放大器。
5、进一步地，所述输出电荷采集模块需要由电荷采集电容c1、电压跟随器k3、电压跟随器k4，差分放大器a2组成。其中，所述电荷采集电容c1串联在电荷放大器与压电致动器构成的驱动回路中；所述电压跟随器k3、电压跟随器k4输入端连接在电荷采集电容c1两侧，以实时跟随电荷采集电容c1两端电位；所述差分放大器a2正输入端、负输入端分别与电压跟随器k3、电压跟随器k4输出端相连，将电荷采集电容c1两端电位转化为电位差输出。
6、进一步地，所述输出电荷采集模块中，电荷采集电容c1选取容值大小为压电致动器等效电容值大小的10～100倍，使得电荷采集电容c1两端分得电压占电荷放大器总输出电压的1/10～1/100，以不至于影响电荷放大器原有输出能力；
7、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。
8、此外，本专利技术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：
9、1)所述电荷放大器在信号发生器输入信号vin的作用下产生qp的输出电荷量，由于压电致动器的电荷量与其位移响应成正比，压电致动器cp产生与电荷qp成比例的位移响应，由于电荷采集电容c1与压电致动器cp串联，且串联电容下每个电容器储存电荷量相等，因此电容c1内部存储电荷可实时反映压电致动器的位移情况。
10、2)所述输出电荷采集模块准确检测电容c1两侧电位信号并由模块内部电压跟随器k3、k4、差分放大器a2转换为等效电位差输出，由于电荷采集电容c1为线性电容，输出电位差与内部存储电荷成正比，进一步该电位差能够准确反映压电致动器的位移响应情况，该电位差作为反映压电致动器(4)位移情况的反馈信号传递给信号修正模块。
11、3)所述信号修正模块中的比例放大器k1将反映位移响应的反馈信号幅值调整为与信号发生器输出控制信号vin幅值一致，二者经差分放大器a3做差并经比例放大器k2调整后获得能够表征输入信号-输出位移间误差的信号，该误差信号与控制信号vin经差分放大器a4再度做差后得到修正信号。
1本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置，其特征在于，由信号发生器(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)组成；所述信号发生器(1)产生控制信号，为压电致动器(4)的位移响应提供参考；所述信号修正模块(2)接收前级信号发生器(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后级的电荷放大器(3)；所述电荷放大器(3)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(4)；所述压电致动器(4)接收电荷放大器(3)的激励信号并产生相应位移响应；所述输出电荷采集模块(5)中的电荷采集电容串联在电荷驱动回路中，将电荷放大器(3)的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(2)，以完成对压电致动器(4)的位移响应的校正。
2.根据权利要求1所述的一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置，其特征在于：所述信号修正模块(2)由比例放大器K1、比例放大器K2，差分放大器A3、差分放大器A4组成；所述比例放大器K1输入端接收来自输出电荷采集模块(5)的反馈信号，经比例放大器K1做幅
3.根据权利要求1所述的一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置，其特征在于：所述输出电荷采集模块(5)由电荷采集电容C1、电压跟随器K3、电压跟随器K4，差分放大器A2组成；所述电荷采集电容C1串联在由电荷放大器(3)与压电致动器(4)构成的驱动回路中；所述电压跟随器K3、电压跟随器K4的输入端连接在电荷采集电容C1两侧，以实时跟随电荷采集电容C1两端电位；所述差分放大器A2正输入端、负输入端分别与电压跟随器K3、电压跟随器K4输出端相连，将电荷采集电容C1两端电位转化为电位差输出。
4.根据权利要求3所述的一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置，其特征在于：所述输出电荷采集模块(5)中，电荷采集电容C1选取大小为压电致动器(4)等效电容值大小的10～100倍，使得电荷采集电容C1两端分得电压占电荷放大器(3)总输出电压的1/10～1/100，以不至于影响电荷放大器(3)原有的输出能力。
5.根据权利要求1所述的一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置，其特征在于：所述电荷放大器(3)为带有直流反馈回路的电荷放大电路构型，采用现有电荷放大器产品，或自主搭建电路实现，其内部核心放大器芯片为能够输出高电压大电流的功率放大器芯片。
6.一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正方法，应用于权利要求1-5任一项所述的一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置，其特征在于，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置，其特征在于，由信号发生器(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)组成；所述信号发生器(1)产生控制信号，为压电致动器(4)的位移响应提供参考；所述信号修正模块(2)接收前级信号发生器(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后级的电荷放大器(3)；所述电荷放大器(3)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(4)；所述压电致动器(4)接收电荷放大器(3)的激励信号并产生相应位移响应；所述输出电荷采集模块(5)中的电荷采集电容串联在电荷驱动回路中，将电荷放大器(3)的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(2)，以完成对压电致动器(4)的位移响应的校正。
2.根据权利要求1所述的一种基于输出电荷反馈的压电致动器位移校正装置，其特征在于：所述信号修正模块(2)由比例放大器k1、比例放大器k2，差分放大器a3、差分放大器a4组成；所述比例放大器k1输入端接收来自输出电荷采集模块(5)的反馈信号，经比例放大器k1做幅值调整后输出给差分放大器a3；所述差分放大器a3负输入端接收经比例放大器k1调整幅值的反馈信号，正输入端接信号发生器(1)的输出控制信号vin，二者做差后输出信号传递给比例放大器k2，经比例放大器k2调整后得到误差信号；所述差分放大器a4负输入端接收比例放大器k2输出的误差信号，正输入端接收来自信号发生器(1)的控制信...
【专利技术属性】
技术研发人员：闫泽昊，顾乃庭，周子夜，黄林海，饶长辉，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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