一种闭环控制的压电陶瓷微位移器驱动电源

    电致伸缩微位移器是利用压电陶瓷的电致伸缩效应做成的能产生微小位移的驱动元件。它具有位移分辨率高,响应速度快,易于控制和功耗低等优点。近年来广泛应用于需要精确控制微小位移的场合。如在精密和超精密加工中需对刀具的运动进行精确的微量进给控制。这种微进给装置通常采用电致伸缩陶瓷微位移器作为驱动元件。但由于电致伸缩陶瓷固有的滞回、蠕变特性及位移-电压曲线的非线性所带来的微进给位移误差,使得微位移定位精度难以达到满意的效果。为此国内外针对电致伸缩陶瓷的滞回特性和蠕变特性等缺陷,从不同的角度采用各种方法进行了大量的研究,试图补偿不良特性对微位移精度的影响。如在补偿滞回影响方面有单向进给法、预紧力法和双向曲线控制法等;在补偿蠕变影响方面有电荷驱动法和超前控制法等。这些方法在不同场合和条件下,均对电致伸缩陶瓷不良特性的补偿起一定的作用。但还没有从根本上解决利用电致伸缩陶瓷微位移器作为驱动元件的微进给装置的精确定位问题。本文针对微进给精确定位问题,跳出对电致伸缩陶瓷微位移器驱动法的局限,直接从位移-输出量的控制入手,采用闭环反馈控制法可有效的抑制电致伸缩陶瓷微位移器的蠕变、滞回特性及位移-电压非线性的不良影响[1],并研制出使微位移装置精确定位的电致伸缩陶瓷专用驱动电源。

    1　闭环反馈控制驱动系统

    1.1　电致伸缩陶瓷的特性

    设电致伸缩微位移器输入电压信号为V(t),输出位移量为p(t),其动态特性为h(t),如图1所示。

    根据电致伸缩陶瓷本身性质,位移量p(t)和电场强度E(t)间的关系为p(t)=ME²(t),其中M为压电常数,V(t)和p(t)的关系为

    [p0(t)+dp]³=M[V0(t)+dV]²          (1)

式中　p0(t)为初始位移;V₀(t)为初始电压;dp为位移增量;dV为电压增量。

    1.2　闭环反馈控制系统的组成

    常规的电致伸缩微位移器驱动电源,设计通常为一个可控输出电压的低内阻稳压电压源,其特性为k(t),用输入控制信号V_i(t)来控制输出电压V(t)。如要接受数字量控制,还要在前面加上D/A转换环节,如图2所示。这是一个开环系统,尽管可以将k(t)设计成近似理想的可控电压源,但由于微位移器特性h(t)的影响,其p(t)仍不理想,非线性、回滞与蠕变会影响微位移控制精度^[2]。因此,本文提出了采用微处理器进数字闭环控制的方案。有微处理器的电致伸缩微位移器闭环反馈控制系统的组成如图3所示。