一种二进制编码的数字式自感应压电叠堆装置及工作方法

1.本发明涉及智能材料执行器的技术领域，具体是涉及一种二进制编码的数字式自感应压电叠堆装置及工作方法。


背景技术：

2.电机转换器作为连接其电气元件和液压机械元件的桥梁，是电液伺服阀乃至液压控制系统的关键元件之一。电机械转换器性能的优劣，直接关系到电液控制系统的性能指标。叠堆型压电材料是一种能够在电场的作用下输出直线位移的电机转换智能材料。相对于磁致伸缩材料、形状记忆合金等其他形式的智能材料，叠堆型压电材料具有体积小、响应快、输出力大、驱动方式简单等优点，因此被广泛应用于各类机电系统中。
3.但是就驱动方式而言，现有叠堆型压电材料均采用串联结构，等厚度的压电片轴向叠加，同时施加激励电压，同时驱动。同时驱动的缺点是可靠性差，工作时若叠堆中某一层压电材料击穿，整个压电叠堆就会失效，且工作时发热严重。
4.就驱动信号而言，现有叠堆型压电材料均使用模拟信号。模拟驱动信号的缺点是存在严重的迟滞非线性，抗干扰能力差，为克服工作环境的电磁干扰，需设计复杂的控制策略。在串联的结构形式中，通过增加径向叠加的压电片层数，来调节叠堆型压电材料的最大输出位移。在模拟信号的驱动方式下，通过调节驱动信号的电压幅值，来控制叠堆型压电材料的输出位移幅值。
5.由于压电材料的驱动信号与输出位移之间存在固有的迟滞非线性，为了获得线性的输出位移，国内外学者相继提出各种前馈控制策略。
6.文献1：方楚,郭劲,徐新行,姜振华,王挺峰.压电陶瓷迟滞非线性前馈补偿器[j].光学精密工程,2016,24(09):2217-2223.中，提出了基于stop算子的改进pi模型，并利用实验的方法验证了改进的pi模型对迟滞非线性的补偿效果，结果表明通过前馈补偿能够有效抑制压电叠堆输出的吃斋非线性。
[0007]
文献2：朱斌,朱玉川,李宇阳,等.压电叠堆执行器迟滞建模与前馈补偿研究[j].压电与声光,2018,40(1):38-41,46.中，针对压电叠堆执行器输入电压与输出位移的动态迟滞特性设计了一款基于逆模型的前馈补偿器，实验结果表明，利用所建的迟滞逆模型补偿后，压电叠堆执行器的滞环减小，但输出位移非线性度下降仅为3％。
[0008]
综上所述，现有叠堆型压电材料的串联结构及其模拟驱动方式虽然具有结构简单、驱动方便、输出精度高等优点，但其输入输出存在迟滞非线性，工作可靠性差、发热严重、抗干扰能力差等缺点严重限制了叠堆型压电材料的实际应用，尤其是航空航天等对电机转换器可靠性与抗干扰能力要求较高的领域。


技术实现要素：

[0009]
发明目的：针对以上缺点，本发明一种二进制编码的数字式自感应压电叠堆装置，能够通过数字驱动信号实现叠堆型压电材料输出位移的连续有级调节，工作可靠性强；能
够实现压电叠堆闭环控制和精度补偿，消除迟滞，抗干扰能力强。同时，本发明还提供一种二进制编码的数字式自感应压电叠堆装置的工作方法，提供可靠性与抗干扰能力强的压电叠堆装置的一种工作方法。
[0010]
技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种二进制编码的数字式自感应压电叠堆装置，包括：自感应单元、补偿单元、数字驱动单元以及数字控制单元；
[0011]
数字驱动单元包括轴向叠加的多片第三压电材料，分为n级，n为整数；用以输出位移；补偿单元包括单片第二压电材料，自感应单元包括单片第一压电材料；数字驱动单元安装于补偿单元上，补偿单元安装于自感应单元上；补偿单元用于依据精度补偿信号对数字驱动单元输出位移进行精度补偿；自感应单元用于感知数字驱动单元的输出位移；数字控制单元输出二进制编码的数字驱动信号用以驱动数字驱动单元输出位移；数字控制单元采集自感应单元的输出并结合参考位移信号生成二进制编码的数字控制信号和精度补偿信号；数字控制单元将精度补偿信号传输至补偿单元；数字控制单元输出数字控制信号至数字驱动单元实现闭环控制。
[0012]
进一步的，数字驱动单元中每级第三压电材料数量为2
n-1片，即按照二进制排列逐级增加，便于实现叠堆型压电材料输出位移的连续有级调节。
[0013]
进一步的，每级第三压电材料之间正负极相接形成串联连接；各级之间径向叠加构成并联驱动。
[0014]
进一步的，数字控制单元具体包括采集模块、数字输出模块、运动控制模块；采集模块用以采集自感应单元输出的电压信号，将其转换为实际位移并与参考位移信号作比较得到误差；运动控制模块用以根据误差进行逻辑判断和运算产生二进制编码的数字控制信号与精度补偿信号；数字输出模块用以输出数字控制信号和精度补偿信号。
[0015]
进一步的，所述数字输出模块输出口的数量与数字驱动单元级数相同。
[0016]
进一步的，所述补偿单元具有两种工作模式，工作模式1用于依据精度补偿信号对数字驱动单元输出位移进行精度补偿，工作模式2用以替代数字驱动单元中故障的压电材料；数字控制单元还包括故障诊断模块，故障诊断模块用以实时判断数字驱动单元中叠堆的压电材料工作状态，若叠堆的压电材料发生故障，切换补偿单元至工作模式2。
[0017]
进一步的，自感应单元和补偿单元的厚度根据实际工况可调。
[0018]
此外，本发明提供一种二进制编码的数字式自感应压电叠堆装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0019]
(1)给定参考位移信号，根据参考位移信号数字控制单元输出二进制编码的数字驱动信号，驱动数字驱动单元输出位移；
[0020]
(2)自感知单元受数字驱动单元挤压，由于正压电效应产生感应电场输出感应电压；
[0021]
(3)数字控制单元采集自感知单元输出的电压信号，转换成实际位移并与给定的参考位移信号作比较得到误差；运动控制模块根据误差进行逻辑判断与运算产生二进制编码的数字控制信号与精度补偿信号；通过数字输出模块输出向数字驱动单元输出数字控制信号实现装置的闭环控制；运动控制模块向补偿单元输出精度补偿信号，补偿单元对数字驱动单元输出的位移进行精度补偿。
[0022]
进一步的，步骤(3)还包括通过数字控制单元的故障诊断模块实时判断中叠堆的
压电材料工作状态，若叠堆的压电材料发生故障，切换补偿单元至工作模式2，补偿单元替代故障压电片工作。
[0023]
有益效果：本发明所述一种二进制编码的数字式自感应压电叠堆装置相对于现有技术，其显著优点是：通过设置数字驱动单元的n级二进制压电叠堆结构实现位移输出；通过设置补偿单元的单片压电材料实现输出位移的精度补偿并且于数字压电叠堆故障时代故障压电片工作；通过设置自感应单元的单片压电材料感知压电叠堆的输出位移；最终通过数字控制单元实现压电叠堆输出位移的二进制编码有级调节、闭环控制与精度补偿以及故障诊断，从而获得工作可靠性强、抗干扰能力强的压电叠堆装置。本发明所述一种二进制编码的数字式自感应压电叠堆装置的工作方法相对于现有技术而言，提供可靠性与抗干扰能力强的压电叠堆装置的一种工作方法。
附图说明
[0024]
图1所示为二进制编码的数字式自感应压电叠堆及其数字控制系统原理图；
[0025]
图2所示为数字压电叠堆位移输出原理图；
[0026]
图3所示为数字压电叠堆位移-控制信号图；
[0027]
图4为本实施例中数字控制信号与精度补偿信号生成的原理图。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图对本发明的技术方案进一步说明。
[0029]
如图1所示，本发明采用一种二进制编码的数字式自感应压电叠堆装置，包括：自感应单元1、补偿单元2、数字驱动单元3以及数字控制单元4。
[0030]
数字驱动单元3为n级片状第三压电材料轴向叠加构成，每级叠堆的片状第三压电材料数量为2
n-1片，即按照二进制排列逐级增加。如图2所示，每级片状第三压电材料之间的正负极相接彼此形成串联连接，各级之间径向叠加构成并联驱动。数字驱动单元3于数字控制单元4输出二进制编码的数字驱动信号驱动下输出位移。
[0031]
补偿单元2由单片第二压电材料组成，其厚度根据实际工况可调；数字驱动单元3安装于补偿单元2上。补偿单元2具有两种工作模式：工作模式1和工作模式2。其中，工作模式1：补偿单元2在数字控制单元4输出的精度补偿信号驱动下工作，对数字驱动单元3输出位移进行精度补偿，提升数字压电叠堆位移输出精度；工作模式2：替代数字驱动单元3中故障压电材料，在数字控制器4输出的数字控制信号驱动下工作，保证数字压电叠堆位移输出可靠性。
[0032]
自感应单元1由单片第一压电材料组成，其厚度根据实际工况可调；补偿单元2安装于自感应单元1上。自感应单元1用于感知数字驱动单元3的输出位移。
[0033]
数字控制单元4分别与数字驱动单元3、补偿单元2、自感应单元1通过i/o口连接。数字控制单元4具体包括采集模块、数字输出模块、运动控制模块。其中数字输出模块中的输出口的数量为n,该输出口的数量由数字驱动单元3级数决定，一级压电材料对应输出一个输出口。
[0034]
本发明所述的一种二进制编码的数字式自感应压电叠堆装置的工作方法，具体包括以下步骤：
[0035]
(1)压电叠堆位移输出：给定参考位移信号；根据参考位移信号，数字控制单元输出二进制编码的数字驱动信号；打开数字驱动单元各级压电叠堆驱动开关，驱动电压作用在叠堆的压电材料的正负级形成驱动电场，数字驱动单元输出位移；
[0036]
(2)位移幅值自感知：自感知单元受数字驱动单元挤压，由于正压电效应产生感应电场输出感应电压；
[0037]
(3)闭环控制与精度补偿：数字控制单元采集自感知单元输出的电压信号，转换成实际位移并与给定的参考位移信号作比较得到误差；运动控制模块根据误差进行逻辑判断与运算产生二进制编码的数字控制信号与精度补偿信号；通过数字输出模块输出向数字驱动单元输出数字控制信号实现装置的闭环控制；通过运动控制模块向补偿单元输出精度补偿信号，补偿单元对数字驱动单元输出的位移进行精度补偿。
[0038]
如图3和图4所示，对于四级二进制压电叠堆结构，给定的参考位移信号为εr＝14.3δ，初始时，实际的位移为0，作比较得到误差为14.3δ；数字输出模块输输出向数字驱动单元输出数字控制信号14δ，进入控制器，输出数字控制信号0111，该信号打开位2、位3、位4开关进行二进制编码有级调节；若输出的精度补偿信号为模拟电压量，控制补偿单元2输出0.3δ位移，使总位移达到14.3δ，到达指定位置。当发生震动，自感知单元感知到实际位移为12δ，误差为2.3δ，数字输出模块输输出向数字驱动单元输出数字控制信号2δ，输出数字控制信号0100，该信号打开位2进行二进制编码有级调节；控制补偿单元输出0.3δ位移，重新到达指定位置。故障诊断与排除：通过数字控制单元的故障诊断模块实时判断数字驱动单元中叠堆的压电材料工作状态，若叠堆的压电材料发生故障，切换补偿单元至工作模式2，补偿单元替代故障压电片工作。