摘 要:介绍了压电陶瓷微位移器驱动电源的闭环反馈控制驱动系统的组成和工作原理,并对控制器的硬件系统构成进行了说明。软件采用模块化设计,可根据实际工作场合通过软件设定为开环控制和闭环控制。在数字控制算法d(t)和可控输出稳压电压源的设计上有所突破。通过合理地设计软件算法d(t)来补偿电致伸缩陶瓷h(t)特性上的缺陷。
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。
摘 要:介绍了压电陶瓷微位移器驱动电源的闭环反馈控制驱动系统的组成和工作原理,并对控制器的硬件系统构成进行了说明。软件采用模块化设计,可根据实际工作场合通过软件设定为开环控制和闭环控制。在数字控制算法d(t)和可控输出稳压电压源的设计上有所突破。通过合理地设计软件算法d(t)来补偿电致伸缩陶瓷h(t)特性上的缺陷。
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Vi(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。
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Vi(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。
1.3 控制系统模型与基本工作原理
图4为控制系统模型框图。与图3各环节分别对应,h(t)为电致伸缩微位移器,k(t)为可控电压源,D/A为数模转换电路,S(t)为微位移传感器(测头),A(t)为位移测量二次仪表电路,A/D为模数转换电路,d(t)为微处理器算法模型(数字控制器)。微处理器系统同时兼有读入数字量控制参数pi(t)和读入反馈量F并计算误差E(误差鉴别器)的功能。
1.3 控制系统模型与基本工作原理
图4为控制系统模型框图。与图3各环节分别对应,h(t)为电致伸缩微位移器,k(t)为可控电压源,D/A为数模转换电路,S(t)为微位移传感器(测头),A(t)为位移测量二次仪表电路,A/D为模数转换电路,d(t)为微处理器算法模型(数字控制器)。微处理器系统同时兼有读入数字量控制参数pi(t)和读入反馈量F并计算误差E(误差鉴别器)的功能。
基本工作原理:当系统接收输入控制位移量的数字信号(该信号可由数字量接口接收上主控计算机,也可通过人工手动输入)后,读入位移反馈信号,并计算出误差,通过数字控制器d(t)软件算法,送出数字量控制信号(数据),经D/A转换加到可控电压源上,输出驱动电压v(t)控制电致伸缩陶瓷产生微量位移。再经过位移传感器检测,通过二次仪表电路后经A/D转换将位移反馈数据送回微处理器,并由微处理器软件模拟误差鉴别器来计算出是否达到位移值要求,若没达到则再通过控制算法d(t)继续送出位移校正值,直到达到要求为止。
2 微位移驱动控制器的硬软件设计
2.1 硬件系统
(1)单片机系统 考虑到本系统主要是完成系统的监控和适时测量反馈功能,单片机选用MCS-51系列的片内无ROM的8031芯片,片外扩充一片ROM(2764芯片),完全可满足系统的功能要求。
键盘、显示电路的设计采用8279芯片,它能对显示器自动扫描,能识别键盘上闭合键的键号,提高CPU的工作效率。8279芯片能以较简单的硬件电路和较少的软件开销实现单片机与键盘和发光二极管LED显示器接口。键盘采用了8个带有指示发光管的按键组成,显示部分由6个LED组成[3]。
(2)前向通道 前向通道主要任务是采集位移传感器测量电路的输出模拟量,进行A/D转换,把转换的数字量反馈给单片机系统。其核心是A/D转换,本系统要求前向通道的转换速度快,且能满足系统的控制精度。基于上述原则,A/D芯片选用的是快速12位逐次逼进型A/D转换器AD574AJD,它的接口简单,无需外接器件就可独立完成A/D转换功能。非线性误差小于±1 LSB最低有效位,一次转换时间为±25μs。采样/保持器选用AD585,它的工作速率较高,捕捉时间为2.5μs,最大误差±0.01%,适于前向通道的高精度、快速的要求。
(3)后向通道 后向通道D/A转换的作用是将数字量转换为模拟量,控制后级驱动电路。D/A转换器的位数决定了系统的分辨率,D/A转换速度也是整个控制系统频响组成部分之一。根据系统的整体精度,D/A芯片选用的是AD7521,它是12位无数据输入锁存器的D/A转换器,具有较高精度,线性好,速度快的优点。AD7521通过光电耦合器接受8031的数字量,使得数字电路和模拟电路隔离开,增强了系统的抗干扰能力。
2.2 软件设计
软件的设计思想是主程序以中断的方式为主,采用了模块化的思想。本系统具有手动控制和自动控制两种状态,可根据实际工作场合通过软件设定为开环控制和闭环控制。系统加电后进行初始化,将系统设定为进给状态、手动方式和闭环控制,给电致伸缩位移器输入电压为0,同时显示当前状态。初始化后延时判断,若是自动进给状态,则执行自动进给子程序;若是手动进给状态,按键按下则执行键盘中断子程序。自动进给子程序和键盘中断子程序可调用微进给子程序,实现系统的闭环控制。整个系统软件包括监控主程序、自动进给子程序、微进给子程序及键盘中断子程序等。
3 试验曲线及分析
3.1 位移与电压特性
图5为在常温、实验室条件下测得的WTDS-IB型电致伸缩微位移器的电压-位移实验曲线。在升压和降压时两条曲线不重合,存在着滞回现象,滞回系数约为14%,且在升压段190～300 V和降压段150～250 V时电压-位移曲线的线性度较好。
基本工作原理:当系统接收输入控制位移量的数字信号(该信号可由数字量接口接收上主控计算机,也可通过人工手动输入)后,读入位移反馈信号,并计算出误差,通过数字控制器d(t)软件算法,送出数字量控制信号(数据),经D/A转换加到可控电压源上,输出驱动电压v(t)控制电致伸缩陶瓷产生微量位移。再经过位移传感器检测,通过二次仪表电路后经A/D转换将位移反馈数据送回微处理器,并由微处理器软件模拟误差鉴别器来计算出是否达到位移值要求,若没达到则再通过控制算法d(t)继续送出位移校正值,直到达到要求为止。
2 微位移驱动控制器的硬软件设计
2.1 硬件系统
(1)单片机系统 考虑到本系统主要是完成系统的监控和适时测量反馈功能,单片机选用MCS-51系列的片内无ROM的8031芯片,片外扩充一片ROM(2764芯片),完全可满足系统的功能要求。
键盘、显示电路的设计采用8279芯片,它能对显示器自动扫描,能识别键盘上闭合键的键号,提高CPU的工作效率。8279芯片能以较简单的硬件电路和较少的软件开销实现单片机与键盘和发光二极管LED显示器接口。键盘采用了8个带有指示发光管的按键组成,显示部分由6个LED组成[3]。
(2)前向通道 前向通道主要任务是采集位移传感器测量电路的输出模拟量,进行A/D转换,把转换的数字量反馈给单片机系统。其核心是A/D转换,本系统要求前向通道的转换速度快,且能满足系统的控制精度。基于上述原则,A/D芯片选用的是快速12位逐次逼进型A/D转换器AD574AJD,它的接口简单,无需外接器件就可独立完成A/D转换功能。非线性误差小于±1 LSB最低有效位,一次转换时间为±25μs。采样/保持器选用AD585,它的工作速率较高,捕捉时间为2.5μs,最大误差±0.01%,适于前向通道的高精度、快速的要求。
(3)后向通道 后向通道D/A转换的作用是将数字量转换为模拟量,控制后级驱动电路。D/A转换器的位数决定了系统的分辨率,D/A转换速度也是整个控制系统频响组成部分之一。根据系统的整体精度,D/A芯片选用的是AD7521,它是12位无数据输入锁存器的D/A转换器,具有较高精度,线性好,速度快的优点。AD7521通过光电耦合器接受8031的数字量,使得数字电路和模拟电路隔离开,增强了系统的抗干扰能力。
2.2 软件设计
软件的设计思想是主程序以中断的方式为主,采用了模块化的思想。本系统具有手动控制和自动控制两种状态,可根据实际工作场合通过软件设定为开环控制和闭环控制。系统加电后进行初始化,将系统设定为进给状态、手动方式和闭环控制,给电致伸缩位移器输入电压为0,同时显示当前状态。初始化后延时判断,若是自动进给状态,则执行自动进给子程序;若是手动进给状态,按键按下则执行键盘中断子程序。自动进给子程序和键盘中断子程序可调用微进给子程序,实现系统的闭环控制。整个系统软件包括监控主程序、自动进给子程序、微进给子程序及键盘中断子程序等。
3 试验曲线及分析
3.1 位移与电压特性
图5为在常温、实验室条件下测得的WTDS-IB型电致伸缩微位移器的电压-位移实验曲线。在升压和降压时两条曲线不重合,存在着滞回现象,滞回系数约为14%,且在升压段190～300 V和降压段150～250 V时电压-位移曲线的线性度较好。
3.2 蠕变特性
图6为不同电压下、2 min内的微位移器蠕变量曲线。电致伸缩微位移器的蠕变特性是指在其两端施加了一定电压后,经较长时间位移才能达到稳定值的现象。厂家在电致伸缩微位移器的使用说明书中没有给出蠕变的具体数值,因此作者进行了实验研究。发现,蠕变特性与施加电压有一定的关系,施加的电压越大,蠕变现象越明显。
3.2 蠕变特性
图6为不同电压下、2 min内的微位移器蠕变量曲线。电致伸缩微位移器的蠕变特性是指在其两端施加了一定电压后,经较长时间位移才能达到稳定值的现象。厂家在电致伸缩微位移器的使用说明书中没有给出蠕变的具体数值,因此作者进行了实验研究。发现,蠕变特性与施加电压有一定的关系,施加的电压越大,蠕变现象越明显。
3.3 蠕变特性的改善
图7为改善性能后的蠕变特性曲线。在微位移器两端加上一定的电压后,可快速(t=5 s)使伸缩量达到理想值,但在t=1～2 s时会产生一定的超调量(即最大输出值与稳态值的差值)。
3.3 蠕变特性的改善
图7为改善性能后的蠕变特性曲线。在微位移器两端加上一定的电压后,可快速(t=5 s)使伸缩量达到理想值,但在t=1～2 s时会产生一定的超调量(即最大输出值与稳态值的差值)。
4 关键技术
本研究的关键技术主要有两方面的突破。第一,数字控制算法d(t):按设计目的,整个系统的特性d(t)是个代数系统,最好是比例系统,即p(t)=d(t)pi(t)=SPi(t),式中S为比例系数。由于S(t)、A(t)及k(t)和A/D、D/A环节均为已知和选定的,故只有通过合理地设计软件算法d(t)来补偿电致伸缩陶瓷h(t)特性上的缺陷,算法至关重要。本文采用数字控制系统理论通过分析运算的方法得到d(t)的初步模型,然后用实验的方法逐步调整算法参数,达到逐渐逼近理想特性的方法,使其有所突破。第二,关于可控输出稳压电压源的设计方面技术上有所突破,通的设计电路形式(如末级输出采用电路等)很好的解决了电源驱动的快速性与高稳定度的矛盾,低输出阻抗与低纹波特性的矛盾等。
5 结论
本电源的作用是把单片机控制系统的后向通道输出的小电压信号转换为0～300 V高电压输出信号,进而驱动控制电致伸缩陶瓷微位移器。其基本性能指标如下:
a.输出电压在0～300 V范围内连续可调;
b.输出电压纹波小于10 mV;
c.电网电压变化±5%时,输出电压变化小于0.05%。
参考文献:
[1]王广林,李文权,邵东向,等.闭环控制电致伸缩陶瓷微位移驱动系统的研制[A].王广林.制造自动化现代技术研究论文集[C].鞍山:机械工业出版社,1999.254-257.
[2]彭景阳.亚微米超精密车床微进给刀架控制系统研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,1996.
[3]王广林.伺服阀阀口加工质量自动检测与控制的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2000.
本文作者：王广林 王慧峰 邵东向 卢泽生
