專利名稱：壓電陶瓷驅動器抗遲滯驅動方法
技術領域：
本發明涉及應用在實現納米級定位中，對于作為微動工作臺驅動元件的鎢青銅系列壓電陶瓷驅動器的遲滯特性進行改善的方法。
背景技術：
隨著納米測量技術的發展，對于能夠實現納米級定位的多自由度微動工作臺的研究越來越受到人們的重視。微動工作臺驅動元件的選擇和使用直接影響著最終的性能指標。目前，在實踐中采用的微小位移驅動元件有很多種，而壓電陶瓷驅動器以其體積小、重量輕、驅動電壓不高、精度和位移分辨率高、頻率響應快、不發熱、不產生噪聲、承載力大等特性，成為微定位控制領域應用最廣的驅動元件之一。但是，壓電陶瓷材料所固有的非線性特性、遲滯特性、蠕變特性等，都大大限制了壓電陶瓷驅動器定位精度的進一步提高，其中遲滯誤差對精度的影響最大。因此，如何改善壓電陶瓷驅動器的遲滯特性成為我們實現超精密定位所需解決的首要問題。對此國內外專家學者進行了大量的研究，并提出了一系列的理論和方法來改善其特性。目前在驅動器的開環或半閉環控制中提出的減小遲滯的方法主要有1、電荷控制法；2、壓電陶瓷兩端串聯小電容的方法；3、Preisach模型；4、通用化的Maxwell模型；5、多項式近似模型；6、采用電容和電阻組成橋路。但是，這些方法需要通過建立復雜的數學模型來進行控制。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是避免上述現有技術中所存在的不足之處，提供一種壓電陶瓷驅動器抗遲滯驅動方法。以降低其遲滯誤差和非線性誤差，使得這種驅動器可以在實際中更方便地進行應用。
本發明的特點在于選擇硬性鎢青銅型壓電陶瓷驅動器，并設置其電壓驅動方式為設置目標電壓值V1、V2、V3......Vn逐級變化的階躍式驅動電壓，在每一目標電壓值附近，經過高頻往復振動后再達到目標電壓值。
目前，應用最廣的是以機械串聯、電學并聯方式極化而成的多層壓電陶瓷驅動器。當在驅動器上施加恒定壓力時，其壓電方程可以表示為ΔL＝Nd33V式中，N為陶瓷疊層數；d33為壓電常數；V為所加的電壓；ΔL為沿厚度方向所產生的位移。從鎢青銅系列壓電陶瓷驅動器在開環控制下實際測量得到的壓電陶瓷電壓-位移曲線可以得知，當電壓從最大值開始減小時，其位移不是從上升的位移曲線返回，而是出現了較大的位移滯后，特別是在50伏(電壓范圍為0-100V)的控制電壓下，相同輸入電壓對應的位移滯后已經達到0.231微米(總量程只有1.33微米)。這種電壓-位移間的滯后關系就是壓電陶瓷驅動器的遲滯特性。這是因為，只有當材料是單晶單疇狀態且處于弱電場時，d才為常數。但是對于由多晶體構成的壓電陶瓷材料來說，由于其組成晶體存在著大量的電疇，當存在強電場作用時，電疇的轉向運動使得d不再是常數，而成為了隨電場強度E變化的函數。這樣，驅動器所產生的位移量不僅與電壓有關，并且還與變化的壓電常數有關。當電疇處于轉角為180°的狀態時，當其反轉時，驅動器不會產生位移滯后現象；但是當電疇處于轉角為90°的狀態時，當電壓下降時，90°疇的反轉就會使驅動器在平行或垂直于電場方向上的位移量成非線性增加，而這也就導致壓電陶瓷驅動器出現電壓一位移遲滯現象。
根據以上的原理分析可得，非180°電疇的存在直接導致了壓電陶瓷遲滯特性的形成。為了改善這部分電疇的工作狀態，本發明提出在控制時使驅動電壓的改變不再是單一的上升或下降，而是通過在目標電壓值附近的高頻往復振動，再達到目標電壓值。這樣既可以使電疇的轉向不再按照單一的規律變化，而成為多次的往復轉向，使它盡可能接近180°電疇的特性，從而有效降低遲滯作用。實驗證明，與已有技術相比，本發明采用這種新的驅動方式可以使驅動器的遲滯誤差下降70％～90％。同時對其線性度也有很大改善，通過使用這種方法，線性度可以達到1％以上。
附圖
為本發明方法中驅動電壓波形圖。
具體實施例方式本實施例選擇硬性鎢青銅壓電陶瓷驅動器，這種驅動器和軟性的鈣鈦礦結構壓電陶瓷驅動器相比，遲滯特性、蠕變誤差均有很大改善，特別是在性能方面比較穩定。具體實施中，設置其電壓驅動方式為設置以目標電壓值V1、V2、V3......Vn逐級變化的階躍式驅動電壓，在每一目標電壓值附近，經過高頻往復振動后再達到目標電壓值。
以0～100伏的電壓范圍為例。每次的變壓間隔為10伏。V1＝10伏為目標電壓值，V2＝20，V3＝30為其后的各目標電壓值。在施加電壓序列時，采用如下的施加電壓序列0～15～5～15～5～15～10～25～15～25～15～25～20，以此類推，一直到達目標電壓頂點100伏；以上為電壓的上升序列，當電壓下降時，原理是一樣的，也是在目標電壓周圍進行振動。對于鎢青銅型壓電陶瓷驅動器來講，由于在驅動器極化過程中，造成驅動器之間結構并不完全相同，所以在施加此種方法的過程中，必須進行相應的微調。例如說，在以上所舉的例子中選用的振動電壓為5伏間隔，另外的驅動器采用這種方法可能就不行，那么我們就可以采用振動電壓為10伏間隔來進行，而得到的效果同樣也大大降低了壓電陶瓷的遲滯誤差，同時改善了驅動器的非線性特性。
權利要求
1.壓電陶瓷驅動器抗遲滯驅動方法，其特征在于選擇硬性鎢青銅型壓電陶瓷驅動器，并設置其電壓驅動方式為設置目標電壓值(V1、V2、V3......Vn)逐級變化的階躍式驅動電壓，在每一目標電壓值附近，經過高頻往復振動后再達到目標電壓值。
2.根據權利要求1所述的壓電陶瓷驅動器抗遲滯驅動方法，其特征是在所述目標電壓值附近高頻往復振動的電壓波形為方波。
全文摘要
壓電陶瓷驅動器抗遲滯驅動方法，其特征在于選擇硬鎢青銅壓電陶瓷驅動器，并設置其電壓驅動方式為設置以目標電壓值V1、V2、V3…Vn逐級變化的階躍式驅動電壓，在每一目標電壓值附近，經過高頻往復振動后再達到目標電壓值。本發明方法可以使驅動器不僅在遲滯特性、非線性誤差上有很大的改善，也使其在性能方面更為穩定。
文檔編號H02N2/14GK1567693SQ03131939
公開日2005年1月19日 申請日期2003年6月17日 優先權日2003年6月17日
發明者余曉芬, 俞建衛, 王永紅, 黃其圣, 鄧輝, 魏玉鳳 申請人:合肥工業大學