一种基于前馈自适应补偿的自感应压电驱动电路

摘要

本发明公开了一种基于前馈自适应补偿的自感应压电驱动电路，保留了传统桥式自感应驱动电路的结构，同时放宽了匹配电容要求严格等于压电材料等效电容的要求，允许匹配电容与等效电容有一定范围内的偏差；将误差信号的均方值作为目标函数，依照迭代公式更新数字电位器的增益，误差信号将收敛到最小值，这说明经过前馈补偿的自感应驱动电路在理论上能够完全消除电桥不平衡的影响，尤其能够在温度变化范围较大的条件下；针对压电材料的等效电容对温度变化敏感的条件，在线对因温度变化造成的误差信号进行补偿，可广泛地应用在振动控制、位置控制和结构监测等领域，有利于自感应压电驱动器向商业化和实用化方向发展。

说明书

技术领域

本发明涉及测控技术领域，尤其是一种基于前馈自适应补偿的自感应压电驱动电路。

背景技术

利用压电材料的正、逆压电效应可以分别用于制作力学结构的传感器和驱动器，具有良好的线性关系和较大的频响宽度。在实际应用中下压电传感器和压电驱动器一般都分别制作并布放在不同的位置。US5347870提出了一种桥式自感应压电驱动电路能使压电材料同时在正压电效应和逆压电效应下提取感应信号。应用自感应压压电驱动电路能使压电传感器和压电驱动器集成到一个模块上，并安放在同一位置，使布置简化，降低了对象的附加质量，有利于结构的微型化和集成化。在振动控制中，压电自感应驱动器被证明可以避免剩余模态对控制稳定性的影响。此外，因其独特的优点也被应用于位置控制、质量检测等领域。

然而，将这种桥式自感应驱动电路应用到实际中还存在着困难。要将压电驱动电压和感应信号的混合电压中将感应信号分离出来必须满足压电等效电容与匹配电容相等的条件，在应用中压电材料的等效电容值无法与标准化电容值完全相等，并随环境温度的变化而变化，因而会使测量端混入较大的驱动电压。为了解决自感应驱动电路电容不匹配的问题，CN1265168C提出了空分复用解耦方法，将压电材料的上极面分成两部分，一部分作驱动电极，一部分作感应电极，但该方法实际并不是严格意义的压电自感应驱动方法，驱动器与传感器实际仍分成两个部分。CN100494931C提出了时分复用的压电自感应驱动法，将一个执行周期分为驱动和传感两个部分，通过开关控制与驱动电路和传感电路的连接。这种方法的缺点是影响了驱动电压的连续性，因此不适用与振动控制等领域。US5578761应用自适应技术对压电等效电容进行在线估计，以估计压电感应信号，但在电容不匹配度较大情况下，过大的驱动电压会使测量电路损坏。为了对电容不平衡电桥进行补偿，本发明提出了一种基于前馈自适应补偿的自感应压电驱动电桥电路，能够在不影响驱动电压的条件下，对较大范围电容不匹配的桥式自感应驱动电路进行失真补偿。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于前馈自适应补偿的自感应压电驱动电路，能够解决传统自感应压电驱动电路中压电等效电容不匹配而造成感应电压测量误差的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于前馈自适应补偿的自感应压电驱动电路，包括：压电自感应模块1、前馈模块2、数字电位器3、数字控制器4和继电器开关5；压电自感应模块1通过桥式电路对压电感应信号进行提取，然后通过减法电路的一端施加在测量输出上；减法电路的另一端通过前馈补偿模块2对因电桥桥臂不平衡而造成的感应信号测量误差进行补偿；补偿电压从驱动电压端引出，经分压电容和分压后通过电压跟随器施加在数字电位3上，利用数字电位器的增益可调特性，补偿电压的幅值增益由数字电位器控制后输出；数字控制器4通过GPIO端口与数字电位器的引脚相联，负责输出相应的时序信号对数字电位器进行控制，对应于匹配电容大于和小于压电等效电容两种情况，干扰电压电压分别呈现于驱动电压同相与反相两种状态，因此应用继电器开关5分别与跟随电路与反相放大电路相联以控制补偿电压的极性，然后通过减法电路的另一端实现对干扰电压的补偿。

优选的，压电自感应模块1具体包括：第一电容C1、第二电容C2、第p电容C_p、第p’电容C_p’、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一放大器OPA1、第二放大器OPA2和第三放大器OPA3；电源V_s依次连接第一电容C1和第p电容C_p后接地，第一放大器OPA1的正相输入端子连接在第一电容C1和第p电容C_p之间，第一放大器OPA1的反相输入端子连接第一放大器OPA1的输出端，第一放大器OPA1的输出端连接第一电阻R1后连接到第三放大器OPA3的反相输入端，第三电阻R3的一端连接在第一电阻R1和第三放大器OPA3的反相输入端之间，另一端直接接地，第p’电容C_p’连接到第二放大器OPA2的正相输入端，第二放大器OPA2的反相输入端连接到第二放大器OPA2的输出端，第二放大器OPA2的输出端连接第二电阻R2后连接到第三放大器OPA2的正相输入端，第四电阻R4并联在第三放大器OPA3的正相输入端和输出端之间。

优选的，数字控制器4输出电压的调节方法为最陡梯度法，具体为：在驱动电压的基础上对压电材料施加一个较小的正弦信号，正弦信号的频率必须远离驱动电压的频率范围，并且信号的电压幅值应不至于激励起结构的振动，使测量信号中只存在驱动信号响应，感应电压响应为零；测量信号和驱动电压信号由在单片机中采集，测量信号经过数字带通滤波处理后将驱动电压激起的响应滤除，作为数字电位器调节的误差信号，数字电位器的增益在0-1之间变化，设定迭代补偿c，增益按照下式迭代：

e(n+1)＝e(n)-cV_mV_c。

本发明的有益效果为：本发明保留了传统桥式自感应驱动电路的结构，同时放宽了匹配电容要求严格等于压电材料等效电容的要求，允许匹配电容与等效电容有一定范围内的偏差；将误差信号的均方值作为目标函数，依照迭代公式更新数字电位器的增益，误差信号将收敛到最小值，这说明经过前馈补偿的自感应驱动电路在理论上能够完全消除电桥不平衡的影响，尤其能够在温度变化范围较大的条件下；针对压电材料的等效电容对温度变化敏感的条件，在线对因温度变化造成的误差信号进行补偿，可广泛地应用在振动控制、位置控制和结构监测等领域，有利于自感应压电驱动器向商业化和实用化方向发展。

附图说明

图1为传统桥式自感应压电驱动电路的结构示意图。

图2为本发明的驱动电路结构示意图。

图3为本发明的数字电位器增益的自适应调整示意图。

图4为本发明的驱动电路在振动控制中的应用示意图。

具体实施方式

如图2示，一种基于前馈自适应补偿的自感应压电驱动电路，包括：压电自感应模块1、前馈模块2、数字电位器3、数字控制器4和继电器开关5；压电自感应模块1通过桥式电路对压电感应信号进行提取，然后通过减法电路的一端施加在测量输出上；减法电路的另一端通过前馈补偿模块2对因电桥桥臂不平衡而造成的感应信号测量误差进行补偿；补偿电压从驱动电压端引出，经分压电容和分压后通过电压跟随器施加在数字电位3上，利用数字电位器的增益可调特性，补偿电压的幅值增益由数字电位器控制后输出；数字控制器4通过GPIO端口与数字电位器的引脚相联，负责输出相应的时序信号对数字电位器进行控制，对应于匹配电容大于和小于压电等效电容两种情况，干扰电压电压分别呈现于驱动电压同相与反相两种状态，因此应用继电器开关5分别与跟随电路与反相放大电路相联以控制补偿电压的极性，然后通过减法电路的另一端实现对干扰电压的补偿。

下面结合图1和图2详细介绍本实施方式。本实施方式详细介绍了自感应压电驱动电路的构成及搭建方法，所述的自感应压电驱动器包含了对象结构，压电换能器，实现自感应驱动功能的电路和负责对电路进行控制的数字控制器。搭建自感应压电驱动电路的步骤是：第一步，先搭建桥式电路，图1所示是传统在感应压电驱动电路，V_c是驱动电压，压电材料的电学特性可表示为感应电压源V_s和一个等效电容C_p串联的形式。电桥的桥臂端还有匹配电容C'_p和两个电容值相等的分压电容C₁和C₂，通过测量压电材料等效电容值来确定匹配电容和分压电容参数。匹配电容值应选择与压电材料等效电容值最接近的电容器型号，然后确定分压电容的参数和型号，使桥臂的输出电压幅值在后一级电路的输入范围之内。桥式电路的输出电压当匹配电容等于压电等效电容时，输出电压正比于压电感应信号，但在实际中，很难得到与压点等效电容相等的匹配电容。本实例中测量所的压电材料的等效电容为15.5nF，匹配电容选择12nF，分压电容选择50nF。

第二步，将桥臂的输出电压与电压跟随器相联以隔离前后级的耦合，提高输出电压的驱动能力。在本实例中所有运算放大器选用OPA557芯片，采用±30V的直流电压源供电。将两个电压跟随器的输出端接入减法电路，以实现对驱动电压信号的初步分离。

第三步，搭建前馈电压补偿通路，补偿通路的电压从驱动信号端引出，经过电容分压后通过电压跟随器与数字电位器相联。分压电容参数选择C3＝10pF，C4＝40pF，数字电位器的型号为X9C103，采用0-5V直流电压供电，输出电压与输入电压同相，增益控制由外部数字控制器控制通过调整数字电位器的内部抽头的位置来实现，调整范围在0-1之间。数字控制器选用stm32单片机，将其GPIO端口与数字电位器的端口相联，首先给一个下降沿电压作为片选信号，然后设置端电压，低电平表示向下移动电位器的抽头，高电平表示向上移动，最后通过对端口施加下降沿信号使抽头向确定的方向移动，以改变数字电位器输入的增益。数字电位器的输出同时与电压跟随器和减法电路相联，再由通过模拟开关控制与减法电路的接通，继电器由5V直流电压源供电，由stm32的GPIO端口输出电压控制通路的切换。将桥式电桥电路的输出与前馈补偿通路通过减法电路相联补偿电桥不平衡所造成的测量误差。减法电路的参数选择为

下面结合图2和图3详细介绍本实施方式。本实施方式介绍了自感应压电驱动电路中数字电位器增益的自适应调节方法。在图2所示的前馈补偿通道中，信号由驱动电压输出，经过电容分压后将适当大小的电压施加在数字电位器上，由数字电位器调节前馈电压的幅值，经过放大后通过加法或减法电路施加在不平衡电桥的测量输出上。由于电容不匹配分为两种情况：

(1)当匹配电容小于压电等效电容时，串入信号与驱动电压同相，前馈通路的输出信号通过电压跟随电路施加在测量信号上；当匹配电容大于压电等效电容时，串入信号与驱动电压反相，前馈通路的输出信号通过反向放大电路施加在测量信号上。加法或减法电路的切换由模拟开关决定。

(2)当匹配电容的电容值大于压电材料的电容值时，串入电压为正，此时模拟开关接加法电路，当匹配电容小于压电材料的电容值时，串入电压为负，此时应接入减法电路。因此前馈补偿信号通过减法运算电路对不平衡电桥输出进行补偿。电桥输出端的测量电压可表示为：

由于前馈补偿信号与串入信号的相位相同，因此可以完全补偿前馈串入电压。且前馈补偿通道的最优增益为通过在线调节数字电位器的电位可使前馈补偿通道增益趋于最优值。

通过以上分析，选择自感应驱动电路中数字电位器的迭代方法如下：首先将一个幅值较小的电压信号附加在压电材料的驱动电压上，本实例中选择驱动信号为2V、10Hz的正弦电压。由于初始状态匹配电容不等于压电材料的等效电容，在自感应驱动电路的输出端存在电压激励响应信号。定义目标函数：

E＝(k₁-ek₂)²V_c²

式中k₁是压电驱动信号到测量端的增益，e是数字电位器的输出增益，在-1到1之间变化。k₂是当e为1时前馈补偿通路的增益，V_c是压电驱动信号。将e作为目标函数的因变量，对目标函数求导：

式中V_c和V_m通过stm32单片机开发板的AD模块采集，由于V_m＝(ek₂-k₁)V_c，因此采用最陡梯度法对数字电位器输出增益在线调节的表达式为：

e(n+1)＝e(n)-cV_mV_c

式中c为一能保证迭代收敛的常数，可通过实验确定。在计算出每次迭代所得参数后，在stm32中将其转化为数字电位器抽头的移动量，发出相应数量的下降沿信号到数字电位器的端口，同时stm32也对继电器的切换进行控制，当e在-1到0范围内变化时，数字控制器输出控制电压使切换开关与电压跟随器相联；当e在0到1范围内变化时，切换开关与减法电路相联。

下面结合图4介绍本实施方式。本实施方式主要介绍了应用自感应压电驱动电路对柔性机翼模型的颤振进行控制。如图3所示，颤振主动控制系统由柔性机翼模型，自感应压电驱动电路，数据采集和控制系统，功率放大装置，加速度计及信号调理仪组成。其中数据采集和控制系统采用NI-PXIe6356。控制算法和加速度信号的采集和监测程序采用LabVIEW语言编写。作为对机翼模型进行驱动和感应的压电材料选用MFC复合纤维材料，贴在机翼模型的根部。自感应压电驱动电路MFC相联以分离出感应信号。由风洞实验和分析可知机翼模型的颤振频率为29Hz，因此可认为驱动电压的频带范围在在29Hz的附近。在驱动信号的基础上施加一个2V、10Hz的正弦信号，同时设计低通滤波器对自感应压电驱动电路的测量信号进行处理，将压电测量信号中频率在20Hz以上的信号滤出，并对数字电位器的抽头位置进行调整，实现对误差信号的在线补偿。