[发明专利]实现自感知执行器的时分复用解耦法与控制系统

说明书

技术领域

本发明属于机电系统的测控技术领域，涉及到基于双向机电换能材料的传感器与执行器功能集成的实现方法，即自感知执行器的实现方法和控制系统。

背景技术

无论是对传统的机电系统还是对近年来的微机电系统，实施测量与控制通常同时需要执行器和传感器。执行器产生位移或力，完成期望的控制动作；传感器测量位移或力等物理量，开环监测和闭环控制中都离不开传感器。一般来说，组建一个控制系统的技术路线是采用独立的传感器和独立的执行器，这种方法的缺点是不利于同位控制、不便于系统集成化和微型化。

双向机电换能材料主要包括压电材料和磁致伸缩材料。压电材料在应力或应变作用下产生电荷，将机械能转换成电能，称为正压电效应，利用此效应可制成传感器；压电材料在电场作用下发生形变或产生驱动力，将电能转换成机械能，称为逆压电效应，利用此效应可制成执行器。磁致伸缩材料在应力或应变作用下产生感应电压，将机械能转换成电能；磁致伸缩材料在通电流后，即在磁场作用下，发生形变或产生驱动力，将电能转换成机械能。两种材料的传感器技术和执行器技术都比较成熟。实际上，在双向机电换能材料内部，机→电、电→机两个方向的能量转换是同时存在的，只是传感器的敏感电信号与执行器的驱动电信号混合在一起。如果通过适当的解耦方法把敏感电信号与驱动电信号分开，一个双向机电换能器件就可以兼有传感器和执行器两种功能，这种器件被称为自感知执行器(Self-Sensing Actuator)，还有自敏感致动器、自传感执行器等翻译形式。

迄今为止，实现压电自感知执行器主要采用电桥电路解耦法。美国专利US5,347,870首次公开了压电自感知执行器实现方法，基于电桥解耦法使一片压电换能器同时具有激发和感知位移、速度或加速度两种作用；US5,656,779和US5,913,955公开了把电桥解耦法压电自感知执行器用于结构振动测量与控制的方法；US6,600,619公开了利用电桥解耦法使压电微执行器自感知机械应变、并应用于磁盘磁头精密定位过程中振动控制的方法。电桥解耦法的难题是电桥电路不容易平衡，原因是作为电桥电路桥臂之一的压电元件的电容随边界条件变化。US5,578,761公开了采用模拟和数字混合自适应技术跟踪压电电容变化、以便实时调电桥平衡的方法。在公开发表的论文中磁致伸缩材料自感知执行器也采用电桥解耦法。申请人在CN ZL200410020496.5中公开了实现压电自感知执行器的空分复用解耦法，压电陶瓷/晶体有两个电极面，一个电极面做公共地电极，另一个电极面被分割成两组，分别做传感电极和执行电极，通过这两组在空间上分离的电极，驱动电压信号和敏感电压信号自然分离。传感电极和执行电极可做成回字形或叉指形或环形，在空间上充分交叉靠近。因此，一片压电陶瓷/晶体既做执行器又做传感器，即实现了压电自感知执行器；而且传感器和执行器是同位配置。在空分复用解耦法中增加了电极分割工序，对于柱形或管形或多层压电换能元件不是很方便；磁致伸缩元件大多棒形，所以，空分复用解耦法适用的双向换能材料和形状有一定局限。通信和计算机技术等领域都有时分复用技术，例如信道时分复用技术、数据地址时分复用技术等，受此启发，在电桥电路解耦法、空分复用解耦法之后，提出一种新的时分复用解耦法，实现基于一般机电双向换能材料的自感知执行器。

发明内容

本发明的目的是采用时分复用解耦法使一个双向换能元件作为自感知执行器，采用时序电路控制传感器和执行器的快速切换，来实现自感知执行器。该方法不存在电桥解耦法中电桥不易平衡的问题；不必做任何电极分割，保持双向换能元件原样，简便通用；降低了自感知执行器的设计难度。减小了结构的体积和重量、促进结构的集成化和微型化；体现了能量流、物料流和信息流的集成，本发明使基于双向换能材料实现自感知执行器的方法形成了一个比较完整的体系。