[发明专利]一种基于前馈自适应补偿的自感应压电驱动电路

说明书

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。

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。