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摘要:压电陶瓷因撞击而产生的瞬间电势可以在工业控制中用作特殊的位置传感器,它可以实现极高精度的位置控制要求。文章介绍了一种基于压电陶瓷片的检测电路,用于廉价的工业设备位置控制,其可靠性高、位置检测精确并且使用维护方便。经过实践,该系统具有广泛的应用前景和潜力。
关键词:压电陶瓷;压电效应;步进电机;高精度定位;编码器
中图分类号:O328文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)03-0033-02
一、概述
继压电效应的发现,压电陶瓷首先是作为电声或声电器件服务于大众的,目前也有了许多应用,如:声波传感器、震动传感器等。它们一般应用于测量震动、晃动等领域。在精确的位置测量上,还未见有成熟的应用。
工业设备在运动控制中,对于高精度的位置控制,最好的传感器件是各种编码器,它们不仅能轻易达到0.01毫米乃至微米级的精度,而且可以在运动的全过程采集位置数据,然而美中不足的是它昂贵价格。
普通的光学传感器,一般由红外LED及光敏三极管组成,各用一定宽度的狭缝限制发射及接受光束的大小。因此,光敏管的传输特性及光束的大小直接决定了传感器的精度。图1为遮挡物逐渐覆盖检测狭缝时所得检测电平的变化情况:
从图1可知,在高精度要求下,普通光学传感器的检测结果是极其模糊的,即使经过数字化整形,由于工作点的飘移、外界环境干扰等因素的影响,我们得不到稳定的重复检测结果。因此这类光学传感器一般应用于普通机械定位所需的0.5mm以下的精度要求场合。为了适应步进电机0.1mm以上的精度,理论上要求进一步减小狭缝宽度。实际上过小狭缝宽度,将使光敏器件得不到足够的光通量,从而光敏管无法导通,进而无法检测遮挡物的运动。
同样道理,其他电磁感应类传感器如接近开关和霍尔传感器,都要求移动的金属或铁磁物质接近传感面,在某一距离范围内,将所得的一个中间电平确认为翻转状态,但这一距离范围较为模糊和随机,检测结果的重现性也将受到具体电路状况、周围环境、响应延迟等因素的影响,因此不能用于高精度定位的控制上。
鉴于这些原因,到目前为止近微米级的精确定位几乎非编码器莫属,能使用这样精度等级的设备一般都价格不斐,可以不需要考虑传感器的成本价格因素。然而廉价的步进电机提供了足够高的驱动精度,如最差的1.8度的步距角,通过较粗糙的10mm导程丝杠传动后,可得到(10mm/360*1.8=)0.05mm的控制精度,在应用步进电机构成的廉价机电系统中,如何实现既廉价又能达到与步进电机精度相匹配的传感器来进行位置控制呢?利用陶瓷压电片在撞击瞬间产生的电势,可以实现一个低廉并且精确的位置控制方案。
下面列举一个应用方案,以阐明其可行性及实现方法。
假设工作平台从初始位置出发,移动一个指定距离,之后又返回到初始位置,完成一个工作循环。在这里,使用步进电机驱动,并且以恰当的启动加速度及制动减速度来保证尽可能小的失步(可以为0),这样,工作平台的任意精确定位仅使用步进电机的开环控制就可以实现。在起点位置处安装压电片,不仅给系统提供初始参考位置,而且通过使平台的每个工作循环都回归复位位置,可以避免在驱动过程中可能的失步、失控、错乱等产生积累误差,使每一个工作循环都始于精确的复位位置。
虽然复位传感器的电信号是由机械撞击产生,但通过以下一些措施,可以使撞击不具破坏性:(1)低速撞击:在运动接近复位位置时,将速度降至很慢,这在已知行程的加减速运动控制中,可以实现。在未知行程的状况,可以保持全程慢速运动来趋近复位位置;(2)撞击缓冲:撞击部件加入橡胶或弹簧来缓冲,调节适当的预紧力,可以在缓冲元件发生明显形变之前就得到撞击输出的电信号,缓冲作用减低了撞击的刚性而延长了传感器的使用寿命。
在系统失控时视电机堵转的允许与否,可以采取以下措施考虑来避免失控现象的发生。(1)硬性堵转:当电机传动系统允许堵转时,用硬性机械限位限制撞击压电片后的继续运动;(2)柔性跨越:在不允许堵转的状况下,用弹簧/摇杆等机构装载撞击锤。失控时,该机构可跨越传感器,平台继续前进,在其后加装应急行程开关以切断相应的动力电源,或其他措施来终止异常运作。
二、系统设计
要使压电片正常工作,必须克服一个难题:压电效应因材料形变而产生的有限电荷,将在检测线路中释放掉,故检测到的电势只是响应于形变瞬间的短脉冲。一个按压-释放的机械过程将得到如图2所示的电压响应。尽管在空载状态下,撞击可以产生高达50伏的电势,但随着负载增大,所得电压的幅度,将显著减弱。
检测线路的首要任务是将第一个脉冲缓冲、放大,并保持一段时间供系统采样。图3所示的电路可以满足这一要求。将产生的单尖峰信号经放大后向C1 充电,同时开始输出脉冲上沿,C1可以 将脉冲保留足够的宽度。在以后的控制电路中, 及时地响应该脉冲的上升沿, 可获得足够高的检测精度。
三、结语
本文介绍了一种基于压电陶瓷片的检测电路,用于廉价的工业设备位置控制,其可靠性高、位置检测精确并且使用维护方便。经过实践,该系统具有广泛的应用前景和潜力。
作者简介:梅忠(1971-),男,湖南常德人,苏州大学机电工程学院硕士研究生,研究方向:机械工程设计与制造。
关键词:压电陶瓷;压电效应;步进电机;高精度定位;编码器
中图分类号:O328文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)03-0033-02
一、概述
继压电效应的发现,压电陶瓷首先是作为电声或声电器件服务于大众的,目前也有了许多应用,如:声波传感器、震动传感器等。它们一般应用于测量震动、晃动等领域。在精确的位置测量上,还未见有成熟的应用。
工业设备在运动控制中,对于高精度的位置控制,最好的传感器件是各种编码器,它们不仅能轻易达到0.01毫米乃至微米级的精度,而且可以在运动的全过程采集位置数据,然而美中不足的是它昂贵价格。
普通的光学传感器,一般由红外LED及光敏三极管组成,各用一定宽度的狭缝限制发射及接受光束的大小。因此,光敏管的传输特性及光束的大小直接决定了传感器的精度。图1为遮挡物逐渐覆盖检测狭缝时所得检测电平的变化情况:
从图1可知,在高精度要求下,普通光学传感器的检测结果是极其模糊的,即使经过数字化整形,由于工作点的飘移、外界环境干扰等因素的影响,我们得不到稳定的重复检测结果。因此这类光学传感器一般应用于普通机械定位所需的0.5mm以下的精度要求场合。为了适应步进电机0.1mm以上的精度,理论上要求进一步减小狭缝宽度。实际上过小狭缝宽度,将使光敏器件得不到足够的光通量,从而光敏管无法导通,进而无法检测遮挡物的运动。
同样道理,其他电磁感应类传感器如接近开关和霍尔传感器,都要求移动的金属或铁磁物质接近传感面,在某一距离范围内,将所得的一个中间电平确认为翻转状态,但这一距离范围较为模糊和随机,检测结果的重现性也将受到具体电路状况、周围环境、响应延迟等因素的影响,因此不能用于高精度定位的控制上。
鉴于这些原因,到目前为止近微米级的精确定位几乎非编码器莫属,能使用这样精度等级的设备一般都价格不斐,可以不需要考虑传感器的成本价格因素。然而廉价的步进电机提供了足够高的驱动精度,如最差的1.8度的步距角,通过较粗糙的10mm导程丝杠传动后,可得到(10mm/360*1.8=)0.05mm的控制精度,在应用步进电机构成的廉价机电系统中,如何实现既廉价又能达到与步进电机精度相匹配的传感器来进行位置控制呢?利用陶瓷压电片在撞击瞬间产生的电势,可以实现一个低廉并且精确的位置控制方案。
下面列举一个应用方案,以阐明其可行性及实现方法。
假设工作平台从初始位置出发,移动一个指定距离,之后又返回到初始位置,完成一个工作循环。在这里,使用步进电机驱动,并且以恰当的启动加速度及制动减速度来保证尽可能小的失步(可以为0),这样,工作平台的任意精确定位仅使用步进电机的开环控制就可以实现。在起点位置处安装压电片,不仅给系统提供初始参考位置,而且通过使平台的每个工作循环都回归复位位置,可以避免在驱动过程中可能的失步、失控、错乱等产生积累误差,使每一个工作循环都始于精确的复位位置。
虽然复位传感器的电信号是由机械撞击产生,但通过以下一些措施,可以使撞击不具破坏性:(1)低速撞击:在运动接近复位位置时,将速度降至很慢,这在已知行程的加减速运动控制中,可以实现。在未知行程的状况,可以保持全程慢速运动来趋近复位位置;(2)撞击缓冲:撞击部件加入橡胶或弹簧来缓冲,调节适当的预紧力,可以在缓冲元件发生明显形变之前就得到撞击输出的电信号,缓冲作用减低了撞击的刚性而延长了传感器的使用寿命。
在系统失控时视电机堵转的允许与否,可以采取以下措施考虑来避免失控现象的发生。(1)硬性堵转:当电机传动系统允许堵转时,用硬性机械限位限制撞击压电片后的继续运动;(2)柔性跨越:在不允许堵转的状况下,用弹簧/摇杆等机构装载撞击锤。失控时,该机构可跨越传感器,平台继续前进,在其后加装应急行程开关以切断相应的动力电源,或其他措施来终止异常运作。
二、系统设计
要使压电片正常工作,必须克服一个难题:压电效应因材料形变而产生的有限电荷,将在检测线路中释放掉,故检测到的电势只是响应于形变瞬间的短脉冲。一个按压-释放的机械过程将得到如图2所示的电压响应。尽管在空载状态下,撞击可以产生高达50伏的电势,但随着负载增大,所得电压的幅度,将显著减弱。
检测线路的首要任务是将第一个脉冲缓冲、放大,并保持一段时间供系统采样。图3所示的电路可以满足这一要求。将产生的单尖峰信号经放大后向C1 充电,同时开始输出脉冲上沿,C1可以 将脉冲保留足够的宽度。在以后的控制电路中, 及时地响应该脉冲的上升沿, 可获得足够高的检测精度。
三、结语
本文介绍了一种基于压电陶瓷片的检测电路,用于廉价的工业设备位置控制,其可靠性高、位置检测精确并且使用维护方便。经过实践,该系统具有广泛的应用前景和潜力。
作者简介:梅忠(1971-),男,湖南常德人,苏州大学机电工程学院硕士研究生,研究方向:机械工程设计与制造。