مدل‌سازي و جبران نشت بار در تخمين موقعيت به كمك خودحسگري براي عملگرهاي پيزوالكتريك

Modeling and Compensation of Charge Leakage in Self-Sensing Position Estimation for Piezoelectric Actuators

امروزه عملگرهاي پيزوالكتريك به‌دليل داشتن ويژگي‌هاي منحصربه‌فردي همچون دقت بسيار زياد، پاسخ سريع و فركانس طبيعي بالا، به‌صورت گسترده‌اي در كاربردهاي موقعيت‌دهي ميكروني مورد استفاده قرار مي‌گيرند. علي‌رغم ويژگي‌هاي مطلوب عملگرهاي پيزوالكتريك، وجود رفتار غيرخطي همانند هيسترزيس، مي‌تواند دقت اين نوع عملگرها را كاهش دهد. به همين دليل به‌منظور كاهش اثر رفتار هيسترزيس در كاربردهاي كنترلي، از بازخورد موقعيت با استفاده از حسگرهاي خارجي استفاده مي‌شود. اما استفاده از اين حسگرها در بسياري از كاربردها به‌دليل محدوديت فضا و همچنين هزينه بالا، امكان‌پذير نيست. از اين رو، با توجه به وابستگي خواص الكتريكي و مكانيكي در مواد پيزوالكتريك، مي‌توان از روش خودحسگري به‌عنوان راه‌حلي جايگزين استفاده نمود. در اين پژوهش، از روش خودحسگري به‌منظور تخمين موقعيت در عملگرهاي پيزوالكتريك استفاده شده است. متداول‌ترين روش براي پياده‌سازي سيستم خودحسگري براي عملگرهاي پيزوالكتريك، بر مبناي رابطه خطي بار الكتريكي و موقعيتِ عملگرهاي پيزو است؛ به اين صورت كه با اندازه‌گيري بار الكتريكي عملگر، موقعيت آن تخمين زده مي‌شود. اما اين روش، به‌علت نشتي بار الكتريكي به خصوص در فركانس‌هاي پايين با چالش جدي همراه است كه دقت تخمين موقعيت را از بين مي‌برد. به همين منظور، ابتدا روشي جهت مدل‌سازي و جبران نشتي بار در خروجي عملگر پيزوالكتريك، پيشنهاد مي‌شود. پس از خطي‌سازي رابطه بار الكتريكي و موقعيت، سيستم خودحسگري بر مبناي اندازه‌گيري بار الكتريكي عملگر، پياده‌سازي مي‌شود. نتايج نشان مي‌دهد كه اين روش، با خطاي اندك 1/5% مي‌تواند موقعيت عملگر را در حضور نشتي بار تخمين بزند

Today, piezoelectric actuators are widely used in micro-positioning applications due to unique features such as high precision, fast response and high natural frequency. Despite the aforementioned characteristics, nonlinear characteristics such as hysteresis deteriorate the precision of piezoelectric actuators. In order to reduce the effect of hysteresis in control applications, external sensors are used for feedback control schemes. But, high costs and space limitations are prohibitive factors which limit the application of external sensors. Hence, an alternative is using self-sensing methods that is based on electromechanical characteristics of piezoelectric materials which eventually eliminate external sensors. In this research, self-sensing method is applied for position estimation in piezoelectric actuators. The most conventional method is based on the linear relation of electrical charge and actuator position which the position can be estimated by measuring the actuator charge. But this method is faced with serious challenges due to charge drift, especially at low frequencies. For this purpose, a method for modeling and compensating of charge drift is proposed. Then, by linearization of the electric charge-position relation, the self-sensing method is implemented based on the compensated electric charge measurement. Experiments have confirmed that this method can effectively estimate the actuator position with 1.5% estimation error in the presence of charge leakage.