مدل‌سازی و جبران نشت بار در تخمین موقعیت به کمک خودحسگری برای عملگرهای پیزوالکتریک

امروزه عملگرهای پیزوالکتریک به‌دلیل داشتن ویژگی‌های منحصربه‌فردی همچون دقت بسیار زیاد، پاسخ سریع و فرکانس طبیعی بالا، به‌صورت گسترده‌ای در کاربردهای موقعیت‌دهی میکرونی مورد استفاده قرار می‌گیرند. علی‌رغم ویژگی‌های مطلوب عملگرهای پیزوالکتریک، وجود رفتار غیرخطی همانند هیسترزیس، می‌تواند دقت این نوع عملگرها را کاهش دهد. به همین دلیل به‌منظور کاهش اثر رفتار هیسترزیس در کاربردهای کنترلی، از بازخورد موقعیت با استفاده از حسگرهای خارجی استفاده می‌شود. اما استفاده از این حسگرها در بسیاری از کاربردها به‌دلیل محدودیت فضا و همچنین هزینه بالا، امکان‌پذیر نیست. از این رو، با توجه به وابستگی خواص الکتریکی و مکانیکی در مواد پیزوالکتریک، می‌توان از روش خودحسگری به‌عنوان راه‌حلی جایگزین استفاده نمود. در این پژوهش، از روش خودحسگری به‌منظور تخمین موقعیت در عملگرهای پیزوالکتریک استفاده شده است. متداول‌ترین روش برای پیاده‌سازی سیستم خودحسگری برای عملگرهای پیزوالکتریک، بر مبنای رابطه خطی بار الکتریکی و موقعیتِ عملگرهای پیزو است؛ به این صورت که با اندازه‌گیری بار الکتریکی عملگر، موقعیت آن تخمین زده می‌شود. اما این روش، به‌علت نشتی بار الکتریکی به خصوص در فرکانس‌های پایین با چالش جدی همراه است که دقت تخمین موقعیت را از بین می‌برد. به همین منظور، ابتدا روشی جهت مدل‌سازی و جبران نشتی بار در خروجی عملگر پیزوالکتریک، پیشنهاد می‌شود. پس از خطی‌سازی رابطه بار الکتریکی و موقعیت، سیستم خودحسگری بر مبنای اندازه‌گیری بار الکتریکی عملگر، پیاده‌سازی می‌شود. نتایج نشان می‌دهد که این روش، با خطای اندک 1/5% می‌تواند موقعیت عملگر را در حضور نشتی بار تخمین بزند.

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

Today, piezoelectric actuators are widely used in micropositioning 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 selfsensing methods that is based on electromechanical characteristics of piezoelectric materials which eventually eliminate external sensors. In this research, selfsensing 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 chargeposition relation, the selfsensing 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.