Импульсный регулятор перемещения пъезодвигателя
И/ 1ПУЛЬСНЫЙ РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПЬЕЗОДВИГАТЕЛЯ по п. 2 авт. св. № 1023278, отличающийся тем, что, с целью повышения точности регулятора , в нем дополнительно установлены фильтр и блок двойного дифференцирования, входом подключенный к выходу усилителя заряда, а выходом через фильтр подключенный к четвертому входу устройства сравнения . сл 00 (U) сл 00 Ю
СОК}З СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
„,SU„„1133582
45д G 05 В 11/26
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ к автои:ком сеидетельств (61) 1023278 (21) 3656657/24-24 (22) 28.10.83 (46) 07.01.85. Бюл. № 1 (72) Е. А. Иванов, С. М. Афонин, А. Ю. Лукичев и Г. П. Тарасов (71) Московский институт электронной техники (53) 62-50 (088.8) (56) l. Авторское свидетельство СССР № 1023278, кл. G 05 В 11/16 (прототип). (54) (57) ИМПУЛЬСНЫЙ РЕГУЛЯТОР
ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПЬЕЗОДВИГАТЕЛЯ по п. 2 авт. св. № 1023278, отличающийся тем, что, с целью повышения точности регулятора, в нем дополнительно установлены фильтр и блок двойного дифференцирования, входом подключенный к выходу усилителя заряда, а выходом через фильтр подключенный к четвертому входу устройства сравнения, 1133582
Изобретение относится к релейным устройствам автоматического управления и может быть использовано для трехпозиционного регулирования пьезоэлектрических двигателей.
По основному авт. св. № 1023278 известен импульсный регулятор перемещения пьезодвигателя, содержащий последовательно соедиНенные задатчик, устройство сравнения и трехпозиционный релейный усилитель, и последовательно соединенные источник на- !0 пряжения, первый ключ и четыре ключа, соединенные по мостовой схеме, одна из диагоналей которой соединена с входами пьезодвигателя и с входами делителя, а другая— с выходом первого ключа, управляющий вход которого соединен с первым выходом трехпозиционного релейного усилителя, второй выход которого соединен с управляющими входами второго и третьего ключей мостовой схемы, а третий выход — с управляющими входами четвертого и пятого ключей 20 мостовой схемы, выход делителя соединен с вторым входом устройства сравнения, а выход генератора — с вторым входом трехпозиционного релейного усилителя, электрический выход изолированной пьезопластины составного пьезодвигателя соединен с входом усилителя заря>а< выход котороп> соединен с третьим вхс>дом устройства сравнения (1).
Известный регулятор предназначен для использования в системах авт1>матического З0 управления с ограниченным 1иапазоном пе ремещения, однако при упругой нагрузке исполнительного двига>сл1я T;>H»ã» регулятора его точность существеп>1о . нижается.
Так, например, при упруг»й нагрлзке исполнительного дви1Hгеля максимальный 35 диапазон перемещения ль= dH 1чиЩ (1) где с!зэ (М/В) — пьезомодуль;
М вЂ” число пьезопластин пьезодви гателя;
U При этом рабочий диапазон перемещения .4 (m) пьезодвигателя записывается в 4 виде сЬзЯУ> Сд Си + с,„ (2) где Сд (H/M) — жесткоть пьезодвигателя; Сн (Н/м) — жесткость упругой нагрузки. Следовательно, в известном импульсном регуляторе, где первоначальное перемени ч ",. пьезодвигателя пропорционально на>;::: нию и соответствует выражению (11. кикает ошибка ьŠ— — вЂ”â€” (3) 55 при отработке перемещения и с . Це 1 bio изобретения является повы111<. 0llc точности регулятора при упругой наг!> э<» Для достижения поставлс HH»H цс-.:1 и:< ..— пулы н»<м регуляторе перемещения . ш>; гателя 1»пс>пнительнс> устав»в,н H ", и.,ьтр и блок двойного диффсреи1>ир1>вс>11и>1 .>л»дом подключенный к выходу sсилитс, 5<;;>!>яда, а выходом через филыр — - к четвс1)томy входу устройства сравнения. В этом случае повышается то п1»сть регулятора в следящем режиме, так как на-. пряжение на выходе устройства сравнения пропорционально перемещению н>>грузки при уменьшении коэффициента пс»сдачи делителя, и скомпенсированы возмущающие факторы, возникающие из-за влияния жесткости и инерционности нагрузки. Иа чертеже представлена структурная схема импульсного регулятора перемещения пьезодвигател я. Импульсный регулятор перемещения пьезодвигателя содержит vcTj oilcòâo 1 сравнения, к выходу которого ио)1кл>с>чен . рс хпозиI!I 4--6 соединены с выходом генератора 7, выход реле 4 соединен с управляющим входом первого ключа 8, выход которого соединен с диш ональю мост>:вой схемы 9, во вторую 11иа1ч>1>аль мостовой схемы включен пьезодви гател ь 10, источник 1! напряжения с»еди нен с <.1>п>альным входом ключа 8, причем э.>ектрические входы пьезодвигателя !О соединены с входами делителя 12, выход которого соединен с вторым входом устройства 1 сравнения, мостовая схема 9 состоит из второго 13, третьего 14, четвертого 15 и пятого 16 ключей, причем изолированная пьезопластина 17 жестко прикреплена к выходному торцу пьезодвигателя 1(>. электрический выход изолированной пьез»пластины 17 соединен с входом усилителя !8 заряда, выход которого соединен с третьим входом устройства 1 сравнения и с входом блока 19 двойного дифференцировании, выход которого подключен к входу фильтра 2>I>, выход которого соединен с четвертым ч>з>дом устройства 1 сравнения, первый которого подключен к выходу задатчик-; Регулятор работает следующим образ Задающий сигнал с выхода зад;1тч11 . . через устройство 1 ср1>внс 1>и5> посту>>ас": вход трехпозиционного релейного уси,.>ит<>. I5i 2. В зависимости oi ilo«5!pHocTI< H1pIo сигнала при превышс.нии зоны и"ч,>< c1вите,>и>ости релейного эле<иснта 3 B.....:.". ча1»1c" реле 5 или 6, а также реле 4. ! 1ðè этом на вторые входы реле 4 поступают тактирующие импульсы с ге:. ратора 7. Реле 4 обеспеч ива» 1. в сс>1>1 ;:-ствии с тактирующими <1<л>.ix.iücал1п ратора 7 включение ключа 8, кот,>pH;H!!33582 т.1<1 «ысоки» напряжением с источника l! на«ря>кс «ия од«у из д«аго«ал< и мостовой сх< Мы 9, В lp< Г»Ê) дИЗГ<>«11. lь 15K„1K>
Реле 5 и 6, которые соедине«ы с управляющими входами ключей 13-- !6, включенных в противоположные плечи»остовой схемы, открывают в соответствии с т;>ктирующими импульсами с Ге«ераторп 7 ключи !3 1 14 или 15 и 16 («;<«!»1»<. 1 р«егоры, о«троны, транзисторы) в противополож«ых пле- !0 чах мостовой схемы 9. через кот<>р<,1< происходит заряд емкости пьезодвигателя 10. Следовательно, ра с Гп ире«не ил и сжатие пьезодвигателя 10 про«сход«т в зависимости От полярности задающеГО сиГнала. lIeформация пьезодвигателя 10 вызывает деформацию изолированной пьезопластины 17, что приводит к появлению электрического напряжения на обкладках изолированной пьезопластины 17. Это напряжение усиливается усилителем 18 заряда и подается на 20 трсг«й вход устройства 1 сравнения и на «<>,1 л,ка 19 двойного дифференцирования, i В к«<с;1«с фильтра 20 может быть «рименен .<к>бой «ысокочастотный фильтр. При этом «а выходе устройства 1 сравнения формирует<11 «апряжение, пропорциональное откло1>с«и<о текущего перемещения пьезодвигателя от заданного. Изолированная пьезопластина 17 состав«и>го пьезодвигателя 10, являющаяся чувст«ител ьным элементом пьезодатчика, находится между пьезодвигателем 10 и механической нагрузкой. Следовательно, усилие Fä (Н), воспринимаемое изолированной пьезо- З5 пластиной, равно! д(p) = mp x„(p) + с хл(р) (4) Где P — оператор Лапласа; m Exs< 3 — масса нагрузки; С,„!1!) — перемещение нагрузки; Хд (;MI — перемещение пьезодвигателя при отсутствии упругой нагрузки; Сд LHß вЂ” ж ест кость п ьезодви гател я; 45 Сн>.!!/м) — жесткость упругой нагрузки. Перемещение нагрузки х<5 (м) меньше, чем соответствующее перемещение Жц (м) при равном электрическом напряжении пьезо двигателя 10 при отсутствии упругой нагрузки, и определяется выражением н(Р) —..<< (Р) Сд 1Сд (5) Подставив выражение (5) в уравнение (Ч), получаем выражение для усилия, вос- 55 принимаемого пьезопластиной 17 F (p) =- x>5 fp) fmp Си) (6) 1!уз = KVUA., (8) где Ку — коэффициент передачи усилителя заряда. 1!Ри работе предлагаемого импульсного регулятора перемещения пьезодвигателя напряже«ие с обкладок изолированной пьезопластины 17, усиленное усилителем 18 заряда, поступает на вход блока 19 двойного дифференцирования с передаточной функцией >Д((p) (др2 (9) где Trci = „— постоянная времени дифференциатора; Ler I — масса нагрузки; С„(ц/ 1) — жесткость упругой нагрузки. Выходной сигнал блока !9 двойного дифференцирования поступает на вход фильтра 20 с передаточной функцией Wq, (p) l (10) Выходной сигнал фильтра 20 подается на четвертый вход устройства 1 сравнения. При этом выходной сигнал устройства 1 сравнения при упругой нагрузке на пьезодвигатель 10 равен Uc(p) = U (p) — Uy.ç(p) + Uy>(p) W (p) X X %> (р) — k<>Ug(p) = U> (p)— КУЫз гя (Р)(ФР + Сн) т Р т Р +S/ ) о - д(Р) = 1-Ь(Р) — 4>r,s(P) — QUA(P) (1!) где tj Ill 1 (Ц ) кУ !.ЗЗС>< ск — задающее напряжение; — коэффициент передачи корректирующего канала; Из выражения (6) видно, что усилие F (Н), действующее на изолированную «ьезо«ласт«ну 17, пропорционально перемеще«ию и ускорению нагрузки, следовательно, напряжение Ug (B) с обкладок пьезопластины, использующееся как сигнал обратной связи и через усилитель 18 заряда подающеееся на третий вход устройства 1 сравнения, также пропорционально перемещению и ускорению нагрузки. С4зб fp) ИЫЭ 4 (Р)(1 Р +Си) (->к(p)— и) С 15 Ск где с!з (М/6) — пьезомодуль; C>5 L cl>) — ЕМКОСТЬ ИЗОЛИрОВаННОй и ьезопл асти ны. Причем напряжение Uys (В) на выходе усилителя 18 заряда равно . 1.133582 Составитель Ю. Гладков Редактор В. Данко Техред И. Верес Заказ 9835/39 Тираж 863 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и от крытий I 1303о, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Ко — коэффициент передачи делителя; Уд 1И вЂ” напряжение, подаваемое на пьезодвигатель с выхода импульсного усилителя. Следовательно, в предлагаемом импуль10 сном регуляторе перемещения пьезодвигателя напряжение на выходе устройства 1 сравнения пропорционально перемещению нагрузки. В целом это повышает точность регулятора в следящем режиме при отслеживании требуемого перемещения, так как скомпенсированы возмущающие факторы из-за влияния упругости и инерционности нагрузки. Предложенный импульсный регулятор перемещения пьезодвигателя позволяет улучшить точностные характеристики регулятора при упругой нагрузке, что в конечном итоге повышает точностные характеристики прецизионного пьезопривода. В настоящее время изготовлен лабораторный образец импульсного регулятора перемещения пьезодвигателя, который прошел лабораторные испытания. Технические характеристики регулятора: точность позиционирования пьезодвигателя 0 02 мкм; диапазон рабочих частот 30 0 — 1000 Гц; диапазон перемещения пьезодвигателя (-50) — (+50) мкм; диапазон входных напряжений (-1) — (+1) В; диапазон выходных напряжений (-300) — (+300) В. Экономический эффект изобретения проявляется при использовании импульсного 35 регулятора перемещения пьезодвигателя в автоматических системах фотографирования астрономических объектов в качестве прецизионного пьезопривода фотокассеты, отслеживающего флуктуации атмосферы, и 40 составит более 100 тыс. руб. в год. Проблема компенсации флуктуаций атмосферы впервые поставлена академиком В. П. Линником и является одной из наиболее актуальных в астрономии. Решение проблемы отслеживания флуктуаций атмосферы позволит получить четкие снимки астрономических объектов. В настоящее время годен примерно один из ста снимков, сделанных вручную, что приводит к непроизводительной работе телескопа и обслуживающего персонала. Стоимость работы среднего зеркального телескопа 200 — 300 руб. в час. При работе телескопа в течение 8ч в сутки потери за счет непроизводительного использования оборудования и получения негодных снимков составляют порядка 1 тыс. руб. Следовательно, при эксплуатации предлагаемого регулятора в телескопе в качестве прецизионного пьезопривода фотокассеты возможно получить экономию в результате сокращения потерь из-за непроизводительного использования оборудования более 100 тыс. руб в год с одновременным получением более качественных снимков астрономических объектов, несущих большое количество информации. Ожидаемый экономический эффект изобретения проявляется также при применении импульсно.о регулятора в системах управления гибкими зеркалами и в оборудовании микроэлектроники для рентгеновской и электронной литографии за счет повышения процента выхода годных изделий микроэлектроники, например микросхем за счет повышения точности позиционирования до 0,02 мкм. Предлагаемый импульсный регулятор перемещения пьезодвигателя по сравнению с известным имеет в 5 раз более высокую точность позиционирования, в 1,6 раз более широкую полосу пропускания и более чем в 1,5 раза более высокое быстродействие.
