Устройство управления пъезодвигателем

 

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано при разработке и создании систем управления с пьезоэлектрическими двигйтелями. Целью изобретения является повышение быстродействия. Устройство управления пьезодвигателем (ПД)может быть использовано в прецизионных системах микроперемещений. Данное устройство позволяет увеличить ток заряда ПД и тем самым повысить быстродействие пьезопривода с одновременным повышением коэффициента полезного действия. В первую половину такта управления ПД заряжается по цепи: общая шина - ключ 6 - выпрямительный элемент 9 - вторичная обмотка трансформатора 13 - реактивный элемент 15 - ПД 14 - общая шина. Заряд во второй половине такта управления происходит за счет энергии, накопленной дросселем в первой половине такта управления по цепи: элемент 15 - ПД 14 - ключ 6 - выпрямительный элемент 8. По окончании процесса заряда ток отсутствует,, напряжение на ПД запоминается. 2 ил. i (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„Я0„„1366989 ц11 4 G 05 В 11/01

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И А ВТОРСКОМ .Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

А

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ. КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3982199/24-24 (22) 22 ° 11 ° 85 (46) 15.01.88. Вюл. И 2 (71) Московский институт электронной техники (72) А.С.Дмитриев, Е.А.Иванов, А.Ю.Лукичев н В.Ю.Трубников (53) 62-50(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

1 1023278, кл. G 05 В ll/16, 1984.

Авторское свидетельство СССР

И 1166057, кл. G 05 В ll/01) 1986. (54) УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПЬЕЗОДВИГАТЕЛЕМ (57) Изобретение относится к автоматике и может быть использовано при разработке и создании систем управления с пьезоэлектрическими двигателями. Целью изобретения является повышение быстродействия. Устройство управления пьезодвигателем (ПД)может быть использовано в прецизионных системах мнкроперемещений. Данное устройство позволяет увеличить ток заряда ПД и тем самым повысить быстродействие пьезопривода с одновременным повышением коэффициента полезного действия. В первую половину такта управления ПД заряжается по цепи: общая шина — ключ 6 - выпрямительный элемент 9 — вторичная обмотка трансформатора 13 — реактивный элемент 15 — ПД 14 - общая шина.

Заряд во второй половине такта управления происходят эа счет"энергии, накопленной дросселем в первой половине такта управления по цепи; элемент 15 — ПД !4 — ключ 6 — выпрямнтельный элемент 8. По окончании процесса заряда ток отсутствует, напряжение на ПД запоминается. 2 ил, 1366989 риода следования. Эти импульсы вступают на управляющий вход модулятора

18. На выходе модулятора 18 формируется сигнал U если на управляющем входе находится импульс генератора 19 и сигнал -U . при отсутствии управляющего импульса. С выхода модулятора

18 импульсы + U „ поступают на вход сумматора 20, в котором они суммируются с сигналом второго делителя 21, равным половине питающего напряжения, вырабатываемого источником 17 постоянного напряжения. Пройдя через уси" литель тока — эмиттерные повторители

22 и 23, сигнал через конденсатор 12 поступает на первичную обмотку повышающего трансформатора 13, имеющего коэффициент передачи К . Считая, что коэффициент передачи эмиттерных повторителей 22 и 23 равен единице, амплитуда импульсов на вторичной обмотке повышающего трансформатора 13

U7 к У(О U9)

При напряжении U > 0 пьезодвигатель

14 заряжается только положительными импульсами П, так как открыт только первый ключ 6. В этом случае пьеэодвигатель заряжается по цепи: общая шина — первый ключ 6 — второй вентиль 9 — вторичная обмотка трансформатора 13 - дроссель 15 — пьезодвигатель 14 — общая шина. При отрицательном напряжении на выходе усилителя 1 открыт второй ключ 7, пьезодвигатель 14 заряжается отрицательными импульсами по цепи: общая шина — ключ 7 — вертиль ll — вторичная обмотка трансформатора 13 — дроссель

15 — пьезодвигатель 14 - общая пина. (н )=и Ы+(и,-U (n)7 fl- -"-"- - Изобретение относится к автоматике и может быть использовано при разработке и создании систем управления пьезодвигателями.

Цель изобретения — повышение быстродействия устройства управления пьезодвигателем.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства управления пьезодвигателем; на фиг. 2 — эпюры saряда емкости пьезодвигателя.

Устройство управления пьезодвигателем содержит усилитель 1, сумматор 2, делитель 3, компаратор 4, инвертор 5, первый 6 и второй 7 ключи, первый. 8, второй 9, третий 10 и четвертый 11 выпрямительные элементы, например вентили, накопительный элемент 12, например конденсатор, повышающий трансформатор 13, пьезодвигатель 14, реактивный элемент 15, например дроссель и амплитудно-импуль" сный преобразователь !6.

Амплитудно-импульсный преобразова- 26 тель содержит источник 17 постоянного напряжения, модулятор 18, генератор .19, сумматор 20, делитель 21 первый 22 и второй 23 эмиттерные повторители. 30

Устройство работает следующим образом.

На первый вход первого сумматора 2 поступает задающий сигнал U на второй вход — подаваемый на пьезодвигатель выходной сигнал U устройства, Ъ прошедший через делитель 3 с коэффициентом передачи К . Выходной сигнал сумматора 2 усиливается усилителем 1 имеющим коэффициент усиления 4О

К, и поступает на входы модулятора

18 и компаратора 4. При положительном выходном сигнале U> усилителя 1 компаратор 4 формирует управляющий сигнал, вызывающий открывание первого ключа 6. Второй ключ 7 открывает45 ся в противоположной фазе относительно открывания первого ключа 6, так как управляется сигналом компаратора

4, прошедшим через инвертор 5. Гене" ратор 19 вырабатывает управляющие импульсы постоянной частоты, длительность импульса t„ равна половине пеДля определения КПД и анализа быстродействия устройства запишем . уравнения для токов заряда и напряжений на пьезодвигателе в процессе работы устройства. Рассмотрим случай положительного сигнала на выходе усилителя 1 (U>0). При этом напряже J ние на пьезодвигателе в середине (n+l)-ro такта (при изменении знака импульса U на вторичной обмотке повышающего трансформатора 13)

-d < осознай. -« „1 ly(n) — — — - е " + — — — — — sanest u, (2) с где V (и) — напряжение на пьезодвигателе 14 в конце и-го такта;

1 2L

d В+г — постоянная времени колебательного контура после1366989 довательно включенных

r, R, Ь;

» активное сопротивление цепи заряда пьезодвигателя 14, включающее в

5 себя сопротивление дросселя 15, первого ключа 6 и второго вентиля 9; суммарное сопротивление вторичной обмотки трансформатора 13 и приведенных к вторичной обмотке сопротивления первичной обмотки повышающего транс- 5 форматора 13 и выходных сопротивлений эмиттерных повторителей 22 и 23; индуктивность дросселя 15; — емКость пьеэодвигателя 14; частота свободных

25 х (и+1)=х (n+ >)e "(cosset, — — sinwlt )

1 -А„У

30 (8) (3)

35 (n+ 2)

2 l

1

4Р

40 (4) (9) U КК (11 KU ) Во вторую половину (и+1)-го такта импульс -U через второй вентиль 9

Т не проходит, заряд пьезодвигателя 45

14 происходит за счет энергии магнит-. ного поля (4), накопленной дросселем

15, по цепи: дроссель 15 — пьеэодвигатель 14 — первый ключ 6 — первый вентиль 8. 50

1 г 1, у 55

Т, (n+ )е я хпя

С (d (5) колебаний в цепи r R, С;

Х (п) — ток, протекающий через пьеэодвигатель 14 в конце и-го такта.

Ток через пьезодвигатель в середине такта

U,-U (n) I (n+ — )= -- — - - — -е " яж А„+

+I (n)e (созови, — — s inwt „) .

В середине (n+1)-ro такта в дросселе 15 накапливается энергия магнитного поля

Напряжение на пьеэодвигателе в конце (n+I)-го такта

У (п+1)=11 (и+ . )-U (n+

1 2 9

8sinwt,„+wcoswt„

e "+ и3

Ток в конце (и+1)-ro такта определяется в соответствии с выражением:

-U (n+ ) н

I (n+ )= — — — — -е sinut +,I, и и

+I (п+ -.)е "(cosset — - sin gt ) . (6) 2 „> - u

При этом параметры 3,<и имеют другое значение, чем в выражениях (3) и (4), так как r=O. Второе слагаемое в выражении (5), соответствующее разряду емкости пьезодвигателя 14 на цепь R и Ь, равно нулю, так как вентили 8 и 9 находятся в закрытом состоянии. По этой же причине первое слагаемое в выражении (6) также равно нулю, разрядный ток отсутствует.

Поэтому выражения (5) и (6) можно упростить: М„

I (п+ )e

I (n+1)=U (n+ )+ — — — — — — sinwtÄ (7) Как видно из выражений (7) и (8) заряд емкости пьезодвигателя 14 происходит и во второй половине такта.

Эпюры заряда емкости пьезодвигателя в (n+l)-и такте показаны на фиг. 2.

При выполнении условия U =U, проД т цесс заряда прекращается, напряжение на пьеэодвигателе запоминается:

КуКт

U = — — — --U (10)

9 1+К КК т.е. напряжение U в установившемся режиме пропорционально задающему напряжению U а выражение (10) эквивалентно уравнению линейного усилителя с коэффициентом передачи К„К,, охваченного отрицательной обратной связью с коэффициентом К>.

При отрицательном сигйале U> усилителя 1 в управлении пьезодвигателем 14 участвуют третий вентиль 10 четвертый вентиль 11, второй ключ 7, дроссель 15. Процесс заряда аналогичен описанному выше, выражения (2)(10) справедливы н в этом случае.

1366989 си (т)

w=

2 (12) 10 а энергия, рассеянная на активных элементах схемы за это же время:

1007. си (у) 2 (14) т

+ В(1)+r(t)) Х (t)

При выполнении условий В О, г- и коэффициент полезного действия устройства «1- 1002.

Таким образом, предлагаемое устройство управления, построенное вышеописанным образом, позволяет повысить

КПД устройства и увеличить быстродействие пьезопривода.

Формула изобретения

Устройство управления пьезодвигателем, содержащее первый ключ и вто- З5 рой ключ, управляющий вход которого соединен с выходом инвертора, последовательно соединенные сумматор, уси1 литель, амплитудно-импульсный преобразователь, накопительнь1й элемент, 40 выход которого соединен с первым выводом первичной обмотки трансформа" тора, у которого второй вывод первичной обмотки соединен с нулевой шиной и первым входом пьезодвигателя, 45 второй вход которого соединен с входом делителя, выход которого соединен с вторым входом сумматора, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с цепью повышения быстродействия, допол- 50

По сравнению с прототипом устройство управления пьезодвигателем имеет больший средний ток заряда за счет использования для заряда во второй половине такта энергии, запасенной дросселем в первой половине такта, что приводит к увеличению быстродействия пьезопривода в целом.

Средний ток заряда и превышает ток заряда прототипа в два раза.

КПД устройства равен отношению энергии, запасенной пьезодвигателем

q = „ ", - 100 =

CU (T) 2 к сумме И и энергии, рассеянной на активных элементах устройства,W„.

Энергия, запасенная пьезодвигате- лем в произвольный момент времени

Т)0:

w ) (R(t)+rIt)) I (t.)а, (13) а откуда выражение для коэффициента полезного действия q устройства имеет

Вид: нительно введены компаратор, первый, второй, третий и четвертый выпрямительные элементы и реактивный элемент, причем вход компаратора соединен с выходом усилителя, а выход— с входом инвертора и управляющим входом первого. ключа, информационный вход которого соединен с общей шиной и информационным входом второго ключа, а выход — с положительными входами первого и второго выпрямительных элементов, выход второго ключа соединен с отрицательными входами третьего и четвертего выпрямительных элементов, отрицательный вход первого выпрямительного элемента соединен с положительным входом третьего выпрямительного элемента, первым выводом вторичной обмотки трмнсформатора и через реактивный элемент — с вторым входом пьезодвигателя, отрицательный вход второго выпрямительного элемента соединен с вторым выводом вторичной обмотки трансформатора и положительным входом четвертого выпрями-. тельного элемента.

1366989 (n I) l1i 1/г стиг. Я

Составитель С.Исаков

Редактор Л.Пчолинская Техред Л.Олийнык Корректор А. Тяско

Заказ 6838/47

Тираж 866 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4