Пьезопривод с коррекцией неоднозначной статической характеристики
Изобретение может использоваться в прецизионных системах микроперемещений, например, в экспериментальной медицине, в технологическом оборудовании и позволяет скомпенсировать влияние на работу пьезопривода неоднозначной статической характеристики пьезодвигателя, что обеспечивает повышение точности управления пьезоприводом. С этой целью для каждой точки изменения направления движения пьезопривода определяются свои координаты точки перегиба линеаризирующей характеристики, что ведет к устранению неоднозначности суммарной характеристики пьезопривода. Первый и второй сумматоры 12 и 13, первый и второй нелинейные элементы 15 и 16, выходной сумматор 17 формируют линеаризирующую характеристику, которая является обратной по отношению к статической характеристике пьезодвигателя и проходит через найденную точку перегиба. Последовательное соединение устройства и пьезодвигателя с взаимно обратными статическим характеристиками дает результирующую линейную однозначную характеристику, что ведет к повышению точности управления пьезоприводом в разомкнутом режиме. 2 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИН
4 22 А1 (.511 4 G 05 В 11 01
L.t.ÐÃÇHA3
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
II
t.> i . ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ I (21 ) 43971 53/24-24 (22) 24. 03. 88 (46) 23. 11 .89. гюл. Р 43 (71) Московский институт элсктронной техники (72). А .С .Дмитриев, Е .А .Иванов, А.Ю.Пукичев и B.Þ.Òðóáíèêîâ (53) 62-50 (088.8) (56) Авторское свндет«льство СССР К9 647646, кл. G 05 В II/01. 1973. Авторское свидетельство СССР K 1120279, кл. G 05 В 11/01, 1980. (54) ПЬЕЗОПРИВОД С КОРРЕК1!ИЕ11 11ЕОДНОЗНАЧ11ОЙ СТАТИЧЕСКО 1 ХАРАКТЕ РИСТИКИ (57) Изобретение может использоваться в прецизионных системах микропереме— щений, например, в эк спе риментальной медицине, в I ехнологическом оборудовании и позволяет скомпенсировать влияние на работу пьезопривода неод-. нозначной статичсгкой характеристики пьеэодвигателя, чта обеспечивает по1 2 вышение точности управления пьезоприво;,ом. С этой целью для каждой точки изменения направления движения пьезопривоца определяются свои координаты точки перегиба лине аризирующей характеристики, что ведет к устранени неоднозначности суммарной характеристики пьезопривода. Первый и второй сумматоры 12 и 13, первый и второй нелинейные элементы 15 и 16, выходной сумматор 17 формируют линеаризирующую характеристику, которая является обратной по отношению к статической характеристике пьезодвигателя и проходит через найденную точку перегиба. Последовательное соединение устройства и пьеэодвигателя с взаимно обратными статическими характеристиками дает результирующую линейную однозначную характеристику, что ведет к понынению точности управления пьеэоприводом в ра замкнутом режиме . 2 ил . 1524022! 15 50 Изобретение относится к автоматическому управлению и может быть использовано в пьеэоприводах для повышения точности управления пере гегггением. Бель изобретения — повышение точности управления пьезоприводом. С этой целью в момент изменения знака направления движения пьезопривода определяются координаты точ— ки перегиба линеаризирующей характеристики устройства, коорцинаты которой свяэаnû линейной зависимосTüþ с координатами вершины параболы статической характеристики пьезодвигате— ля. Для каждой точки изменени r пав правления движения пьезппривода определяются свои координаты точки перегиба линеаризирующей характеристики, что ведет к устранению неоднозначности суммарной характеристики пьезопривода. Через найденные координаты точки перегиба проводится линеаризирующая характеристика, которая BBJIReTcrr обратной по отношению к статической характеристике пьезодвигателя. После— довательное соединение устройства коррекции и пьеэодвигателя с взаимно обратными статическими характеристи- ками дает результирующую линейную характеристику. При управлении пьеэо— приводом с однозначной линейной статической характеристикой однозначно определено перемещение вала пье зов двигателя при подаче на вход пьеэо— привода orr ределе нного уп равляюще го напряжения, что ведет к увеличению точности управления пьезоприводом при отсутствии датчика положения, механически связанного с объектом управления. Иа Фиг.) представлена структурная схема пьезопривода с коррекцией неоднозначной статической характеристики, на фиг.2 — статические характеристики пьезодвигателя (а) и пьезопривода (б) . Пьеэопривод (фиг. 1) содержит первый, второй и третий коммутаторы 1 3, дифйеренцирующий элемент 4, первый и второй нуль — органь1 5 и 6, эле— мент ИП)) 7, компаратор 8, источник 9 опорного сигнала, первый и второй масштабные блоки 10 и 11, первый, второй и третий сумматоры 12 — 14, первый и второй нелинейные элементы 15 и 16 с статической характерно гикой Г „= ГО „ I sirn)r „, (Г напряжение на .выходе нелинейного элемента, Б „„— на егп входе), выходной сумма fор )7, элемент 18 выборки-хранения, инвертнрующий интегратор 1 9, инвертор 20, усилитель 21, гьезодвиг;1тель 22 и объект 23 управления. Пьезпиривод p;rr>oTaeт следующим об— разом, В случае полпж Tr льной скорости изменения упр rr»r> щ: r o сигнала 8)r „/д1::, 0 вььходной инна:r дийг :,еренцирующе"о ) rråìrrí та 4 вызывает rlorrBëårrèå на выходе компарат ора 8 сигнала логической "1", который подается на управ— ляющие входы первого, второго и третьего коммутаторов 1 — 3. При этом управляющий сигнал, поступающий на вход устройства, пройдя через первлй коммутатор 1, поступает на первый вход первого сумматора 12, сигнал ис— точника 9 опорного сигнала, пройдя через второй коммутатор 2, поступает на вход второго масштабного блока )1 и на первый инвертирующий вход второго сумматора 13, а сигнал инвертпрующего интегратора 19, пройдя через третий коммутатор 3, поступает на инвертирующий вход первого сумматора !2 и на второй вх1,(ь;,,рого сумматора 1 3. С выход; -умматора 12 управляющий сикпа.r, см r.: нный rro величину обратного вьгходн го сигнала инвертирующего интегратора 1 9, поступает на вход п рвого нелинейного элемента 15. На выходе первого нелинейного элемента )5 выделяется сигнал )r, связанный с Ц 3 уп равл яющим сигналом зависимостью где ), — выходной сигнал инвертирующего интегратора. Данный сигнал поступает на второй вход выходного сумматора 17. При постоянном знаке скорости изменения управляющего сигнала Urr. сигналы на инвертирующем, первом и третьем входах выходного сумматора 17 постоянны. Это объясняется тем, что на первый вход выходного сумматора 17 через второй масштабный блок 1) поступает выход«ой сигнал источника 9 опорного сигнала. Сигнал на инвертирующем входе выходного сумматора !7 равен нулю. Выходной сигнал второго нелинейного элемента 16 также не изменяется, так как oCтается постоянным выходной сигнал второго сумматора 13, это связано с тем, что на первый и второй ин1524022 45 "«з= "«! ! 55 вертируюций входы данного сумматора подается нулевой сигнал, на первый инвертирующий вход подается сигнал источника 9 опорного сигнала, на второй вход — постоянный сигнал инвертирующего интегратора 19. При постоянном знаке скорости изменения управляющего сигнала выходной сигнал дифференцирующего элемента 4 отличен от нуля и не изменяет свой знак. Поэтому выходной сигнал первого нуль— органа 5 в данном случае имеет значение логического 0 . При этом, если сигнал третьего сумматора 14 равен нулю, то на выходе второго нуль-органа 6 сигнал имеет значение логичес11 « I кой 1 и после инвертирования инвертором 20 имеет значение логическо— 11 11 го 0 . В такой ситуации выходной сигнал элемента 1«ЛИ 7 =,óäåò иметь значение логического 0 и будет удерживать элемент 18 выборки-хране— ния в режиме выборка. При этом выходной сигнал выходного сумматора 17 проходит без изменения на вход усилителя 21, усиливается в нем и поступает на вход пьезодвигателя 22. Выходной сигнал выходного сумматора 17 ранен U U«+ 6г,,-1, .«,пй„где U — выходной сигнал источника 9 9 опорного сиги«ла; k> — коэффициент передачи второ— го масштабного блока 11, (коэффициент передачи первого масштабного блока 1 0 также равен k „) . Выходной сигнал источника опорного сигнала U и коэффициент передачи k„ выбираются таким образом, чтобы смещенная статическая характеристика нелинейного эле.«ентя совпадала с кривой линеаризирующей характеристики предельного цикла. Линеаризирующая характеристика предельного цикла яв.ляется обратной по отношению к статической характеристике предельного цикла пьезодвигателя. Таким образом, произведение линеаризирующей характеристики и статической характеристик; г«ье эог«вигателя должно дать одноз» .чную ли««е««ну««статическую харак— терн тику пьеэопривода. При отрипателы«с и скорости изменения управляющего сигнала д0« „/!It (О сигнал Ь ., пройдя через первый коммута5 30 тор 1, поступает ня первьш вход второго сумматора 13, сигнал источника 9 постоянного сигнала, пройдя через второй коммутатор 2, поступает на вход первого масштабного блока 10 и на второй вход первого сумматора 12, а сигнал инвертирующего интегратора 19, пройдя через третий коммутатор 3 поступает на третий вход первого сумMd «îðà I 2 и на второй инвертирующий вход второго сумматора 13. С выхода сумматора 13 управляющий сигнал, смс-щс«иный на величину обрат««,> го г«ыходно— го с««гнала инве ртирующе го «и! т с.грят ора 9, поступает на вход ««торо! о и линейного элемента 16. 11а выходе вторс««о нелинейного э««е««с «! га 16 выделя-ется сигнал U = 14 Е„- U,, «ii «L „- „«.«З« Дя««ный сигнал поступает H!«третий вход выходного сумматора 17. При отрицательном знаке скорости изменения управляющего сигнала Ui на инвертирую«««ий вход выходного сумматора 17 через первый масштабный блок 10 по— ступает в»«ходкой сигнал источника 9 опорного сигнала. Сигнал на первом входе выходного сумматора 1 7 равен нулю . Выходной сигнал первого нелинейного элемента 15 также не изменяется, так как остается постоянным выходной сигнал первого сумматора 12, это связано с тем, что на первый и инвертирующие входы данного сумматора поступает нулевой сигнал, на второй вход поступает сигнал источника 9 опорного сигнала, на третий вход поступает постоянный сигнал инвертирующего интегратора I 9. Выходной сигнал выходного сумматора 17 U<Ä ««р»! этом равен! + l l l« + «191 I S>g««(U9 + (4) Как и в случае положительной скорости изменения управляющего с иг нала J сигнал с выхода выходно го сумматора 17 проходит без изменений на вход усилителя 21, усиливается в нем и поступает на вход пьезодвигателя 22, В рассмотренных случаях постоянного положительного и отр«и«ательного знаков скорости изменения,правляющего сигнала достигается коррекция неоднозначной статическ и характеристики пьеэопривода. 1524022 При изменении направления движения пьезопривода в точке статической характеристики пьезодвигателя с координатами (U, х) (фиг.2а) скорость изменения управляющего сигнала U 8Uy равна нулю (— — — = 0) . В этот моBt мент на выходе первого нуль-органа 5 выделяется сигнал логической "1", кото рый, пройдя че ре з элемен т ИЛИ 7, поступает на управляющий вход элемента 18 выборки-хранения и переводит ее в режим хранения, т.е. режим фиксации на его выходе напряжения Ц, (фиг.26), которое было на входе элемента выборки-хранения до прихода сигнала логической "!". Элемент 18 выборки-хранения находится в режиме хранения до тех пор пока íà его управляющий вход подается сигнал логической 1 ". Сигнал выходного сумматора продолжает изменяться и становится неравным выходному сигналу элемента 18 выборки-хранения. При этом на выходе третьего сумматора 14 выделяется раэностный сигнал, поступающий на вход инвертирующего интегратора 1 9 и на вход второго нуль-органа 6, на выходе которого выделя11 1! ется сигнал логического . О, а на выходе инвертора 20 сигнал логической "1". Под действием данного сиг— нала элемент 18 выборки-хранения находится в режиме выборка. Под действием разностного выходного сигнала третьего сумматора 14 выходной сигнал инвертирующего интегратора 19 начинает изменяться, вызывая соотв е т с тв ующе е изменение выходных сигналов первого и второго сумматоров 1 2 и 3, а, следовательно, и выходныхх сигналов и е рв о го и второго нелине йн ых элементов 1 5 и 1 6 . Данное из - . менение выходных сигналов первого и второго нелинейных элементов 15 и 16 вызывает смещение точки перегиба а (фиг. 26) линеариэирующей статической характеристики по кривой предельного цикла линеаризирующей статической характеристики. Данное смещение будет проходить до тех пор, пока изменяется выходной сигнал инвертирующего интегратора 19, В свою очередь изменение сигнала инвертирующего интегратора происходит до тех пор, пока не выч 2 полняется равенство U = ------х 19 1с с т.е . пока не равен нулю выходной сигнал третьего сумматора 14. Постоянная времени инвертирующего интегратора Т, выбирается много меньше величины 1/ uмс,„, (td„ „, — максимальная частота управляющего сигнала). В мо мент, когда выходной сигнал выходного сумматора 17 становится равным сигналу, зафиксированному в элементе 18 выборки-хранения, точка перегиба а (фиг. 26) линеариэирующей характеристики займет положение а (фиг. 26) ° В этот момент выходной сигнал второго нуль-органа 5 примет значение логической "1 . Соответственно выходной сигнал инвертора 20, имеющий значение логического "0", поступая через элемент ИЛИ 7 на управляющий вход элемента 18 выборки-хранения, вызывет его переход к режиму выборки. Если знак скорости изменения управляющего сигнала остается постоянным, то пьезопривод продолжает работать также, как в ранее рассмотренных слу25 Выполнение перечисленных операций над сигналами в момент изменения знака скорости управляющего сигнала позволяет объединить процессы формирования выходных сигнал,эв, описываемых уравнениями (5), (1), и получить суммарную статическую характеристику рассмотренной в совокупности элементов (эа исключением усилителя и пьезодвигателя), описываемую выражением U> =! 4(Uq U z(I sign iIJ> — Ц ) + + U — U sign -----(sign(U ЗУу 19 9 g t i9 40 ° Щу aU„„. — U s ign -----) + k U s ign ----- (5) 9 дс м Ю где U — сигнал на выходе фиксатора 18 ° В установившемся режиме при положительном знаке скорости изменения упд11 у равляющего сигнала (" — -- ) О) выполJt няются следующие условия . управляющее напряжение больше, чем напряже.ние U, на выхоДе инвертирующего интегратора 1 9 (U у>, ), которое меньше напряжения на выходе источника 9 55 постоянного сигнала (Г, (U з) . П!уи отрицательном знаке скорости изме— 3U нения управляющего сигнала (--->-(0) 3t управляющее напряжение U меньше, чем 10 напряжение на выходе «гнвертирующего интегратора 19 (L „< . U,9), которое больше напряже««ия -U7 (U 9 > -с)7) . Данные условия позволяют уп ростить слагаемые, входящие в выражение (5), исключив иэ них математические операции определения модулей 1Г(и — ((, I I sign(U — «, ) - U9 . DU (U — U ) sign ----- sign 9 (7 8,1<- 8 Д <1U9 —,-,— -((sign(U „, 111 1 5 Ц sign 9 (9 8 <1t 1(<„ - U, <в <1U 7 sign -----) 7 Bt 1! „ к (-sign -----) дг; (6) Тогда выр»жение (5) с ;четом преоб- 20 (6) примет вид раэован ий U, =( (8) — U . sign ----- + k U sign ---. (7) Выражение (7) o«i исывае т статическую характеристику совокупности элементов предлагаемого устройства эа исключением усилителя и пьеэодвигателя. Ус- gp ловием технйческ >й ре»лизации предлагаемого изобретения является выбор величины выходно«.о сигнала U9 источ— ника 9 опорного сигнала н соответст2 вии с уравнением U = ------ х а 35 1с m (jC9 коэффициента передачи м»сштабных блоков IО и 11 в соответствии с уравU Ь. 9 40 Подс тав ив выражение (1 О) в (3), после преобразования получают k c x = — --9- U Уравнение (8) показывает, что при 4 использовании предлагаемого устройства перемещение х пьезодвигателя связано линейной зависимостью с сигналом управления Uy. Это доказывает достижение эффекта линеаризации нелинейной статической характеристики пьезодвигателя. Так как погрешность управления пьезопривода в разомкнутом режиме раб>оты, т.е. без датчика положения соизмерима с шириной петли неоднозначной статической характерис55 тики пьезодвигателя, поэтому линеаризация HeJIIII(ellllo14 статической характе— ристики пь чодвигателя ведет к повыШЕНИЮ 1 ОЧНО« I È унр»нпn lln::I! < З< ВОдОМ. Т»К КаК тОЧКа «lan!((<«(Ч З.(аКа направления движен«гя (U, х 1 была выбрана и ро иэ воль но, pa(-, .«,; ре«««гый ««роцесс корректировки рса".изуе reÿ при любом ее расположении !I» стат«гческой характеристике пьеэодвиг» I еля. 11оэтому при любом изменении сигнала управления U. предлаг,(емыи n»(<Опр««вод обе спечивает лгг«ге((р««з,il!!c«<; a (I;. ской характеристики исп ль.<у:<ого в нем пьезодвигателя. Ф о р и у л а и з Пьезоприьод с ко ррс к I!: cT«Iåèíî первого и второгО ма< «<(1»б«н l 524022 Составитель Г.Нефедова Редактор Л.Зайцева Техред M.Äèäûê Корректор М.Васильева Заказ 7042/49 Тираж 788 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по ) зобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 1! Производственно-издательский 0«6>.нат "Патент, г.ужгород, ул. Гагарина,101 ходом инвертирующего интегратора, первый выход третьего коммутатора соединен с третьим входом первого сумматора и с вторым инвертирующим входом второго сумматора, а второй выход третьего коммутатора соединен с инвертирующим входом первого сумматора и с вторым входом второго сумматора, первый вход которого соединен с первым выходом первого коммутатора, а первый инвертирующий вход второго сумматора соединен с входом второго масг табного блока и вторым выходом второго коммутатора, вход которого соединен с выходом ис точи ик а опорно го сиги; ла, а первый r<>,ëîä второго коммутатора соединен входом первого масштабного блока и с вторым входом первого сумматора,, ерный вход которого соединен с вторы:-1 выходом первого Knl" ".yтатора, а !.. ц второго нуль органа соединен с " :)II0". инвертора.
