Пьезоэлектрический манипулятор с импульсным управлением

 

Применение: для прецизионного позиционирования оптических волокон и технологических процессов производства микросхем, а также для адаптивной оптики. Сущность изобретения: пьезоэлектрический манипулятор содержит микроЭВМ1, устройство 2 преобразования цифрового кода во временной интервал, состоящее из тактового генератора 3, двоичного счетчика 4, сумматоров 5,6, а также буферные ключи 8,9,16, 17, резисторы 13,14, 21, 22, инвертор 7, токовые ключи 10,18, состоящие из высоковольтных транзисторов 12 и 20 соответственно, а также резисторов 11 и 19 соответственно, пьезоэлектрический элемент 15. 3 ил.

COlO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

018 А1 (19) (11) (s1)s В 25 J 1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг. 7

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4773380/08 (22) 25.12.89 (46) 23,07.92, Бюл. ¹ 27 (71) Одесский политехнический институт (72) Р.Г,Джагупов, В,I,Áðoâêîâ, M.Â.Ядрова и И.В.Кирющева (56) Воронцов М,А. и др. Экспериментальное исследование влияния гйстерезйса пьезоприводов на работу адаптивной оптической системы апертурного зондирования. — Известия ВУЗов. Приборостроение, 1987, ¹ 11, с,74-77. (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МАНИПУЛЯТОР С ИМПУЛЬСНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

2 (57) Применение; для прецизионного пози- ционирования оптических волокон и технологических процессов производства микросхем, а также для адаптивной оптики, Сущность изобретения: пьезоэлектрический манипулятор содержит микроЭВМ1, устройство 2 преобразования цифрового кода во времейной ийтервал, состоящее из тактового генератора 3, двоичного счетчика 4, сумматоров 5, 6, а также буферные ключи 8, 9, 16, 17, резисторы 13, 14, 21, 22, инвертор 7, токовые ключи 10, 18, состоящие из высоковольтных транзисторов 12 и 20 соответственно, а также резисторов 11 и 19 соответственно, пьезоэлектрический элемент 15. 3 ил.

1749018

Изобретение относится к станкостроению и робототехнике и может быть использовано в технологических процессах производства микросхем, в адаптивной оптике, для прецизионного позиционирования оптических волокон.

Цель изобретения — упрощение пьезоэлектрического манипулятора, На фиг,1 изображена функциональная импульсным управлением; на фиг.2 — импульсный метод формирования напряжения на пьезоэлементе; на фиг.3 — алгоритм управления позиционированием пьезоприводов, .

Выход микроЭВМ 1 (фиг,1) подключен к

-входу устройства 2 преобразования цифроаого кода во временной интервал, которое состоит из тактового генератора 3, двоично20

ro счетчика 4 и двух сумматоров 5 и 6. Тактовый генератор 3 подключен к счетному входу двоичного счетчика 4, выходы которого соединены с входами А сумматоров 5 и 6, входы В которых подключены к порту ввода-вывода микроЭВМ 1. Выходом устройства 2 преобразования цифрового кода во временной интервал являются выходы переноса сумматоров 5 и.6. Выход переноса сумматора 5 соединен с вторым входом буферных ключей 8, 16, а выход переноса сум30 матора 6 — с вторым входом буферных ключей 9, 17. Буферные ключи 8, 9, 16, 17 представляют собой логические элементы

И-НЕ с открытым коллектором. Выходы буферных ключей 8 и 9 через резисторы 13 и .. 14 подключены к эмиттеру высоковольтного транзистора 12 управляемого токового ключа 10, а выходы буферных ключей 16 и 17 через резисторы 21 и 22 подключены к эмиттеру высоковольтного транзистора 20 уп40 равляемого токового ключа 18. Коллекторы транзисторов 12, 20 через резисторы 11, 19 соединены с высоковольтным источником питания. В ысоковольтные токовые ключи 10 и 18 собраны по схеме с общей базой, уп- 45 равление ими осуществляется по цепи эмиттера, а на базу подается фиксированный потенциал U«. Инвертор 7, представляющий собой логический элемент И-НЕ, яв50 ляется коммутирующим устройством, его вход подключен к порту ввода-вывода микроЭВМ и первому входу буферных ключей 8 и 9, а выход — к первому входу буферных ключей 16 и 17, Пьезоэлектрический элемент 15 представляет собой консольно закрепленный биморфный пьезоэлектрический элемент, являющийся приводом линейного переме щения, один его вывод соединен с коллектором транзистора 12 высоковольтного схема пьезоэлектрического манипулятора с 10 токового ключа 10, а другой - с коллектором транзистора 20 высоковольтного токового . ключа 18, Устройство работает следующим образом.

Биморфный пьезоэлектрический элемент 15 (ПЭ), укрепленный в корпусе манипулятора, является приводом линейного перемещения. С помощью микроЭВМ задается программа его перемещений.

Управляющий цифровой код от микроЭВМ 1 (фиг.1) поступает на вход устройства преобразования цифрового кода во временной интервал 2. Рассмотрим подробно работу этого блока.

На входы А сумматоров 5 и 6 поступает двоичное число со счетчика 4, а на входы В— двоичное число с выхода микроЭВМ 1. Когда сумма двух чисел, поступающих на информационные входы сумматора будет больше (2"-1), где и — число разрядов, в данном случае n=.4, сумматор будет переполнен и выход переноса сумматора перейдет из состояния "0" в состояние "1", в котором он будет находиться до переполнения счетчика

4. Так как счетчик имеет 4 разряда и с выхода микроЭВМ на каждый из сумматоров поступает 4-разрядный цифровой код, то каждый из этих узлов в отдельности не может переполнить 4-разрядный сумматор, Двоичное число на выходе счетчика 4 изменяется от 0 до (2"-1). При этом в зависимости от величийы двоичного числа на выходе микроЭВМ момент переполнения сумматора наступает раньше или позже, т.е. ширина импульса изменяется при перемещении передного фронта, а момент окончания импульса фиксирован и определяется моментом переполнения двоичного счетчика 4.

Таким образом, на выходе переноса сумматоров формируется последовательность импульсов постоянного периода

Т,=2" Т, где n — число двоичных разрядов счетчика 4, а Т вЂ” период следования импульсов тактового генератора 3, при этом длительность импульсов t> определяется цифровым кодом микроЭВМ.

Управляющий цифровой код от микроЭВМ поступает на входы В сумматоров 5 и

6, причем четыре старших разряда поступа- . ют на сумматор 6, а четыре младших — на сумматор 5. При этом на выходе переноса сумматора 6 формируется последовательность импульсов, длительность которых при заданном периоде следования импульсов пропорциональна цифровому коду четырех старших разрядов микроЭВМ, а на выходе сумматора 5 — последовательность импульсов с длительностью, пропорциональной

1749018 о и

I t

0Э вЂ”вЂ”

2 Сяэ

Io э (эп U яэ) Rg const, где 1э- ток эмиттера транзистора VTI; ибэ — напряжение на эмиттерном переходе VTI.

Когда транзистор VT1 открыт, ток 4 распределяется между цепью резистора.RKI u цепью Йк2, пьезоэлемент BQ. При этом токи в этих цепях равны. Таким образом, заряд емкости пьезоэлемента BQ С осуществIo, 0пэ . и — То

2 2й« отсюда определяем величину постоянного напряжения на пьезоэлементе и

Опэ.= IoR« — ", . (3)

То цифровому коду четы рех младших разрядов ляется постоянным током I /2 ч микроЭВМ. м о через открытый токовый ключ в течение времени Ь.

Эти импульсы через соответствующие Разряд емкости пьезоэлемента осущеэлементы И вЂ” НЕ с открытым коллектором 8, ствляется постоянно в течение всего перио9, 16, 17 и токозадающие резисторы 13, 14, 5 да То через сопротивления R 1, R 2 .

21, 22 поступают на эмиттеры высоковольт- При выборе достаточно высокой частоныхтранзисторов12,20токовых ключей10, ты управляющих импульсов Т,«г,, Т «тр, 8 и управляют их работой, Из двух высоковольтных токовых клю- i — постоянная вре чей 10 и 18 всегда один находится в рабочем 10 и ряже е С пряжение на емкости Спэ возрастает посостоянии, другой заперт. Это определяет- степе (ф .2б), хо ом оче е ного степенно (фиг. ), с и ихо ом оче е ного выходе знакового разряда микроЭВМ "1" импульса пьезоэлемент получает нов ю порцию заряда, то на выходе инвертора 7 "0", тогда импуль- Причем то сы чеРез бУфеРные ключи 8 и 9 постУпают 15 ae I /2 ричем ток заряда 1э постоянен и рана вход токового ключа 10 и управляют его вен о, а ток разряда!р определяется напряжением на пьезоэлементе BQ-Uos u работой. При этом выходные транзисторы сопротивле я я сопротивлениями В <1, Вк2, через которые буферных ключей 16, 17 заперты, ток эмит- осуществляется разряд тера транзистора 20 отсутствует. следовательно, транзистор 20 заперт. Если на 20 ПЭ ОПЭ выходе микроЭВМ "0", тогда на выходе ин- . Ip = — „(1) вертора 7 "1", токовый ключ 18 является

Rkt + Rkg 2 Я1< рабочим, а токовый ключ 10 заперт.

Пьезоэ ек ри еский эле е т 15, под- зоэлемента 1р «!э, так как оп еделяется ключенный . к коллекторам транзисторов 25 ал овн ок в х ключей 10 18 б менте и и, о ладает электри- мен е ц ческой емкостью Спэ, его заРЯД осУЩествлЯ- а я

Напряжение на пьезоэлементе за вреется, через открытый токовый ключ мя действия одного импульса авно постоянным током при отрицательном управляющем импульсе на эмиттере транзи- 30 стора рабочего токового ключа, разряд (2) емкости осуществляется постоянно через сопротивления 11 и 19.

Импульсный метод формирования на- С приходом очередного ймпульса напряжения на пьезоэлементе представлен 35 пряжение на пьезоэлементе увеличивается на фиг,2, Пусть на первом входе логического элемента И вЂ” НЕ 1 (фиг.2а) уровень единицы, а на первом входе логического элемента тех пор, пока на пьезоэлементе не устаноИ вЂ” HE 2 — уровень нуля, при этом токов ц .. ключ на транзисторе /Т1 является рабо- 40 чим, а токовый ключ на транзисторе ЧТ2 за период не равны заперт. На вторые входы элементов 1 и 2

В установившемся ежиме поступает последовательность импульсов заданного периода То и длительностью ти, 1о определенной микроЭВМ, 45 где цэ = I3 t« = — t« — ЗаРяд емкости пье2

Ток открытого транзистора I постоя-: зоэлемента APN действии NMnynbc3 t и.: нен т Ра О постоЯ- qp = IpTО - заРЯД, стекаюЩий с емкости пьезоэлемента во время его разряда Т,.

Используем формулы для q3, ор и формулу для Ip (1), тогда

1749018 где — — коэффициент заполнения управляли

То ющих импульсов.

Ток открытого транзистора lo для данной схемы — величина постоянная, тогда, как следует из (3) величиной напряжения на пьезоэлементе можно управлять, изменяя коэффициент заполнения управляющих имти пульсов —, т,е, управлять чисто цифровыТо ми методами за счет изменения среднего времени открытого состояния токового ключа.

Влияние пульсаций напряжения (фиг,2б) на точность перемещения пьезоэлемента мало, это обусловлено тем, что при выборе достаточно высокой частоты упРдВЛЯ1ОЩИХ ИМПУЛЬСОВ То «Спэ(йк1 + Rx2), То«1/fp ГДЕ Спэ(йк1+Рк2) — ПОСтОЯННаЯ ВРЕмени разряда пьеэОэлемента, fp — частота основного резонанса ПЭ, амплитуда пульсаций на пьезоэлектрическом элементе становится пренебрежимо малой (десятые доли процента), а частота пульсаций лежит много выше частоты основного резонанса.

Время установления напряжения на пьезоэлементе type. (фиг,2б) мало и не оказывает существенного влияния на работу устройства.

Анализ данной схемы можно провести . также на постоянном токе в установившемся режиме.

Схему (фиг.2а) представим в виде четырехплечего моста, двумя плечами которого являются внутренние сопротивления транзисторов VT1, VT2, а двумя другими — резисторы Rpl, Вк2. К одной диагонали моста подключено напряжение источника питания Еп, а к другой — пьезоэлектрический элемент BQ, В исходном состоянии ключи заперты, плечи схемы симметричны (транЗИСтОрЫ ИдЕНтИЧНЫ, а Rxl=Rxz), тО НаЧаЛЬные токи покоя транзисторов одинаковы.

При этом напряжения на коллекторах транзисторов VT1, VT2 равны, поэтому разность потенциалов между коллекторами, т.е. напряжение на емкости пьезоэлектрического элемента равно нулю, Пусть токовый ключ на транзисторе ЧТ1 является рабочим, а токовый ключ на транзисторе VT2 заперт, в установившемся режиме емкость пьезоэле- . мента Спэ зарядилась до некоторого значения, тогда 4 =0. При этом на коллекторе запертого транзистора VT2 без учета влияния начального тока покоя транзистора напряжение Uxz равно напряжению 11итания

Ел. На коллекторе рабочего транзистора

VT1 напряжение 0« равно

Ux1 = Еп Iocp.йк1 .

При импульсном характере тока

Ти

Iocp. — lo —

To где )оср — среднее значение тока, и — — коэффициент заполнения импульТо

"0 сов;

1о — ток открытого транзистора VT1, Тогда постоянное напряжение на пье.зоэлементе равно

15 Опэ = Ок2 Ок1 = Еп ти

Еп о к1 — ) =loRxl

Т.) Т

20 и

Опэ = loRx—

Т (4) 35 . 0пэ = (lo ти + lo и )—

То (5) где Io — определяется токозадающим резистором 14 или 22;

lo" — определяется токозадающим резистором 13 или 21, t и - длительность импульсов, формируемых на выходе сумматора 6, которая пропорциональна цифровому коду четырех старших разрядов микроЭВМ;

t и"- длительность импульсов, формируемых на выходе сумматора 5, которая flpoпорциональна цифровому коду четырех младших разрядов микроЭВМ;

То — период следования импульсов;

Rx — коллекторное сопротивление транзисторов.

Резисторы 13, 21 в шестнадцать раз больше резисторов 14, 22, тогда ток 1о в шестнадцать раз больше тока Io", Четыре старших разряда микроЭВМ поступают на входы В сумматора 6 и определяют 2"(где и — число разрядов сумматора, равное 4), т.е. 16 градаций длительности

Формула (4) соответствует формуле (3).

Изменять величину напряжения на пьезоэлементе можно, изменяя длительность управляющего импульса t, при заданном периоде следования уп равляющих им30 пульсов Т,.

Для устройства (фиг.1) формула (4) имеет вид

1749018, 1и пэ — p к То (6) Си

0пэ" = о" Вк

То (7) импульса t> на выходе переноса сумматора 6, что определяет 16 градаций уровня напряжения на пьезоэлементе BQ

Четыре младших разряда поступают на сумматор 5 и определяют 2", т.е. 16 градаций длительности импульса t " на выходе переноса сумматора 5

Ток lp" в 16 раз меньше тока tp таким образом 4 младших разряда микроЭВМ определяют разбиение каждого уровня напряжения на пьезоэлементе на 16 подуровней. В результате получаем общее количество уровней выходного напряжения, равное 256.

Введение в устройство двух высоковольтных токовых ключей (фиг,1) позволяет увеличить максимальный диапазон перемещений биморфного пьезоэлемента (БПЭ) при заданном напряжении высоковольтного источника питания. Если токовый ключ 10 является рабочим, а токовый ключ 18 — заперт, то заряд емкости пьезоэлемента 15 осуществляется по цепи +Е, резистор 19, пьезоэлемент 15, транзистор 12, резистор

13, 14, а разряд происходит постоянно через резисторы 11, 19. При этом на пьезоэлементе формируется напряжение указанной на фиг,1 (без скобок) полярности и величины, заданной микроЭВМ. При этом БПЭ отклонится на величину, определяемую этим напряжением. Если управление осуществляется токовым ключом 18, а токовый ключ

10 заперт, то сформированное на пьезоэлементе напряжение имеет противоположную полярность, и БПЭ отклонится от начального положения в противоположную сторону, Таким образом обеспечивается удвоенйе максимального диапазона перемещений при заданном напря>кении источника питания, Приводится алгоритм управления позиционированием пьезопривода (фиг,3), В порт вывода микроЭВМ в соответствии с программой в определенной последовательности выводятся управляющие коды и осуществляется их временная задержка.

5 Управляющий код включает в себя знаковый разряд микроЭВМ, определяющий рабочий токовый ключ. Каждому управляющему коду — соответствует определенное положение пьезопривода. Таким образом осуществля10 ется позиционирование пьезопривода по заданной программе.

Формула изобретения

Пьезоэлектрический манипулятор с им15 пульсным управленйем, содержащий пьезоэлектрический элемент, установленный в корпусе манипулятора, высоковольтный источник питания, микроЭВМ, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью упрощения

20 устройства, в него введены тактовый генератор, двоичный счетчик, причем счетный вход двоичного счетчика подключен к выходу тактового генератора, два сумматора, входы А которых соединены с выходом дво25 ичного счетчика, а входы В соединены с выходом микроЭВМ, инвертор, два высоковольтных токовых ключа, четыре буферных ключа, четыре резистора, причем вход инвертора подключен к выходу микроЭВМ и

30 первому входу первого и второго буферных ключей, выход инвертора подключен к первому входу третьего и четвертого буферных ключей, выход переноса первого Сумматора соединен с вторым входом первого и треть35 его буферных ключей, а выход переноса второго сумматора соединен с вторым входом второго и четвертого буферных ключей, выходы первого и второго буферных ключей через резисторы подключены к эмиттеру

40 транзистора первого высоковольтното токового ключа, коллектор которого соединен с одним выводом пьезоэлектрического элемента и через коллекторное сопротивление с высоковольтным источником питания, вы45 ходы третьего и четвертого буферных ключей через резисторы подключены к эмиттеру транзистора-второго высоковольтного токового ключа, коллектор которого соединен с другим выводом пьезоэлемента и

50 через коллекторное сопротивление с высоковольтным источником питания, 1749018

1749018 . Составитель М,Ядрова

Редактор С.Патрушева Техред М.Моргентал Корректор Т.Палий

Заказ 2553 .Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент". г. Ужгород, ул.Гагарина, 101