Устройство управления пьезодвигателем

 

в п НИР УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПЬЕЗОД- АТЕЛЕМ Изобретение может быть использовано )ецизионных системах микроперемеще- , например, в экспериментальной медициье , в технологическом оборудовании. Це; ью является повышение надежности КПД и улучшения качества управления устройства . Устройство управления пьезодвигателем содержит четыре ключа 16-19, соединенных в мостовую схему, источник напряжения 14, два инвертора 8,9, два делителя 12, 13, два элемента 2И 6,7, элементы Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано при разработке и создании систем управления с пьезоэлектрическими двигателями. Целью изобретения является повышение коэффициента полезного действия устройства управления пьезодвигателем, повышение его надежности и улучшение качества управления пьезодвигателем. Поставленная цель достигается тем, что в устройство управления пьезодвигателем, 2 ИЛИ 5, 2И-НЕ 4, сумматор 1, компаратор 2, нуль-орган 3, блок модуля 10, ШИМ 11, токоограничительный дроссель 15, четыре элемента односторонней проводимости 20- 25, пьезодвигатель 24. При заряде пьезодвигателя 24 ограничение тока заряда осуществляется за счет включения в зарядную цепь дросселя 15. Так как в цепи заряда отсутствуют резистивныетокоограничивающие элементы, потери энергии при заряде минимальны и реализуется максимальный КПД устройства, При разряде пьезодвигателя накопленная в нем энергия возвращается источнику питания 14, Это также является фактором повышения КПД устройства . По этой же причине предлагаемое устройство имеет большую надежность и лучшее качество управления. Надежность повышается за счет улучшения режима работы ключей 16-18 вследствие сглаживания бросков тока. Качество управления возрастает за счет более плавного управляемого заряда пьезодвигателя 24, как в пределах одного периода за счет действия дросселя, так и в пределах всего цикла заряда-разряда за счет действия широтно-импульсного модулятора . .- содержащее источник питания, связанный с общей шиной, мостовую схему, образованную четырьмя ключевыми элементами и связанную с общей шиной устройства, сумматор, первый вход которого является входом устройства, второй инвертирующий вход через первый делитель, связанный с общей шиной, подключен к общей точке первого и третьего ключей, к которой подключен первый вывод пьезодвигателя, введены второй делитель, дроссель, СО со VI ю СП со

союз соВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕ ОМСТВО СССР (Г СПАТЕНТ СССР)

Е ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К : АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ! (si)s G 05 В 11/01, . -.Е ". -; 1 -г —,.i, -. д гЕ (21 4950853/24 (22 28.06.91 (46 30.08.93. Бюл. ¹ 32 (71 Московский институт электронной техни и (72 А.С, Дмитриев, А.Ю. Лукичев и.В.Ю. Трубни ов (56 Авторское свидетельство СССР

N 023278, кл. G 05 В 11/16, 1982.

Авторское свидетельство СССР

¹ 357915, кл. G 05 В 11/16, 1985.

Авторское свидетельство СССР

M 47270, кл. G 05 В 11/16, 1979, (54 УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПЬЕЗОДВИ АТЕЛЕМ (57 Изобретение может быть использовано в и ецизионных системах микроперемещени, например, в экспериментальной медици е, в технологическом оборудовании.

Це ью является повышение надежности

КП и улучшения качества управления устройства. Устройство управления пьезодвигат лем содержит четыре ключа 16 — 19, сое иненных в мостовую схему, источник напряжения 14, два инвертора 8,9, два делит ля 12, 13, два элемента 2И 6,7, элементы

1 Изобретение относится к области автомат ки и может быть использовано при разрабртке и создании систем управления с пьезоэлектрическими двигателями. Целью изобретения является повышение коэффициента полезного действия устройства управления пьезодвигателем, пов шение его надежности и улучшение качес ва управления пьезодвигателем, Поставленная цель достигается тем, что в устройство управления пьезодвигателем, „„5U ÄÄ 1837253 А1

2 ИЛИ 5, 2И-НЕ 4, сумматор 1, компаратор

2, нуль-орган 3, блок модуля 10, ШИМ 11, токоограничительный дроссель 15, четыре элемента односторонней проводимости 20—

25, пьезодвигатель 24. При заряде пьезодвигателя 24 ограничение тока заряда осуществляется за счет включения в зарядную цепь дросселя 15, Так как в цепи заряда отсутствуют резистивные токоограничивающие элементы, потери энергии при заряде минимальны и реализуется максимальный

КПД устройства, При разряде пьезодвигателя накопленная в нем энергия возвращается источнику питания 14, Это также является фактором повышения КПД устройства. По этой же причине предлагаемое устройство имеет большую надежность и лучшее качество управления, Надежность повышается за счет улучшения режима работы ключей 16 — 18 вследствие сглаживания бросков тока. Качество управления возрастает 3а счет более плавного управляемого заряда пьезодвигателя 24, как в пределах одного периода за счет действия дросселя, так и в пределах всего цикла заряда-разряда за счет действия широтно — импульсного модулятора. 3 МК содержащее источник питания, связанный с общей шиной, мостовую схему, образованную четырьмя ключевыми элементами и связанную с общей шиной устройства, сумматор, первый вход которого является входом устройства, второй инвертирующий вход через первый делитель, связанный с общей шиной, подключен к общей точке первого и третьего ключей, к которой подключен первый вывод пьезодвигателя, aseдены второй делитель, дроссель, 1837253

15

25

35

50

55 компаратор, нуль-орган, логические элементы 2И-НЕ, 2ИЛИ, первый и второй элементы 2И, первый и второй инверторы, включенные последовательно нелинейный элемент и широтно-импульсный модулятор, к выходу которого подсоединены первые входы первого и второго элементов 2И, первый, второй, третий и четвертый выпрямительный элементы, подключенные

:соответственно параллельно первому, второму, третьему и четвертому ключам, третий вход сумматора через второй делитель, связанный с общей шиной, подключен ко второму выводу пьезодвигателя, который через драссель подключен к общей точке второго и четвертого ключей, а общая точка третьего и четвертого ключей соединена с выходом источника питания, входы компаратора.подключены соответственно к выходам первого и второго делителей, а выход — к первым входам элементов 2И-НЕ и 2ИЛ И, вторые входы которых подключены через нуль-орган к выходу сумматора; связанному также са входам нелинейного элемента, выходы первого и второго элемента 2И подключены соответственно к управляющим входам первого и второго ключей, управляющий вход третьего ключа через первый инвертор подключен к выходу элемента 2И-НЕ и второму входу первого элемента 2И, а управляющий вход четвертого ключа подключен через второй инвертор к выходу элемента 2ИЛИ и второму входу второго элемента 2И, Введение второго делителя, нелинейного элемента, широтно-импульсного модуляторэ, кампаратора, нуль-органа, логических элементов 2 ИЛИ, 2И-НЕ; 2И, двух инверторов, четырех выпрямительных элементов позволяет осуществить возврат энергии, накопленной пьезодвигателем, источнику питания. Это является основным фактором повышения коэффициента полезного действия устройства, так как при разряде пьезодвигателя оно не только не потребляет энергии от источника питания, как устройства по прототипу, но сохраняет и возвращает энергию, накопленную в процессе заряда.

Крометаго, включение дросселя и применение широтно-импульсной модуляции позволяет повысить коэффициент полезного действия устройства и в процессе заряда.

Данный эффект достигается за счет того, что дроссель ограничивает ток в цепи заряда пьезадвигателя. Эта в свою очередь, снижает потери энергии на ключах, так как при работе ключей на чисто емкастную нагрузку в устройстве по прототипу в начальный момент заряда возникает большой бросок тока, вызывающий выделение большой мощности на ключах. По этой же причине предлагаемое устройство имеет большую надежность и лучшее качество управления, Надежность повышается за счет улучшения режима работы ключей вследствие сглаживания бросков тока. Качество управления возрастает за счет более плавного управляемого заряда пьезодвигателя, как в пределах одного периода за счет действия дросселя, так и в пределах всего цикла заряда-разряда за счет действия широтно-импульсногоо модулятора.

Структурная схема устройства управления пьезодвигателем представлена на фиг. 1.

На фиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие работу устройства. На фиг. 3— вариант выполнения источника питания устройства.

Устройство управления пьезодвигателем содержит сумматор 1, компаратор 2, нуль-орган 3, элемент 4 2И-НЕ, элемент 5

2ИЛИ, элемент 6,7 2И, инверторы 8, 9, нелинейный элемент 10 статической характеристикой Овцх=1 Овх! {Овх — напряжение на входе нелинейного элемента, Ов х — на его выходе), широтно-импульсный модулятор

11, первый и второй делители 12 и 13, источник питания 14, дроссель 15, первый, второй, третий и четвертый ключи 16, 17, 18, 19 параллельно каждому из них подключены соответственно первый, второй, третий и четвертый выпрямительные элементы 20, 21, 22, 23, пьезодвигатель 24, Первый вход сумматора 1 является входом устройства, второй инвертирующий вход подключен к первому входу компаратора 2 и через первый делитель 12 к первому выводу пьезодвигателя 24. Третий вход сумматора 1 подключен ко второму (инвертирующему) входу компаратора 2 и через второй делитель 13 ко второму выводу пьезадвигателя

24, соединенному через дроссель 15 с общей точкой ключей 17 и 19, которая через второй ключ 17 подключается к общей шине устройства, а через четвертый ключ 19 к выходу источника 14 питания. Первый вывод пьезодвигателя 24 через первый ключ

16 подключен к общей шине устройства, а через третий ключ 18 — к выходу источника питания 14, нулевой вывод которого связан с общей шиной устройства. Выход сумматора 1 подключен ко входу нуль-органа 3, и через нелинейный элемент 10 ко входу широтно-импульсного модулятора, 11, выход которого подключен к первым входам первого 6 и второго 7 элементов 2И. Выход компаратара 2 подключен к первым входам элемента 4 2И-НЕ и элемента 5 2ИЛИ, ко вторым входам которых подключен выход нуль-органа 3. Выход элемента 4 2И-НЕ через инвертор 8 подключен к управляющему

1837253

35

55 (7) (8) входу третьего ключа 18 и ко второму входу первого 6 элемента 2И, выход которого подключен к управляющему входу первого ключа 16. Выход элемента 5 2ИЛИ подключен через второй инвертор 9 к управляющему входу четвертого ключа 19 и ко второму входу второго 7 элемента 2И, выход которого подключен к управляющему входу второго ключа 17.

Устройство работает следующим образом. На первый вход сумматора 1, являющийся входом устройства, поступает задающий сигнал Uo, На второй инвертирующий вход сумматора 1 и его третий вход поступают сигналы, снимаемые с выводов пьезодвигателя 24 и прошедшие через делители 12 и13 с коэффициентом передачи

Kg. Выходное напряжение U1 сумматора 1 пропорционально разности напряжений на выводах пьезодвигателя 24, вычитаемой из задающего сигнала с учетом коэффициентов Kg делителей 12 и 13

U1=Uo (024,1 024.2)Kg=Uo U24Kg, (1) где U24=U24,1-024.2.

То есть сигнал U1 нэ выходе первого сумматора 1 пропорционален разности задающего сигнала Uo и напряжения на пьезодвигателе 24 0242 умноженному на коэффициент передачи Кя, и является сигналом ошибки (фиг. 2а). Выходные сигналы делителей 12 и 13 сравниваются в компараторе 2, второй вход которого является инвертирующим. При положительном значении напряжения 024 сигнал U2 на выходе компаратора 2 принимает значениелогической единицы (фиг. 2,6), при отрицател ьном — значение логического нуля. Выходной сигнал нуль-органа 3 определяется знаком выходного сигнала U1 сумматора 1 (сигналом ошибки), При положительном значении сигнала U1, выходной сигнал нуль-органа 3 принимает значение логической единицы, при отрицательном— значение логического нуля (фиг, 2,в).

Под действием данных сигналов изменяется состояние элементов 4 2И-НЕ и 5

2ИЛИ. На выходе инвертора 8 (фиг, 2, е) сигнал логической единицы выделяется при появлении аналогичных сигналов на выходах компаратора 2 и нуль-органа 3. В этот момент происходит открывание ключа 18, Выходной сигнал элемента 5 2ИЛИ принимает значение логической единицы и делает возможным открывание второго ключа 17.

При этом период открывания ключа определяется длительностью Тш, импульсов выходного сигнала широтно-импульсного модулятора 11, поступающих на вход второго 7 элемента 2И. В свою очередь, длительНОСТЬ ИМПУЛЬСОВ Тш им П РОПОРЦИОНаЛЬНЭ величине выходного сигнала нелинейного элемента 10 (фиг. 2,ж), а. следовательно. связана с выходным напряжением U1 сумматора 1 следующим образом

Тшим= l (01) l К11, (3) где K11 — коэффициент передачи широтноимпульсного модулятора 11. Сопоставив выражения (1) и (2), получим

Тшим= l (Uo U24Kg) I К11 (4)

То есть длительность импульса Тшим (фиг. 2,в) пропорциональна модулю разности задающего сигнала Uo и напряжения на пьезодвигателе 24, умноженного на коэффициент передачи Kg делителей 12, 13, Следовательно, при увеличении разности заданного Uc и действительного 024Kg Н3пряжения на пьезодвигателе длительность импульсов Тш возрастает и возрастает период открывания второго ключа 17 за счет выделения соответствующих импульсов на выходе второго 7 элемента 2И (фиг, 2,и). Это, в свою очередь, ведет к увеличению тока заряда пьезодвигателя 24, протекающего по цепи: источник питания 14 — третий ключ

18 — пьезодвигатель 24 — дроссель 15 — второй ключ 17 — общая шина устройства. При периодическом закрывании второго ключа

17 за счет эффекта самоиндукции в дросселе 15 возникает напряжение размыкания и образуется цепь заряда дросселя 15; выпрямительный элемент 23 — дроссель 15— пьезодвигатель 24 — третий ключ 18. При этом обеспечивается непрерывность тока заряда пьезодвигателя 24 при периодической работе второго ключа 17. Среднее значение тока заряда пьезодвигателя 24 будет пропорционально разности заданного и действительного значений напряжения.

При достижении заданного значения напряжения нэ пьезодвигателе 24 длительность импульсов Тшим становится равной нулю, ток заряда — также равным нулю. При разряде пьезодвигателя одновременно работают первый и второй ключи 16 и 17. Переход к режиму разряда определяется состоянием компаратора 2 и нуль-органа 3. Разряд пьезодвигателя 24 должен происходить в случае выполнения двух парных условий

KgU24 > 0о

U24Uо > 0 (5) и

KgU24 < Uo (024Uo< 0 (6)

С учетом выражения (1) условия (5) и (6) преобразуются следующим образом:

U1<0

024,1 > 024.2

U» 0

024,1< 024.2

1837253

При выполнении условия (7) на выходе логического 4 элемента 2И-НЕ и на выходе логического элемента 5 2ИЛИ выделяются сигналы логических единиц, аналогичные сигналы выделяются на их выходах и при выполнении условия (8). Данные сигналы делают возможным открывание первого и второго ключей 16 и 17, а также пройдя . соответственно через первый и второй инверторы 8 и 9 закрывают третий и четвертый ключи 3 и 4.

Первый 16 и второй 17 ключи при разряде пьезодвигателя 24 открываются одновременно и периодически в соответствии с выходными сигналами первого 6 (фиг. 2К) и второго 7 (фиг, 2и) элементов 2И. Так же, как и в случае заряда пьезодвигателя 24, время открывания ключей Тш пропорционально абсолютному значению разности задающего сигнала Up и приведенного значения напряжения на пьезодвигателе 24. Действие нелинейного элемента 10 и широтно-импульсного модулятора 11 описывается выражением (4), Таким образом, скорость разряда определяется временем включения

TmgM первого и второго ключей 16 и 17 в каждом периоде разряда, то есть пропорциональное абсолютному значению разности задающего сигнала и приведенного значения напряжения KgUz4 на пьезодвигателе

24. При замыкании первого и второго ключей 16 и 17 образуется цепь разряда: первый ключ 16 — пьезодвигатель 24 — дроссель

15 — второй ключ 17 — общая шина устройства. В конце цикла замыкания в дросселе 15 накапливается энергия магнитного поля, возникающая в результате преобразования части энергии электростатического поля пьезодвигателя 24, При размыкании первого и второго ключей 16 и 17 на выводах дросселя 15 возникает напряжение самоиндукции. Под действием данного напряжения открывается пара выпрямительных элементов (первый и второй выпрямительные элементы 20 и 23, или второй и третий выпрямительные элементы 21 и 22 в зависимости от знака напряжения самоиндукции, в свою очередь зависящего от знака напряжения заряда пьезодвигателя. Через пару выпрямительных элементов ток разряда пьезодвигателя действует на выход источника 14 питания. При этом энергия заряда пьезодвигателя 24, перешедшая при замыкании первого и второго ключей 16 и 17 в энергию магнитного поля дросселя 15, возвращается источнику 14 питания, Источник питания может быть выполнен по обычной схеме (фиг, 3) и содержать силовой трансформатор, выпрямительный мост, накопительный элемент (конденсатор). B этом

30 пьезодвигателе 24 приведенное значение

KgUz4 меньше по абсолютному значению ве35 заряжающего сигнала Up и приведенного

40 напряжения на пьезодвигателе KgUz4, 50

5

25 случае возвращаемая источнику питания энергия идет на подзаряд конденсатора.

При этом напряжение 014 на выходе источника питания 14 повышается (фиг. 2,л). В свою очередь, данный заряд конденсатора источника 14 питания используется для питания цепей устройства при следующем цикле заряда пьезодвигателя 24. Цикл заряда пьезодвигателя 24 рассматривался для случая положительного значения задающего сигнала Up. При этом действовали второй

17 и третий 18 ключи. При отрицательном значении задающего сигнала устройство работает аналогично. Выходной сигнал сумматора 1 определяется выражением (1) и принимает отрицательное значение, Сос-.— ветственно на выходе нуль-органа 3 устанавливается сигнал логического нуля (фиг, 2, в), что делает невозможным открывание второго ключа 17. На выходе элемента 4 2И-НЕ устанавливается сигнал логической единицы, запрещающий открывание третьего ключа 18 и делающий возможным открывание первого ключа 16. Четвертый ключ 19 открывается в том случае, когда сигнал на выходе 5 2ИЛИ принимает значение логического нуля. Для этого требуется, чтобы не выполнялось условие (6). То есть при отрицательном значении напряжения Uz4 на личины 14, Одновременная работа второго

17 и третьего 18 ключей и позволяет осуществить заряд пьезодвигателя 24 до отрицательного напряжения. Величина среднего тока заряда определяется работой широтно-импульсного модулятора 11 и пропорциональна разности абсолютных значений

Из анализа работы предлагаемого устройства управления пьезодвигателем можно сделать следующие выводы;

При заряде пьезодвигателя до положительного или до отрицательного напряжения ток заряда определяется временем открывания дискретно-управляемых ключей. Ограничение тока заряда осуществляется за счет. включения в зарядную цепь дросселя 15, Так как в цепи заряда отсутствуют резистивные токоограничивающие элементы, потери энергии при заряде минимальны и определяются остаточными напряжениями на ключах и активной составляющей сопротивления обмотки дросселя 15, значения которых невелики

Поэтому при заряде пьезодвигателя реализуется максимальный коэффициент полезного действия устройства. При работе прототипа ток заряда, определяемый актив1837253 н м сопротивлением ключей, достигает сущ ственно больших (в несколько раз) значен и по сравнению с предлагаемым у ройством. Это вызывает большие потер энергии в ключах, 5

При разряде пьезодвигателя накопленн я в нем энергия возвращается источнику п тания. Это также является существенным ф ктором повышения коэффициента полезн го действия предлагаемого устройства. 10

У тройство по прототипу не только не возв ащает энергии заряда пьезодвигателя, но и и разряде последнего потребляет ток от и точника питания. По этой же причине и едлагаемое устройство имеет большую 15 н дежность и лучшее качество управления.

Н дежность повышаетая за счет улучшения р жима работы ключей, вследствие сглажив ния бросков тока. Качество управления в зрастает за счет более главного управля- 20

e oro заряда пьезодвигателя, как в предел х одного периода за счет действия д осселя, так и в пределах всего цикла зар да-разряда за счет действия широтно-ими льсного модулятора. 25 !

Формула изобретения

Устройство управления пьезодвигателем, содержащее четыре ключа, соединенн х в мостовую схему, одна из диагоналей 30 ко орой соединена с источником напряжен я, общий вывод первого и третьего ключе является первым выходом устройства и и дключен к входу первого делителя, связанного с шиной нулевого потенциала, вы- 35 хОр первого делителя соединен с первым вхрдом сумматора, второй вход которого является входом устройства, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения надежности, КПД и улучшения качества управления устройства, в него введены второй делитель, токоограничительный дроссель, компаратор, нуль-орган, элементы 2И-НЕ, 2ИЛИ, два элемента 2И, четыре элемента односторонней проводимости, два инвертора, последовательно соединенные блок модуля и широтно-импульсный модулятор, выход которого соединен с первыми входами первого и второго элементов 2И, выходы которых подсоединены к управляющим входам первого и второго ключей, вторые входы первого и второго элементов 2И соединены соответственно с выходами элемента 2ИНЕ и 2ИЛИ, а также — с входами соответствующих инверторов, выходы которых соединены с управляющими входами соответственно третьего и четвертого ключей, первые входы элементов 2ИЛИ и 2И-НЕ соединены с выходом компаратора, вторые входы — с выходом нуль-органа, вход которого и вход блока модуля соединены с выходом сумматора, первый вход компаратора соединен с выходом первого делителя, второй вход — с третьим входом сумматора и выходом второго делителя, связанного с шиной нулевого потенциала, вход которого и первый вывод токоограничительного дросселя являются вторым выходом устройства, второй выход токоограничительного дросселя соединен с общим выводом четвертого и второго ключей, параллельно которым, а также первому и третьему ключам подсоединены соответствующие элементы односторонней проводимости.

1837253

Редактор

Заказ 2864 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 е

М

Ll

Соста вител ь А.Дмитриев

Техред М.Моргентал Корректор А.Кравцова