БЛОК ПИТАНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1995 года по МПК H02N2/00 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для запитки пьезоэлектрических вибродвигателей.

Известны блоки питания пьезоэлектрических двигателей, содержащие только прямой канал формирования управляющих сигналов, т.е. выполненные без цепей обратной связи.

Однако такие блоки питания не обеспечивают высокой стабильности характеристик двигателей, параметры которых меняются с температурой и временем.

Этого недостатка лишены блоки питания с цепями обратной связи, в которых двигатель или преобразователь подключен к выходу операционного или транзисторного усилителя, преобразователя.

Однако эти блоки обладают низким КПД, так как не обеспечивают одномодового резонансного режима работы двигателя.

Известен блок питания пьезоэлектрического двигателя, содержащий фильтрующий конденсатор, транзисторный усилитель, трансформатор, цепь обратной связи и клеммы для подключения двигателя.

Поскольку в этом блоке цепь обратной связи питается от дополнительной обмотки трансформатора, к вторичной обмотке которого подключают двигатель, эффективный режим работы последнего чрезвычайно трудно обеспечить. Кроме того, через транзисторный усилитель протекают сквозные токи, что дополнительно снижает КПД блока.

Наиболее близким к предложенному является блок питания, который содержит задающий генератор, источник постоянного напряжения, первый выход которого соединен с общей шиной, два ключа и последовательно соединенные дроссель и узел подключения пьезоэлектрического двигателя, а также микропроцессор, третий ключ и четыре диода, причем управляющие входы ключей подключены к выходам генератора и микропроцессора, первый и второй ключи включены параллельно в цепь источника постоянного напряжения и зашунтированы диодами, дроссель включен последовательно со вторым ключом, а третий ключ и два диода включены между выводами дросселя и общей шиной.

Как уже отмечалось, подобная схема не обеспечивает стабилизации характеристик двигателя из-за отсутствия цепи обратной связи. Кроме того, описанное включение дросселя не позволяет в полной мере реализовать одномодовый резонансный режим работы двигателя, что снижает КПД схемы. К тому же эффекту проводят сквозные токи ключей.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является улучшение потребительских качеств блока питания путем повышения стабильности и КПД двигателя с предлагаемым блоком.

Поставленная задача с достижением указанного технического результата решается за счет того, что блок питания пьезоэлектрического двигателя, содержащий задающий генератор, источник постоянного напряжения, первый выход которого соединен с общей шиной и последовательно соединенные дроссель и узел подключения пьезоэлектрического двигателя, снабжен управляемым формирователем импульсов, трансформаторами напряжения и тока и цепью обратной связи, при этом выход задающего генератора соединен с входом формирователя импульсов, выходы которого соединены с входами управления ключей, входы и выходы которых подключены соответственно к общей шине и крайним выводом первичной обмотки трансформатора напряжения, средний вывод которой соединен с вторым выходом источника постоянного напряжения, а дроссель и узел подключения пьезоэлектрического двигателя включены в цепь вторичной обмотки трансформатора напряжения и первичной обмотки трансформатора тока, вторичная обмотка которого подключена к входу цепи обратной связи, выход которой подключен к управляющему входу источника постоянного напряжения.

Кроме того, выход цепи обратной связи может быть подключен к управляющему входу формирователя импульсов.

При этом формирователь импульсов может быть выполнен в виде двух элементов задержки, двух элементов И и инвертора, вход которого соединен с входом формирователя импульсов, первым входом первого элемента И и входом первого элемента задержки, выход которого соединен с вторым входом первого элемента И, выход которого соединен с первым выходом формирователя импульсов, второй выход которого соединен с выходом второго элемента И, первый вход которого соединен с выходом инвертора и входом второго элемента задержки, выход которого соединен с вторым входом второго элемента И.

Коме того, цепь обратной связи может быть выполнена в виде последовательно соединенных усилителя переменного тока, выпрямителя, фильтра и усилителя постоянного тока.

На фиг.1 приведена функциональная схема блока питания; на фиг.2 и 3 иллюстрация выполнения формирователя импульсов и цепи обратной связи соответственно; на фиг.4 схематично показан двигатель с узлом подключения.

Блок питания содержит задающий генератор 1, формирователь 2 импульсов, ключи 3 и 4, трансформатор 5, напряжения и трансформатор 6 тока, дроссель 7, цепь 8 обратной связи и источник 9 напряжения, а также узел 10 подключения пьезодвигателя 11.

Формирователь 2 предназначен для изменения скважности выходных импульсов генератора 1 за счет задержки переднего фронта импульсов или укорочения их длительности. Он может содержать элементы 12 задержки, элементы И 13 и инвертор 14. Возможно также использование формирователей укороченных импульсов регулируемой или управляемой длительности, так чтобы передний фронт выходных импульсов совпадал с фронтом выходного импульса генератора 1, а задний фронт отстоял от него на некоторую величину. В обоих случаях регулировка или управление длительностью импульса или задержки достигаются изменением постоянной времени соответствующей R-C-цепи, изменением номинала конденсатора или резистора, в качестве которых может быть использован полевой транзистор, варикап и т.п. Возможно также использование в качестве формирователя 2 известных цифровых и даже программных блоков и узлов. Цепь 8 обеспечивает преобразование переменного напряжения в постоянное и может содержать усилители 15 и 16, выпрямитель 17 и фильтр 18 низкой частоты (фиг.3). В качестве подобного преобразователя также может использоваться любая известная схема.

Узел 10 образован клеммами 19 и проводниками 20, соединенными с обкладками пьезокерамических пластин 21, заключенных между металлическими шайбами 22 (фиг.4).

Блок питания работает следующим образом.

Вторичная обмотка трансформатора 5, дроссель 7, двигатель 11 и первичная обмотка трансформатора 6 образуют резонансный контур. Генератор 1 формирует меандр. Этот сигнал через формирователь 2 управляет работой ключей 3, 4, запитывающих трансформатор 5. При уменьшении тока в контуре цепь 8 формирует сигнал, приводящий к увеличению выходного напряжения источника 9 и уменьшению длительности выходных импульсов формирователя 2, что обеспечивает возвращение схемы к околорезонансному режиму работы и исключает протекание сквозных токов в первичной цепи трансформатора 5. В то же время дроссель 7 обеспечивает выделение основной гармоники колебаний в контуре, исключая реверсивные работы двигателя 11.

Параметры элементов контура рассчитывают так, чтобы в установившемся режиме контур находился вблизи резонанса. В этом режиме задержка формирователя 2 может быть минимальной и даже отсутствовать. Эта задержка может устанавливаться вручную или в зависимости от сигнала на выходе схемы 8, на практике она составляет 1-4 мкс.

Предлагаемая схема допускает расстройку 30-35% без существенного снижения КПД. Индуктивность дросселя 7 составляет 2-3 тысячи мкГн. Дроссель наматывают на прессованных пермалоевых кольцах 12 мм, первичная обмотка 2х50 витков, вторичная 50-65 витков. Диаметр трансформатора 5-6 мм, первичная обмотка из одного витка, во вторичной 40-50 витков.

Проведенные испытания показали, что предложенный блок питания обеспечивает высокий КПД двигателя, т.е. является экономичным, и высокую стабильность работы двигателя, особенно после пуска при выходе на режим.

Использование: в приборостроении, при запитке пьезоэлектрических вибродвигателей. Сущность изобретения: блок питания пьезоэлектрического двигателя состоит из задающего генератора, формирователя импульсов, двух ключей, двух трансформаторов, управляемого источника постоянного напряжения и цепи отрицательной обратной связи, стабилизирующей ток в двигателе, соединенные строго определенно. 3 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. БЛОК ПИТАНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ, содержащий задающий генератор, источник постоянного напражения, первый выход которого соединен с общей шиной, и последовательно соединенные дроссель и узел подключения пьезоэлектрического двигателя, отличающийся тем, что он снабжен управляемым формирователем импульсов, трансформаторами напряжения и тока и цепью обратной связи, при этом выход задающего генератора соединен с входом формирователя импульсов, выходы которого соединены с входами управления ключей, входы и выходы которых подключены соответственно к общей шине и крайним выводам первичной обмотки трансформатора напряжения, средний вывод который соединен с вторым выходом источника постоянного напряжения, а дроссель и узел подключения пьезоэлектрического двигателя включены в цепь вторичной обмотки трансформатора напряжения и первичной обмотки трансформатора тока, вторичная обмотка которого подключена к входу цепи обратной связи, выход которой подключен к управляющему входу источника постоянного напряжения. 2. Блок по п. 1, отличающийся тем, что что выход цепи обратной связи подключен к управляющему входу формирователя импульсов. 3. Блок по п.1, отличающийся тем, что что формирователь импульсов выполнен в виде двух элементов задержки, двух элементов И и инвертора, вход которого соединен с входом формирователя импульсов, первым входом первого элемента И и входом первого элемента задержки, выход которого соединен с вторым входом первого элемента И, выход которого соединен с первым выходом формирователя импульсов, второй выход которого соединен с выходом второго элемента И, первый вход которого соединен с выходом инвертора и входом второго элемента задержки, выход которого соединен с вторым входом второго элемента И. 4. Блок по п.1, отличающийся тем, что что цепь обратной связи выполнена в виде последовательно соединенных усилителя переменного тока, выпрямителя, фильтра и усилителя постоянного тока.