УСТРОЙСТВО И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ САМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫМ УЛЬТРАЗВУКОВЫМ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ДВИГАТЕЛЕМ Российский патент 2017 года по МПК H02N2/10 H02N2/14 

Изобретение относится к пьезотехнике, а именно к устройствам управления ультразвуковым пьезоэлектрическим двигателем, и может быть использовано в устройствах микро и нанопозиционирования различного назначения, системах автоматики, индикации, замыкателях контактов и других. Кроме того, оно касается способа управления самочувствительным ультразвуковым пьезоэлектрическим двигателем.

Известны пьезоэлектрические устройства, работающие на фиксированной частоте возбуждения [1], выполняющие функции двигателей, и пьезоэлектрические устройства, выполняющие функции датчиков [2].

Недостатком пьезоэлектрических устройств, работающих на фиксированной частоте возбуждения является то, что частота возбуждения не зависит от их рабочей частоты. Ультразвуковой пьезоэлектрический двигатель (УЗПД) является резонансным устройством с высокой добротностью, в котором небольшое изменение температуры или нагрузки приводят к сдвигу резонансной частоты по отношению к рабочей частоте контроллера. Это уменьшает механическую мощность двигателя и КПД, приводит к его нестабильной работе или к полной остановке.

Известно устройство управления пьезоэлектрическим двигателем [3]. Это устройство включает регуляторы амплитуды и частоты напряжения возбуждения ультразвуковым пьезоэлектрическим двигателем (УЗПД), а также управляемый генератор напряжения, датчик тока возбуждения и фазовый детектор, формирующий сигнал фазовой ошибки. Способ, положенный в основу реализации этого устройства, осуществляет амплитудное управление скоростью вращения УЗПД с одновременным отслеживанием резонансной частоты при изменении момента нагрузки. Отслеживание производят посредством отработки фазового сигнала ошибки. Это устройство разработано для УЗПД толкающего типа с возбуждением продольно-изгибных колебаний пьезорезонатора и вследствие различий характеристик не может быть использовано для управления пьезодвигателем с возбуждением контурных колебаний. Для последнего, например, характерна существенная зависимость угла сдвига фаз тока и напряжения на резонансной частоте от возмущающих воздействий. Это делает невозможным отслеживание резонансной частоты путем отработки сигнала, пропорционального отклонению угла сдвига фаз тока и напряжения возбуждения УЗПД от заданного значения (фазового сигнала ошибки). Другим недостатком устройства является ограниченная возможность повышения КПД (коэффициента полезного действия) и, как следствие этого, надежности управления. Это связано с использованием амплитудного способа управления скоростью вращения двигателя. Например, в случае применения наиболее экономичного ключевого усилителя мощности регулирование амплитуды напряжения возбуждения осуществляют изменением напряжения питания этого усилителя с помощью последовательного регулирующего элемента. Это приводит к резкому снижению КПД устройства из-за потерь на этом элементе.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является устройство для управления пьезоэлектрическим двигателем (ультразвуковым пьезоэлектрическим двигателем [4] (прототип), содержащее пьезоэлектрический двигатель, на валу которого закреплен датчик частоты вращения - датчик обратной связи. Выходной сигнал с датчика обратной связи, пропорциональный текущему значению скорости, поступает на один из входов элемента сравнения, другой вход которого подключен к выходу блока задания частоты вращения. Выходной сигнал элемента сравнения - сигнал ошибки по скорости ε(t) - через блок регулирования частоты поступает на управляющий вход управляемого фазовращателя. Сигнал со свободных электродов пьезорезонатора пьезоэлектрического двигателя через переключатель поступает на вход избирательного усилителя. Выход избирательного усилителя подключен к сигнальному входу управляемого фазовращателя, выход которого соединен со входом усилителя мощности (тока). Выходной сигнал с этого усилителя через переключатель поступает на рабочие электроды пьезорезонатора пьезодвигателя.

Пьезоэлектрический двигатель, переключатель, избирательный усилитель, управляемый фазовращатель и усилитель мощности образуют петлю положительной обратной связи, т.е. реализуют автогенератор напряжения возбуждения пьезодвигателя, обеспечивающий отслеживание рабочей частоты в районе резонансного значения. При этом пьезоэлектрический двигатель, датчик обратной связи, элемент сравнения, блок регулирования частоты, управляемый фазовращатель, усилитель мощности и переключатель составляют фазо-частотный контур регулирования скорости вращения пьезодвигателя.

Принцип его работы основан на управлении скоростью вращения пьезоэлектрического двигателя путем регулирования угла сдвига фаз напряжения на свободных электродах в функции сигнала рассогласования по скорости с помощью управляемого фазовращателя. Управляемый фазовращатель и избирательный усилитель позволяют реализовать отслеживание рабочей частоты в районе резонансного значения путем организации автогенераторного процесса, используя напряжение на свободных электродах в качестве сигнала обратной связи и осуществляя сдвиг фазы этого напряжения на величину, необходимую для выполнения условий самовозбуждения на заданной частоте. Это обеспечивает работоспособность предлагаемого устройства в условиях реверса и при изменениях момента нагрузки в рабочем диапазоне.

Недостатком прототипа является наличие компонентов усложняющих конструкцию устройства. К ним относятся: датчик частоты вращения - датчик обратной связи, закрепленный на валу пьезодвигателя, свободные электроды пьезодвигателя, управляемый фазовращатель, избирательный усилитель. Другим недостатком устройства является необходимость контроля максимального угла фаз и полосы пропускания. Полоса пропускания должна быть шире области частот, внутри которой группируются резонансные частоты пьезодвигателя и одновременно достаточно узкой, чтобы надежно подавлять сигналы паразитных частот.

Таким образом, прототипу свойственно избыточное усложнение конструкции, которое приводит к увеличению габаритных размеров, трудоемкости изготовления и уменьшению его надежности.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции, уменьшение габаритных размеров, повышение надежности и уменьшение трудоемкости изготовления устройства.

Объектом изобретения является устройство управления самочувствительным ультразвуковым пьезоэлектрическим двигателем - самочувствительным УЗПД при помощи электронных средств: аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и элемента сравнения, блока формирования и регулировки частоты вращения (БФиРЧВ), которые могут быть выполнены в виде микроконтроллера. БФиРЧВ формирует и регулирует частоту сигналов управления УЗПД, которые затем поступают на усилители тока, трансформаторы и пьезоэлементы УЗПД. Сигнал обратной связи поступает на вход АЦП с пьезоэлементов через вторичный преобразователь сигнала. Таким образом, в данном случае УЗПД выполняет функции, как двигателя, так и датчика обратной связи (самочувствительный УЗПД).

Объектом изобретения также является способ управления самочувствительным УЗПД, обеспечивающий подстройку частоты управляющих сигналов УЗПД, позволяющий эффективно использовать УЗПД в различных условиях эксплуатации.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции, уменьшение габаритных размеров, повышение надежности и уменьшение трудоемкости изготовления устройства за счет использования рабочих пьезоэлементов УЗПД в качестве первичного преобразователя сигнала обратной связи, а в качестве вторичного преобразователя (датчика сигнала обратной связи) - оптопары с резистивным выходным элементом и исключения из конструкции прототипа свободных электродов УЗПД, датчика частоты вращения - датчика обратной связи закрепленного на валу УЗПД, управляемого фазовращателя, избирательного усилителя. Так же техническим результатом является создание нового способа управления самочувствительным УЗПД, обеспечивающего обработку выходного сигнала с УЗПД и регулировку (подстройку) частоты управляющего сигнала для стабильной работы УЗПД при изменении климатических условий и нагрузочных усилий.

Это достигается тем, что в устройстве управления самочувствительным ультразвуковым пьезоэлектрическим двигателем (самочувствительным УЗПД), содержащем датчик обратной связи, выход которого подключен к элементу сравнения, а его выход подключен к блоку формирования и регулировки частоты вращения (БФиРЧВ), первый выход которого соединен с первым неинверсным входом первого усилителя тока, в соответствии с предлагаемым изобретением, датчиком обратной связи является УЗПД, входы которого соединены со входом вторичного преобразователя выполненного на оптопаре с резистивным выходным элементом, выход которой подключен к элементу сравнения через аналого-цифровой преобразователь (АЦП), введен второй усилитель мощности (тока), введены первый и второй трансформаторы, при этом инверсный вход первого усилителя тока соединен со вторым выходом БФиРЧВ, первый неинверсный и второй инверсный входы второго усилителя тока соединены соответственно с третьим и четвертым выходами БФиРЧВ, выход первого усилителя тока (Усилитель тока 1) подключен к первичным обмоткам первого трансформатора, выход второго усилителя тока (Усилитель тока 2) подключен к первичным обмоткам второго трансформатора, при этом первый вывод вторичной обмотки первого трансформатора подключен к одним (первым) контактам первой пары пьезоэлементов, имеющих противоположные направления поляризации, первый вывод вторичной обмотки второго трансформатора подключен к одним (первым) контактам второй пары пьезоэлементов также имеющих противоположные направления поляризации, вторые выводы вторичных обмоток трансформаторов объединены в единую цепь и подключены к другим (вторым) контактам четырех пьезоэлементов, причем первые пьезоэлементы каждой пары имеют одинаковое направление поляризации.

В частности, это достигается тем, что в соответствии с предлагаемым изобретением, первый и второй усилители тока состоят из двух n-канальных полевых транзисторов каждый, их затворы подключены к блоку формирования и регулировки частоты вращения через токоограничивающие резисторы, а истоки соединены с общей шиной питания - «земля», причем стоки n-канальных полевых транзисторов первого усилителя тока подключены к первым выводам двух первичных обмоток первого трансформатора, а стоки n-канальных полевых транзисторов второго усилителя тока подключены к первым выводам двух первичных обмоток второго трансформатора, при этом вторые выводы первичных обмоток обоих трансформаторов соединены с плюсом источника питания, вторичные обмотки первого и второго трансформаторов первыми выводами соединены с первыми контактами пьезоэлементов УЗПД, при этом первый вывод вторичной обмотки первого трансформатора подключен через токоограничивающий резистор к первому входному выводу оптопары с резистивным выходным элементом, а первый вывод вторичной обмотки второго трансформатора подключен ко второму входному выводу оптопары с резистивным выходным элементом, вторые выводы вторичной обмотки первого и второго трансформаторов объединены в единую цепь и подключены ко вторым контактам пьезоэлементов, один выходной вывод оптопары с резистивным выходным элементом соединен с плюсом источника питания, а другой - со входом АЦП и выводом резистора, который другим выводом соединен с общей шиной питания - «земля».

А в способе управления самочувствительным ультразвуковым пьезоэлектрическим двигателем, характеризующемся тем, что при получении устройством команды пуск производят установку начальной частоты сигнала в блоке формирования и регулировки частоты вращения, затем в нем же задают первое (влево) или второе (вправо) направление движения двигателя путем установки сдвига фаз +90° или -90° между сигналами на его неинверсных (первом и третьем) и инверсных (втором и четвертом) выходах, сформированные таким образом последовательности управляющих импульсов по двум каналам усиливают двумя усилителями тока, с помощью первого и второго трансформаторов формируют два двухполярных сигнала, сдвинутые по фазе на плюс или минус 90°, которые одновременно подают на первую и вторую пары пьезоэлементов и вторичный преобразователь, выполненный на оптопаре с резистивным выходным элементом, сигнал с которого в процессе работы двигателя преобразуют в цифровой вид с помощью аналого-цифрового преобразователя и сравнивают элементом сравнения текущее значение его амплитуды со значением амплитуды сигнала на резонансной частоте пьезоэлектрического двигателя (в средней точке на рабочем участке характеристики амплитуда - частота), после чего по разности этих сигналов в блоке формирования и регулировки частоты вращения корректируют частоту сигнала на его выходах так, что если разность значений сигналов положительная, то частоту сигналов с выходов блока формирования и регулировки частоты вращения уменьшают, а если разность значений сигналов отрицательная, то ее увеличивают пропорционально сигналу с выхода элемента сравнения.

На фиг. 1 показана блок-схема устройства. Устройство содержит самочувствительный ультразвуковой пьезоэлектрический двигатель (УЗПД) 1, вторичный преобразователь 2, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, элемент сравнения 4 и блок формирования и регулировки частоты вращения 5, к нему подключены первый 6 и второй 7 усилители тока, первый 8 и второй 9 трансформаторы, первая пара пьезоэлементов (10, 11) и вторая пара пьезоэлементов (12, 13) самочувствительного УЗПД 1.

На фиг. 2 показана электрическая схема устройства, которая содержит реализованные на базе микроконтроллера 14 аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, элемент сравнения 4, блок формирования и регулировки частоты вращения 5, к выходу которого через токоограничивающие резисторы 15, 16, 17, 18 (R1…R4) подключены первый 6 и второй 7 усилители тока (фиг. 1), выполненные на полевых транзисторах (фиг. 2) 19 (VT1) и 20 (VT2), 21 (VT3) и 22 (VT4) соответственно, к ним подключены первые выводы двух первичных обмоток каждого трансформатора 8 (Т1) и 9 (Т2) соответственно, а вторые выводы первичных обмоток трансформаторов 8 и 9 подключены к источнику питания (+5В). Первые выводы вторичных обмоток трансформаторов 8 (Т1) и 9 (Т2) соединены со входными выводами оптопары 23 (DA1) с токоограничивающим резистором 24 (R5) и первыми контактами пьезоэлементов 10 (ПЭ1), 11 (ПЭ3), 12 (ПЭ2), 13 (ПЭ4), вторые контакты этих пьезоэлементов объединены в общую цепь и подключены к вторым выводам вторичных обмоток трансформаторов 8 и 9. Выход оптопары 23 соединен с резистором 25 (R6) и со входом АЦП 3.

На фиг. 3 отдельно показана схема электрических соединений первых и вторых контактов пьезоэлементов 10, 11, 12, 13 (ПЭ1, ПЭ3, ПЭ2, ПЭ4) УЗПД с указанием полярности включения пьезоэлементов и фазы управляющих сигналов (Sin, Cos) относительно общей цепи (СОМ).

На фиг. 4 показана конструкция УЗПД, состоящая из ротора 26 и статора 27 с установленными на нем пьезоэлементами 10 и 11 (ПЭ1 и ПЭ3), 12 и 13 (ПЭ2 и ПЭ4).

На фиг. 5 показана блок-схема, поясняющая работу устройства.

На фиг. 6 показан график зависимости амплитуды сигнала на выходе оптопары с резистивным выходным элементом в зависимости от частоты сигнала, подаваемого на пьезоэлементы УЗПД.

На фиг. 7 показан вариант конструкции УЗПД, состоящей из ротора 26 и статора 27 с установленными на нем пьезоэлементами 10 и 11 (ПЭ1 и ПЭЗ), 12 и 13 (ПЭ2 и ПЭ4), которые имеют одинаковое направление поляризации.

Предлагаемое устройство может работать с ультразвуковым пьезоэлектрическим двигателем (УЗПД), управление которым осуществляется с помощью сигналов, сдвинутых по фазе на 90°. Например, пьезодвигатель, показанный на фиг. 4, имеет статор 27 в виде полого цилиндра с четырьмя срезанными по длине поверхностями, к которым жестко прикреплены пьезоэлементы. В отверстие цилиндра (статора) установлен ротор 26. Данную конструкцию можно использовать в качестве роторного или линейного двигателя. У линейного УЗПД ротор 26 и отверстие статора 27 имеют резьбовые поверхности, а ротор перемещается по резьбе, совершая вращательно-поступательное движение. У роторного УЗПД ротор и отверстие статора имеют гладкие поверхности, а ротор совершает вращательное движение.

Обычно на обкладки четырех пьезоэлементов УЗПД, размещенных на статоре подают четыре синусоидальных напряжения (см. фиг. 7) с частотой равной резонансной частоте статора и сдвинутые по фазе на 90° (Sin, Cos, -Sin, -Cos). При этом пьезоэлементы вместе со статором начинают совершать колебательные движения, создается бегущая волна, которая захватывает ротор, и он совершает линейные или угловые перемещения (вращение). В данной конструкции требуется пять электрических проводов для подачи таких сигналов (четыре управляющих и один общий). Соответственно, требуется сформировать управляющие сигналы по четырем каналам.

В предлагаемом устройстве достаточно трех проводов для подачи двух управляющих сигналов (Sin, Cos) на УЗПД 1 (см. фиг. 1, фиг. 4). Так как сигналы, подаваемые на противоположные пьезоэлементы имеют сдвиг фазы 180° (Sin и -Sin, Cos и -Cos), то на них можно подавать одинаковый сигнал (Sin, Cos), если расположить эти пьезоэлементы с разным направлением поляризации («+» и «-»). Эти же цепи сигналов (Sin, Cos) служат для передачи сигнала с УЗПД 1 (фиг. 1) на вторичный преобразователь (оптопару с резистивным выходным элементом), а сам УЗПД 1 при этом выполняет функцию первичного преобразователя (датчика) (см. фиг. 2).

Устройство работает следующим образом.

Блок формирования и регулировки частоты вращения 5 (фиг. 1) вырабатывает по двум каналам (четырем выходам) управляющие импульсы сдвинутые по фазе, причем сигналы в каналах (на первом и втором, третьем и четвертом выходах) сдвинуты на 180°, а между каналами (на первом и третьем, втором и четвертом выходах) сдвинуты на 90°. Далее эти сигналы поступают на вход первого 6 и второго 7 усилителей тока (Усилитель тока 1 и Усилитель тока 2), с выхода которых усиленные сигналы подаются на первичные обмотки первого 8 и второго 9 трансформаторов. Трансформаторы 8 и 9 усиливают входящие сигналы по напряжению, преобразуют четыре однополярных сигнала (по два сдвинутых на 180° в каждом канале) в два двухполярных сигнала, сдвинутых на 90°, и осуществляют гальваническую развязку УЗПД от цифровой части схемы. С первых выходов вторичных обмоток каждого из трансформаторов 8 и 9 сигналы подаются на первые контакты пьезоэлементов 10, 11 и 12, 13 соответственно. Причем сигнал с первого трансформатора подается на первую пару пьезоэлементов 10 и 11, а со второго трансформатора - на вторую пару пьезоэлементов 12 и 13, имеющих разные направления поляризации (+ и -). То есть, первые и вторые пьезоэлементы каждой пары (10, 12 и 11, 13) имеют одинаковое направление поляризации. Вторые выходы вторичных обмоток трансформаторов объединены в одну цепь со вторыми контактами пьезоэлементов 10, 11 и 12, 13 и являются общими (СОМ).

Под действием управляющих сигналов, поступающих на пьезоэлементы 10-13, возбуждаются колебательные движения в УЗПД 1 и его подвижная часть (ротор) начинает совершать перемещение (вращение) относительно неподвижной части (статора). Экспериментально установлено, что амплитуда сигнала (U_ампл), измеренная во время работы пьезодвигателя между первыми выходами вторичных обмоток трансформаторов на резонансной частоте больше, чем на других частотах примерно на 20% и имеет зависимость от частоты управляющего сигнала (F_раб), представленную на фиг. 6. Так как пьезоэлементы УЗПД реагируют на резонансную частоту, то УЗПД можно использовать в качестве датчика сигнала обратной связи, т.е. самочувствительного УЗПД. При подаче этого сигнала на вход вторичного преобразователя 2 (оптопару с резистивным выходным элементом) на ее выходе получается гальванически развязанный низковольтный сигнал, пропорциональный входному.

На графике зависимости фиг. 6 имеется прямой участок между минимальным и максимальным значениями. Для эффективной работы пьезодвигателя значение амплитуды получаемого сигнала должно находиться на этом участке между значениями U_min и U_max (им соответствует F_min и F_max), оптимально в точке U₀ (соответствует F₀). В процессе управления УЗПД частота управляющего сигнала поддерживается вблизи точки F₀ (резонансная частота) путем пошагового приближения к U₀ в блоке формирования и регулировки частоты вращения 5 (фиг. 1). Для этого во время его работы выполняется сканирование аналого-цифровым преобразователем 3 сигнала, получаемого от вторичного преобразователя 2 (оптопары с резистивным выходным элементом); оцифрованный сигнал передается на элемент сравнения 4, где сравнивается текущее значение его амплитуды со значением амплитуды сигнала на резонансной частоте (F₀) пьезодвигателя - УЗПД 1, после чего по разности этих сигналов в блоке формирования и регулировки частоты вращения 5 корректируется частота сигнала на его выходах так, что если разность значений сигналов положительная (+ΔU), то частота сигналов с выходов блока формирования и регулировки частоты вращения 5 уменьшается (на величину -ΔF), а если разность значений сигналов отрицательная (-ΔU), то она увеличивается (на величину +ΔF) пропорционально сигналу с выхода элемента сравнения.

Один из вариантов практической реализации электрической схемы устройства показан на фиг. 2. В ней блок формирования и регулировки частоты вращения 5, элемент сравнения 4 и АЦП 3 выполнены в виде микроконтроллера 14. Усилители тока 6 и 7 выполнены на n-канальных полевых транзисторах 19 (VT1), 20 (VT2) и 21 (VT3), 22 (VT4) соответственно. Они затворами подключены к блоку формирования и регулировки частоты вращения 5 через токоограничивающие резисторы для согласования по току. Истоки этих транзисторов соединены с общей шиной питания - «земля». Стоки одних n-канальных полевых транзисторов 19 (VT1) и 20 (VT2) подключены к первым выводам двух первичных обмоток трансформатора 8 (Т1), а стоки других n-канальных полевых транзисторов 21 (VT3) и 22 (VT4) подключены к первым выводам двух первичных обмоток трансформатора 9 (Т2), при этом вторые выводы первичных обмоток обоих трансформаторов соединены с источником питания (+5В на фиг. 2). Вторичные обмотки трансформаторов 8 (Т1) и 9 (Т2) первыми выводами соединены с пьезоэлементами 10, 11 и 12, 13 (УЗПД 1) соответственно, при этом первый вывод вторичной обмотки трансформатора 8 (Т1) подключен через токоограничивающий резистор 24 (R5) к первому входному выводу оптопары с резистивным выходным элементом 23, а первый вывод вторичной обмотки трансформатора 9 (Т2) подключен ко второму входному выводу оптопары с резистивным выходным элементом 23. Вторые выводы вторичной обмотки трансформаторов 8 (Т1) и 9 (Т2) соединены с общей цепью (СОМ). Один выходной вывод оптопары с резистивным выходным элементом 23 соединен с источником питания (+5В), а другой - со входом АЦП и выводом резистора 25, который другим выводом соединен с общей шиной питания - «земля». То есть резистор 25 с резистивным (выходным) элементом оптопары 23 образуют переменный делитель напряжения, коэффициент деления которого пропорционален сигналу на входе оптопары 23.

Работа устройства фиг. 2 поясняется блок-схемой фиг. 5. При включении питания выполняется начальная установка частоты генератора блока формирования и регулировки частоты вращения (поз. 28). После этого проверяется наличие команды «пуск/стоп» (поз. 29). Если получена команда «пуск» - выполняется проверка заданного направления перемещения (вращения) (поз. 30); если команда «стоп» - выполняется остановка передачи управляющих импульсов с блока формирования и регулировки частоты вращения 5 (фиг. 1) и он находится в режиме ожидания (поз. 31, фиг. 5). После определения направления перемещения (вращения) устанавливается требуемый сдвиг фаз: для первого направления (влево) устанавливается сдвиг фаз между сигналами первого и третьего, второго и четвертого выходов блока формирования и регулировки частоты вращения (БФиРЧВ) 5 (фиг. 1) равным +90° (поз. 32, фиг. 5); для второго направления (вправо) устанавливается сдвиг фаз между сигналами первого и третьего, второго и четвертого выходов БФиРЧВ 5 (фиг. 1) равным -90° (поз. 33, фиг. 5). Далее осуществляется подача управляющих импульсов с БФиРЧВ 5 (фиг. 1) на усилители тока 6 и 7, после чего запускается пьезодвигатель - УЗПД 1 (поз. 34, фиг. 5). Во время его работы выполняется следующая последовательность: сканирование аналого-цифровым преобразователем 3 (фиг. 1) сигнала, получаемого от пьезоэлементов 10-13 УЗПД 1 (выполняющего функцию первичного преобразователя) через вторичный преобразователь 2 (поз. 35, фиг. 5); определение амплитуды сигнала (поз. 36); передача полученного цифрового значения сигнала (поз. 37) на элемент сравнения 4 (фиг. 1); вычисление разности между текущим и заданным значениями уровней сигналов (поз. 38, фиг. 5); проверка знака разности (поз. 39) - если разность положительная, то частота сигнала уменьшается на 1 шаг (поз. 40); если разность отрицательная, то частота сигнала увеличивается на 1 шаг (поз. 41). Далее цикл повторяется с поз. 29.

В предлагаемом устройстве фиг. 1, его варианте исполнения фиг. 2 реализован новый способ управления самочувствительным ультразвуковым пьезоэлектрическим двигателем.

Способ управления самочувствительным ультразвуковым пьезоэлектрическим двигателем 1 (фиг. 1) характеризуется следующим. При получении устройством команды пуск производят установку начальной частоты сигнала в блоке формирования и регулировки частоты вращения 5 (фиг. 1). Затем в нем же задают первое (влево) или второе (вправо) направление движения двигателя (УЗПД) 1 путем установки сдвига фаз +90° или -90° между сигналами на его неинверсных «+» (первом и третьем) и инверсных «-» (втором и четвертом) выходах (фиг. 2). Сформированные таким образом последовательности управляющих импульсов по двум каналам усиливают двумя усилителями тока 6 и 7 (фиг. 1). С помощью первого 8 и второго 9 трансформаторов формируют двухполярные сигналы, сдвинутые по фазе на плюс или минус 90°, которые одновременно подают на первую 10, 11 и вторую 12, 13 пары пьезоэлементов и вторичный преобразователь 2, выполненный на оптопаре с резистивным выходным элементом 23 (фиг. 2), сигнал с которого в процессе работы двигателя (УЗПД) 1 (фиг. 1) преобразуют в цифровой вид с помощью аналого-цифрового преобразователя 3 и сравнивают элементом сравнения 4 его текущее значение со значением сигнала на резонансной частоте пьезодвигателя (УЗПД) 1, после чего по разности этих сигналов в блоке формирования и регулировки частоты вращения 5 корректируют частоту сигнала на его выходах так, что если разность значений сигналов положительная, то частоту сигналов с выходов блока формирования и регулировки частоты вращения 5 уменьшают, а если разность значений сигналов отрицательная, то ее увеличивают пропорционально сигналу с выхода элемента сравнения 4.

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом имеет более простую конструкцию и обладает малыми габаритами и надежностью за счет исключения из конструкции свободных электродов, датчика частоты вращения - датчика обратной связи закрепленного на валу УЗПД, управляемого фазовращателя, избирательного усилителя.

Предлагаемый способ управления самочувствительным ультразвуковым пьезоэлектрическим двигателем позволяет использовать в качестве источника сигнала обратной связи рабочие пьезоэлементы УЗПД (самочувствительный УЗПД) для регулировки частоты управляющих сигналов, что расширяет функциональные возможности УЗПД, повышает эффективность работы устройства.

Таким образом, благодаря отличительным признакам изобретения упрощается конструкция, уменьшается трудоемкость изготовления, повышаются технологичность и надежность, улучшаются массогабаритные показатели устройства.

Предлагаемое устройство и способ выгодно отличаются от известных ранее и могут найти широкое применение для компактных, экономичных систем прецизионного позиционирования с применением ультразвуковых пьезодвигателей.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Ерофев А.А. Пьезоэлектронные устройства автоматики, М. - Л., 1982, с. 108.

2. Авторское свид. СССР №1454378, МКИ А61В 5/02. Датчик пульса / Тихонов А.И., Васильев В.А., Дегтярев Д.Г. Курепов М.Е. // Б.И. №4 от 30.01.1989 г.

3. Ерофеев А.А., Кирсяев А.Н. Авторское свидетельство СССР №881899, кл. Н01L 41/08. Устройство управления пьезоэлектрическим двигателем. Опубл. 15.11.1981.

4. Ерофеев А.А., Кирсяев А.Н., Кузнецов О.Л., Гринфельд М.Л. Патент № RU 2025882. Устройство для управления пьезоэлектрическим двигателем. Опубл. 30.12.1994.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах микро- и нанопозиционирования различного назначения, замыкания контактов, системах автоматики, индикации и других. Техническим результатом является упрощение конструкции, уменьшение массогабаритных показателей устройства, повышение надежности, технологичности, уменьшение трудоемкости изготовления устройства. В устройстве и способе управления самочувствительным ультрозвуковым пьезоэлектрическим двигателем управление скоростью перемещения (вращения) ультразвукового пьезоэлектрического двигателя (УЗПД) осуществляется путем регулирования частоты управляющего сигнала, используя сигнал обратной связи, получаемый от рабочих пьезоэлементов УЗПД, выполняющих функцию первичного преобразователя с помощью вторичного преобразователя, выполненного на оптопаре с резистивным выходным элементом. Способ управления самочувствительным ультразвуковым пьезоэлектрическим двигателем позволяет использовать в качестве источника сигнала обратной связи рабочие пьезоэлементы самочувствительного УЗПД для регулировки частоты управляющих сигналов, что повышает эффективность работы УЗПД при изменении климатических условий и нагрузочных усилий. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство управления самочувствительным ультразвуковым пьезоэлектрическим двигателем (самочувствительным УЗПД), содержащее датчик обратной связи, выход которого подключен к элементу сравнения, а его выход подключен к блоку формирования и регулировки частоты вращения (БФиРЧВ), первый выход которого соединен с первым неинверсным входом первого усилителя тока, отличающееся тем, что датчиком обратной связи является УЗПД, входы которого соединены с входом вторичного преобразователя, выполненного на оптопаре с резистивным выходным элементом, выход которой подключен к элементу сравнения через аналого-цифровой преобразователь (АЦП), введен второй усилитель мощности (тока), введены первый и второй трансформаторы, при этом инверсный вход первого усилителя тока соединен со вторым выходом БФиРЧВ, первый не инверсный и второй инверсный входы второго усилителя тока соединены соответственно с третьим и четвертым выходами БФиРЧВ, выход первого усилителя тока (Усилитель тока 1) подключен к первичным обмоткам первого трансформатора, выход второго усилителя тока (Усилитель тока 2) подключен к первичным обмоткам второго трансформатора, при этом первый вывод вторичной обмотки первого трансформатора подключен к одним (первым) контактам первой пары пьезоэлементов, имеющих противоположные направления поляризации, первый вывод вторичной обмотки второго трансформатора подключен к одним (первым) контактам второй пары пьезоэлементов, также имеющих противоположные направления поляризации, вторые выводы вторичных обмоток трансформаторов объединены в единую цепь и подключены к другим (вторым) контактам четырех пьезоэлементов, причем первые пьезоэлементы каждой пары имеют одинаковое направление поляризации.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первый и второй усилители тока состоят из двух n-канальных полевых транзисторов, их затворы подключены к блоку формирования и регулировки частоты вращения через токоограничивающие резисторы, а истоки соединены с общей шиной питания - «земля», причем стоки n-канальных полевых транзисторов первого усилителя тока подключены к первым выводам двух первичных обмоток первого трансформатора, а стоки n-канальных полевых транзисторов второго усилителя тока подключены к первым выводам двух первичных обмоток второго трансформатора, при этом вторые выводы первичных обмоток обоих трансформаторов соединены с плюсом источника питания, вторичные обмотки первого и второго трансформаторов первыми выводами соединены с первыми контактами пьезоэлементов УЗПД, при этом первый вывод вторичной обмотки первого трансформатора подключен через токоограничивающий резистор к первому входному выводу оптопары с резистивным выходным элементом, а первый вывод вторичной обмотки второго трансформатора подключен ко второму входному выводу оптопары с резистивным выходным элементом, вторые выводы вторичной обмотки первого и второго трансформаторов объединены в единую цепь и подключены ко вторым контактам пьезоэлементов, один выходной вывод оптопары с резистивным выходным элементом соединен с плюсом источника питания, а другой - со входом АЦП и выводом резистора, который другим выводом соединен с общей шиной питания - «земля».

3. Способ управления самочувствительным ультразвуковым пьезоэлектрическим двигателем, характеризующийся тем, что при получении устройством команды «пуск» производят установку начальной частоты сигнала в блоке формирования и регулировки частоты вращения, затем в нем же задают первое (влево) или второе (вправо) направление движения двигателя путем установки сдвига фаз +90° или -90° между сигналами на его не инверсных (первом и третьем) и инверсных (втором и четвертом) выходах, сформированные таким образом последовательности управляющих импульсов по двум каналам усиливают двумя усилителями тока, с помощью первого и второго трансформаторов формируют два двухполярных сигнала, сдвинутые по фазе на плюс или минус 90°, которые одновременно подают на первую и вторую пары пьезоэлементов и вторичный преобразователь, выполненный на оптопаре с резистивным выходным элементом, сигнал с которого в процессе работы двигателя преобразуют в цифровой вид с помощью аналого-цифрового преобразователя, и сравнивают элементом сравнения текущее значение его амплитуды со значением амплитуды сигнала на резонансной частоте пьезоэлектрического двигателя (в средней точке на рабочем участке характеристики амплитуда - частота), после чего по разности этих сигналов в блоке формирования и регулировки частоты вращения корректируют частоту сигнала на его выходах так, что, если разность значений сигналов положительная, то частоту сигналов с выходов блока формирования и регулировки частоты вращения уменьшают, а если разность значений сигналов отрицательная, то ее увеличивают пропорционально сигналу с выхода элемента сравнения.