Устройство управления пъезодвигателем Советский патент 1988 года по МПК G05B11/01 

г L J (

GO О5

а со

00

со

.f

Изобретение относится к автомати ке и может быть использовано при разработке и создании систем управления пьезодвигателями.

Цель изобретения - повышение быстродействия устройства управления пьезодвигателем.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства управления пье- зодвигателем; на фиг. 2 - эпюры заряда емкости пьезодвигателя.

Устройство управления пьезодвигателем содержит усилитель 1, сумма- тор 2, делитель 3, компаратор 4, ин- вертор 5, первый 6 и второй 7 ключи, первый. 8, второй 9, третий 10 и четвертый 11 выпрямительные элементы, например вентили, накопительный элемент 12, например конденсатор, повышающий трансформатор 13, пьезодвига- тель 14, реактивный элемент 15, например дроссель и амплитудно-импульсный преобразователь 16.

Амплитудно-импульсный преобразова тель содержит источник 17 постоянного напряжения, модулятор 18, генератор 19, сумматор 20, делитель 21, первый 22 и второй 23 эмиттерные повторители., -

Устройство работает следующим образом.

На первый вход первого сумматора поступает задающий сигнал U, на вто

рой вход - подаваемый на пьезодвига- тель выходной сигнал Uo устройства, прошедший через делитель 3 с коэффициентом передачи К,, Выходной сигнал Uc сзгмматора 2 усиливается усилителем 1, имеюш 1м коэффициент усиления K,j, и поступает на входы модулятора 18 и компаратора 4. При положительном выходном сигнале Uv, усилителя 1 компаратор 4 формирует управляюпщй сигнал, вызывающий открывание первого ключа 6. Второй ключ 7 открывается в противоположной фазе относительно открывания первого ключа 6, так как управляется сигналом компаратора 4, прошедшим через инвертор 5. Гене- ратор 19 вьфабатывает управляющие импульсы постоянной частоты, длительность импульса tu равна половине пе-c i,

/и (п+ )U,(n),-U.(n)j fl- .Л Ь№: sinut, (2)

i - 7oL J,i

со

и,(п) напряжение на пьезодвига- 1 2L теле 14 в конце п-го 5 Ё+Г такта;

5

сумматора 20, в ются с сигналом

0

риода следования. Эти импульсы пихггу- пают на управляющий вход модулятора 18, На выходе модулятора 18 формируется сигнал Uy, если на управляющем входе находится импульс генератора 19 и сигнал -и,. при отсутствии управляющего импульса. С выхода модулятора 18 импульсы ±Uy поступают на вход

котором они суммиру- второго делителя 21, равным половине питающего напряжения, вырабатываемого источником 17 постоянного напряжения. Пройдя через усилитель тока - эмиттерные повторители 22 и 23, сигнал через конденсатор 12 поступает на первичную обмотку повышающего трансформатора 13, имеющего коэффициент передачи К. Считая, что коэффициент передачи эмиттерных повторителей 22 и 23 равен единице, амплитуда импульсов на вторичной обмотке повьшающего трансформатора 13

.,().

(1)

При напряжении Ну О пьезодвигатель 14 заряжается только положительными импульсами U,-, так как открыт только первый ключ 6, В этом случае пьезодвигатель заряжается по цепи: общая шина - первый ключ 6 - второй вентиль 9 - вторичная обмотка трансформатора 13 - дроссель 15 - пьезодвигатель 14 - общая шина. При отрицательном напряжении на выходе усилителя 1 открыт второй ключ 7, пьезодвигатель 14 заряжается отрицательными импульсами по цепи: общая шина - ключ 7 - вертиль 11 - вторичная обмотка трансформатора 13 - дроссель 15 - пьезодвигатель 14 - общая шина.

Для определения КПД и анализа быстродействия устройства запишем уравнения для токов заряда и напряжений на пьезодвигателе в процессе работы устройства. Рассмотрим случай положительного сигнала на выходе усилителя 1 (). При этом напряжение на пьезодвигателе в середине (п+1}-го такта (при изменении знака импульса и т на вторичной обмотке по- вьапающего трансформатора 13 )

,

°.Л Ь№: sinut, (2)

,i

со

постоянная бательного

времени контура

коле- послеR г довательно включенных г, R, L;

активное сопротивление цепи заряда пьезодвига- теля 14, включающее в себя сопротивление дросселя 15, первого ключа 6 и второго вентиля 9; суммарное сопротивление вторичной обмотки трансформатора 13 и приведенных к вторичной обмотке сопротивления первичной

Ток в ко.нце (т1+1)-го такта определяется в соответствии с выражением:

-и(п+

2 -Л„

sinu)t| +

10

I (п+ ) -1--- -е

+Ig(n+ d)e (cosut.- - sintdtj. (6)

3 Z U

L С(л

I LC

При этом параметры d ,ш имеют другое значение, чем в выражениях (З) и (4), так как . Второе слагаемое в выражении (5), соответствующее раз- обмотки повьппающего траис- g ряду емкости пьезодвигателя 14 на форматора 13 и выходных цепь R и L, равно нулю, так как вентили 8 и 9 находятся в закрытом состоянии. По этой же причине первое слагаемое в выражении (6) также рав- 2Q но нулю, разрядный ток отсутствует. Поэтому Выражения (5) и (6) можно упростить:

сопротивлений эмиттерных повторителей 22 и 23; индуктивность дросселя 15;

ем1сость пьезодвигателя 14;

частота свободных R,

(Н+г)

колебаний в цепи г L, С;

1а(п) - ТОК, протекающий через

пьезодвигатель 14 в конце п-го такта.

Ток через пьезодвигатель в середине такта

т / 4. М- ит-и(п) -Л„ . I.(n+-s-j 2:-f 31П:Л„ +

Л +Iq(n)e (cosut..- -, sinuit..).

7 Ц) и

25

, К- Л (п+ )е

I (n+l)Uq(n+ i)+ J---±-1- sinwty

и

(7)

30

1„(п+1)1„(п+ i)e (costot - - sintot )

7tf fc(i)

(8)(3)

Как видно из выражений (7) и (8) заряд емкости пьезодвигателя 14 происходит и во второй половине такта. 35 Эпюры заряда емкости пьезодвигателя в (п+1)-м такте показаны на фиг. 2.

В середине (n+1)-ro такта в дросселе 15 накапливается энергия маг- нитйого поля

W.p

Ll (n+ )

7

(4)

13669894

Ток в ко.нце (т1+1)-го такта определяется в соответствии с выражением:

-и(п+

2 -Л„

sinu)t| +

0

I (п+ ) -1--- -е

+Ig(n+ d)e (cosut.- - sintdtj. (6)

3 Z U

При этом параметры d ,ш имеют дру гое значение, чем в выражениях (З) и (4), так как . Второе слагаемо в выражении (5), соответствующее ра g ряду емкости пьезодвигателя 14 на цепь R и L, равно нулю, так как вен тили 8 и 9 находятся в закрытом сос тоянии. По этой же причине первое слагаемое в выражении (6) также рав- Q но нулю, разрядный ток отсутствует. Поэтому Выражения (5) и (6) можно упростить:

, К- Л (п+ )е

I (n+l)Uq(n+ i)+ J---±-1- sinwty

и

(7)

30

1„(п+1)1„(п+ i)e (costot - - sintot )

7tf fc(i)

(8)Как видно из выражений (7) и (8) заряд емкости пьезодвигателя 14 происходит и во второй половине такта. Эпюры заряда емкости пьезодвигателя в (п+1)-м такте показаны на фиг. 2.

При выполнении условия процесс заряда прекращается, напряжение на пьезодвигателе запоминается:

(9)

и,к,к,(и,)

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано при разработке и создании систем управления с пьезоэлектрическими двигй- телями. Целью изобретения является повышение быстродействия. Устройство управления пьезодвигателем (ПД)мо- жет быть использовано в прецизионных системах микроперемещений. Данное устройство позволяет увеличить ток заряда ПД и тем самым повысить быстродействие пьезопривода с одновременным повышением коэффициента полезного действия. В первую половину такта управления ПД заряжается по цепи: общая шина - ключ 6 - выпрямительный элемент 9 - вторичная обмотка трансформатора 13 - реактивный элемент 15 - ПД 14 - общая шина. Заряд во второй половине такта управления происходит за счет энергии, накопленной дросселем в первой половине такта управления по цепи: элемент 15 - ПД 14 - ключ 6 - выпрямительный элемент 8. По окончании процесса заряда ток отсутствует,, напряжение на ПД запоминается. 2 ил. i (Л

Во вторую половину (п+1)-го такта импульс -U через второй вентиль 9 не проходит, заряд пьезодвигателя 14 происходит за счет энергии магнит ного поля (4), накопленной дросселем 15, по цепи: дроссель 15 - пьезодвигатель 14 - первый ключ 6 - первый вентиль 8.

Напряжение на пьезодвигателе в конце (п+1)-го такта

и(п+1)и(п+ :)-Ug(n+ cf sinwti +u)cosu)t| to

или

Т т -ISllSlт т

°

(10)

т.е. напряжение U- в установивщемся режиме пропорционально задающему напряжению Uj,, а выражение (Ю) эквивалентно уравнению линейного усилителя с коэффициентом передачи , охваченного отрицательной обратной связью с коэффициентом К п.

При отрицательном сигнале U,, усилителя 1 в управлении пьезодвигателем 14 участвуют третий вентиль 10, четвертый вентиль 11, второй ключ 7, дроссель 15. Процесс заряда аналогичен описанному вьщ1е, выражения (2) - (Ю) справедливы и в этом случае.

По сравнению с прототипом устройство управления пьезодвигателем имеет больший средний ток заряда за счет использования для заряда во второй половине такта энергии, запасенной дросселем в первой половине такта, что приводит к увеличению быстродействия пьезопривода в целом. Средний ток заряда

т l и .

ср 5K;t;

ж(11)

и превышает ток заряда прототипа в два раза.

КПД .устройства равен отношению энергии, запасенной пьезодвнгателем

1

,

100%

(T) -2

100%

CHM/JtR(t).r(t))

При выполнении условий ,. г «-О коэффициент полезного действия устройства 1- 100%,

Таким образом, предлагаемое устроство управления, построенное вышеописанным образом, позволяет повысить КПД устройства и увеличить быстродействие пьезопривода. ,. Фо рмула изобретения

Устройство управления пьезодвигателем, содержащее первый ключ и второй ключ, управляющий вход которого соединен с выходом инвертора, последовательно соединенные сзгмматор, усилитель, амплитудно-импульсный преобразователь, накопительнь й элемент, выход которого соединен с первым выводом первичной обмотки трансформатора, у которого второй вывод первичной обмотки соединен с нулевой шиной и первым входом пьезодвигателя, второй вход которого соединен с входом делителя, выход которого соединен с вторым входом сумматора, о т- личающееся тем, что, с цепью повышения быстродействия, дополWg, к сумме Wg и энергии, рассеянной на активных элементах устройства,WR. Энергия, запасенная пьезодвигате-| лем в произвольный момент времени Т 7 0: .

w, 1.

(12)

а энергия, рассеянная на активных элементах схемы за это не время:

т

W R(t)+r(t))dt, (13) к Jч

о

откуда выражение для коэффициента полезного действия ч устройства имеет вид:

(T) -2

100%

JtR(t).r(t))

нительно введены компаратор, первый, второй, третий и четвертый выпрямительные элементы и реактивный элемент, причем вход компаратора соединен с выходом усилителя, а выход - с входом инвертора и управляющим входом первого-ключа, информационный вход которого соединен с общей пшной и информационным входом второго ключа, а выход - с положительными входами первого и второго выпрямительных элементов, выход второго ключа соединен с отрицательными входами третьего и четвертвго выпрямительных элементов , отрицательный -вход первого

выпрямительного элемента соединен с положительным входом третьего выпрямительного элемента, первым выводом вторичной обмотки трмнсформатора и через реактивный элемент - с вторым

входом пьезодвигателя, отрицательный вход второго выпрямительного элемеи- та соединен с вторым выводом вторичной обмотки трансформатора и положительным входом четвертого вьшрями-.

тельного элемента.

п.

Ug(n))

mi