Пьезопривод с коррекцией неоднозначной статической характеристики Советский патент 1989 года по МПК G05B11/01 

сд ю

N(

о

ГС

o

Изобретение относится к автоматическому управлению и может быть использовано в пьезоприводах для повышения точности управления перемещением .

Цель изобретения - повьпиение точности управления пьезоприводом.

С этой целью в момент изменения знака направления движения . пьеяо- привода определяются координаты точки перегиба линеаризирующей характеристики устройства, координаты которой связаны линейной зависимостью с координатами вершины параболы статической характеристики пьезодвигате- ля. Для каждой точки изменения направления движения пьезоггри13ода определяются свои координаты точки перегиба линеаризируюишй характеристики, что ведет к устранен1и неоднозначности суммарной характеристики пьезопри вода. Через найде}1ные координаты точки перегиба проводится линеаризирующая характеристика, которая является обратной по отношен1по к статической характеристике пьезодвигателя. Последовательное соеди}1ение устройства коррекции и пьезодвигателя с взаимно обратными статическими характеристиками дает результирующую линейную характеристику. При управлении пьезоприводом с однозначной линейной статической характеристикой однозначно определено перемещение вала пьезодвигателя при подаче на вход пьезо- привода определенного Т1равляюи;его напряжения, что ведет к увеличению точности управления пьезоприводом пр отсутствии датчика положения, механически связанного с объектом управления .

На фиг.I представлена структурная схема пьезопривода с коррекцией неоднозначной статической характеристики; на фиг.2 - статические характеристики пьезодвигателя (а) и пьезопривода (б) .

Пьезопривод (фиг.1) содержит первый, второй и третий коммутаторы 1 - 3, дифференцирующий элемент 4, первый и второй нуль-органы 5 и 6, элемент ИЛИ 7, компаратор 8, источник 9 опорного сигнала, первый и второй масштабные блоки 10 и 11, первый, второй и третий сумматоры 12 - 14, первый и второй не1П1нейные элементы 15 и 16 с статической характеристиUj

-Ги

1,

S i cnU

BX

5

0

5

напряжение на .вькоде нелинейного элемента, и „к - на его входе), выходной сумматор 17, элемент 18 выборки-хранения, инвертирующий интегратор 19, инвертор 20, усилитель 21, гьеэодви- гатель 22 и объект 23 управления.

Пьезопривод работает следующим образом .

В случае положительной скорости изменения ynpaBJii-: U I с) сигнала (. О выходной дий.беренцируклце- го );1емента Д пызьгоае 1 появление на выходе компарат сра 8 сигнала логической 1, KOTOpbtfi подается на управляющие входы первого, второго и третьего коммутаторов 1 - 3. При этом управляющий сигнал, поступающий на вход ycTpoiicTna, проГщя через первь й коммутатор 1, поступает на первый вход первого сумматора 12, сигнал источника 9 опорного сигнала, пройдя через второй коммутатор 2, поступает на вход второго масщтаб}юго блока i i и на первый инвертирующий вход второго сумматора 13, а сигнал инвертирующего интегратора 19, пройдя через третий коммутатор 3, поступает на инвертирующий вход пеоного сумматора 2 и на второй вход ijr,.;poro сумматора 13. С выхода сумматора 12 управляющий сигнл:, cMt пн ннмй на величину обратного вьгходниго сигнала инвертирующего И1тегратора 19, поступает на вход ntipBoro нелинейного элемента 15. На пьпчоде первого нелинейного элемента 15 выделяется сигнал U , связанный с управляющим сигналом зависимостью

и,5 UlU, I si(n(,,),(l)

где - выходной сигнал инвертирующего интегратора.

Данный сигнал поступает на второй вход выходного сумматора 17. При постоянном знаке скорости изменения управляющего сигнала U сигналы на инвертирующем, первом и третьем входах выходного сумматора 17 постоянны. Это объясняется тем, что на первый вход выходного сумматора 17 через второй

масщтабный блок 11 поступает выходной сигнал источника 9 опорного сигнала. Сигнал на инвертирующем входе выходного сумматора 17 равен нулю. Выходной сигнал второго нелинейного

5 элемента 16 также не изменяется, так как оЬтается постоянным выходной сигнал второго сумматора 13, это связано с тем, что на первый и второй ин0

5

0

5

вертируюции входы данного сумматора подается нулевой сигнал, на первьгн инвертирующий вход подается сигнал источника 9 опорного сигнала, на второй вход - постоян 1ый сигнал инвертирующего интегратора 19. При постоянном знаке скорости изменения управляющего сигнала выходной сигнал дифференцируюшего элемента А отличен от нуля и не изменяет свой знак. Поэтому выходной сигнал первого нуль- органа 5 в данном случае имеет значение лог ического О. При этом, если сигнал третьего сумматора 14 равен нулю, то на выходе второго нуль-органа 6 сигнал имеет значение кой 1 и после инвертирования 1Ш- вертором 20 имеет значение логического О. В такой ситуации выходной сигнал элемента 11ЛИ 7 будет иметь значение логического О и будет удерживать элемент 18 выборки-хранения в режиме выборка. При этом выходной сигнал выходного сумматора I7 проходит без изменения на вход усилителя 21 , усиливается в нем и поступает на вход пьеэодвигателя 22. Вькодной сигнал выходного сумматора 17 равен

- ия)

где Ug

k.

Un U,5 , ,

К

Г,.- Ugl

sign(i; 15- (2)

выходнои сигнал источника У опорного сигнлла; коэффициент передачи второго масштабного блока 11, (коэффициент передачи первого масштабного блока 10 также равен k ) .

Выходной сигнал источника опорного сигнала Ua и коэффициент передачи k.

}л

выбираются таким образом, чтобы смещенная статическая характеристика нелинейного элемента совпадала с кривой линеаризирующей характеристики предельного цикла. Линеаризирующая характеристика предельного цикла яв- .ляется обратной по от}сошению к статической характеристике предельного цикла пьезодвигателя. Таким образом, произведение линеаризирующей характеристики и статической характеристик; пьезодвигателя должно дать од- ночь ,чную лимейну ) статическую харак- терис тику пьеэопривода.

При отрицательной скорости изменения управляюшего сигнала 0 сигнап и .J , пройдя через первый коммута

Top 1, поступает на первый вход второго сумматора 13, сигнал источника 9 постоянного сигнала, проГщя через второй коммутатор 2, ггоступает на вход первого масштабного блока 10 и на второй вход первого сумматора 12, а сигнал инвертируюа1его интегратора 19, пройдя через третий коммутатор 3, поступает на третий вход первого сумматора 12 и на второй инвертируюи1ий вход второго сумматора 13. С сумматора 13 управлякицш сигнал, смс-- на величину обратного пькодно- го (Сигнала инвертирующег о inrrerpnTo- ра 19, поступает на вход uropoi o н-- - линейного элемента 16. Па выходе второго нелинейного элемента 16 вьюеля- стся сигнал , связанный с управллю

щим сиг}{алом Uy зависимостью

I/ lU,, - и„| |sign (U,-U,,).(3)

и

Н

5

0

5

0

Данный сигнал поступает на третий вход вькодного сумматора 7. При отрицательном знаке скорости изменения управляющего сигнала Ui. на fflвepти- рующий вход выходного сумматора 17 через первый масштабный блок 10 поступает выходной сигнал источника 9 опорного сиг нала. Сигнал на первом /1Х(де выходного сумматора I 7 равен нулю. Выходной сигнал перкюго нели- -чейного элемента 1 5 также не изменяется, так как остается постоянным выходной сигнал первого сумматора 12, это связано с тем, что на первый и инвертирующие входы данного сумматора поступает нулевой сигнал, на второй вход поступает сигнал источника 9 опорного сигнала, на третий вход поступает постоянный сигнал инвертирующего интегратора 19. Выходной сигнал выходного сумматора 17 Uy; при этом равен

Un ч V ,.

.

+ и

19

signCU, + (А)

Как и в случае положительной скорости изменения управляющего сигнала U

сигнал с выхода выходног-о сумматора 17 проходит без изменений на вход усилителя 21, усиливается в нем и поступает на вход пьезодвигателя 22. В рассмотренных случаях постоянного положительного и отрипательного знаков скорости изменения управляющего сигнала достигается коррекция неоднозначной статической характеристики пьеэопривода.

При изменении направления движения пьезопривода в точке статической характеристики пьезодвигателя с координатами (и, х) (фиг.2а) скорость изменения управляющего сигнала Uy (9U

равна нулю (

t

О). В этот момент на выходе первого нуль-органа 5 выделяется сигнал логической 1, который, пройдя через элемент ИЛИ 7, поступает на управляющий вход элемента 18 выборки-хранения и переводит е в режим хранения, т.е. режим Фиксации на его выходе напряжения Ц, (фиг.2б), которое бьшо на входе элемента выборки-хранения до прихода сигнала логической 1. Элемент 18 выборки-хранения находится в режиме хранения до тех пор пока на его управляющий вход подается сигнал логической 1. Сигнал выходного сумматора продолжает изменяться и становится неравным выходному сигналу элемента 18 выборки-хранения. При этом на выходе третьего сумматора 14 выделяется разностный сигнал, поступающий на вход инвертирующего интегратора 19 и На вход второго нуль-органа 6, на выходе которого выделя- ется сигнал логического.О, а на выходе инвертора 20 сигнал логической 1. Под действием данного сигнала элемент 18 выборки-хранения находится в режиме выборка. Под действием pa3 iocTHoro выходного сигнала третьего сумматора 14 выходной сигнал 1швертирующего интегратора 19 начинает изменяться, вызьшая соответствующее изменение выходных сигналов первого и второго сумматоров 12 и 13, а, следовательно, и выходных сигналов первого и второго нелинейных элементов 15 и 16. Данное изменение выходных сигналов первого и второго нелинейных элементов 15 и 16 вызьшает смещение точки перегиба о (фиг. 2б) линеаризирующей статическо характеристики по кривой предельного цикла линеаризирующей статической характеристики. Данное смещение будет проходить до тех пор, пока изменяется выходной сигнал инвертирующего интегратора 19, В свою очередь изменение сигнала инвертирующего интегратора происходит до тех пор, пока не вы

5

0

5

0

5

0

нал третьего сумматора 14. Постоянная времени инвертирующего интегратора Т, выбирается много меньше величины ( t MciKc максимальная частота управляющего сигнала). -В момент, когда выходной сигнал выходного сумматора 17 становится равным сигналу, зафиксированному в элементе 18 выборки-хранения, точка перегиба а (фиг. 26) линеаризирующей характеристики займет положение а (фиг. 2б). В этот момент выходной сигнал второго нуль-органа 5 примет значение логической 1. Соответственно выходной сигнал инвертора 20, имеющий значение логического О, поступая через элемент ИЛИ 7 на управляющий вход элемента 18 выборки-хранения, вызы- вет его переход к режиму выборки. Если знак скорости изменения управляющего сигнала остается постоянным, то пьезопривод продолжает работать также, как в ранее рассмотренньк случаях.

Выполнение перечисленных операций над сигналами в момент изменения знака скорости управляющего сигнала позволяет объединить процессы формирования выходных сигналов, описываемых уравнениями (5), (7), и получить суммарную статическую характеристику рассмотренной в совокупности элементов (за исключением усилителя и пьезодвигателя) , описываемую выражением

и.

||%- UjSign

и,,- U,,||sign(U - Цд) + sign (и,5 - dU

U,sisn-fr

) l «U«sign

(5) 3t

где и д сигнал на выходе Фиксатора 18.

45

В установившемся режиме при положительном знаке скорости изменения управляющего сигнала

(-i,o)

выпол50

55

няются следующие условия: управляющее напряжение больше, чем напряже- ние и, на выхоДе инвертирующего интегратора 19 (и.,,), которое меньше напряжения на выходе источника 9 постоянного сигнала (U , Ug). ПЕ(И отрицательном знаке скорости изме

Изобретение может использоваться в прецизионных системах микроперемещений, например, в экспериментальной медицине, в технологическом оборудовании и позволяет скомпенсировать влияние на работу пьезопривода неоднозначной статической характеристики пьезодвигателя, что обеспечивает повышение точности управления пьезоприводом. С этой целью для каждой точки изменения направления движения пьезопривода определяются свои координаты точки перегиба линеаризирующей характеристики, что ведет к устранению неоднозначности суммарной характеристики пьезопривода. Первый и второй сумматоры 12 и 13, первый и второй нелинейные элементы 15 и 16, выходной сумматор 17 формируют линеаризирующую характеристику, которая является обратной по отношению к статической характеристике пьезодвигателя и проходит через найденную точку перегиба. Последовательное соединение устройства и пьезодвигателя с взаимно обратными статическим характеристиками дает результирующую линейную однозначную характеристику, что ведет к повышению точности управления пьезоприводом в разомкнутом режиме. 2 ил.

равенство U

19

k г о k,Cg

не равен нулю вькоднои сигнения Управляющего сигнала управляющее напряжение L меньше, чем

/ и, „,

(1,0)

напряжение на вь;ходе юшертнруюшего интегратора 19 (L U ,j) , которое больше напряжения -Uj (U ,, -Uj) . Данные условия позволяют упростить слагаемые, входящие в выражение (5), исключив из них математические операции определения модулей

I

U|U) - U,gll sign (иу - и,, )

(и, - U,,)sign --fsign

з

(-sign

.У:,

Тогда выражение (5) с учетом преобразований (6) примет вид

. .

и, (Uy - U,)sign - I U,

sign

fyi (7 Jt „- U,,. sign ---Выражение (7) описывает статическую характеристику сопокупности элементов предлагаемого устройства за исключением усилителя и пьезодвигателя. Условием технической реализации предлагаемого изобретения является выбор величины вькодного сигнала Ug источника 9 опорного сигнала в соответст2

х

Бии С уравнением U -;

,fC .

коэффициента передачи мас1итабных блоков 10 и II в соответствии с урав, и„

нением к -.-:--.

VLig

Подставив выражение (10) в после преобразования получают

и,

(8)

Уравнение (8) показьшает, что при использовании предлагаемого устройства перемещение х пьезодвигателя связано линейной зависимостью с сигналом управления Uy. Это доказьгеает достижение эффекта линеаризации нелинейной статической характеристики пьезодвигателя. Так как погрешность управления пьезопривода в разомкнутом режиме работы, т.е. без датчика положения соизмерима с шириной петли неоднозначной статической характеристики пьезодвигателя, поэтому линеаризация нелинейной статической характеристики пьечодлпг-ателя ведет к повы, а

10

шению точности упранлеии 1 :i i счом)- подом. Так как точка иэмо. К иип :(мака направления движения (U, х) Сзьшл выбрана произвольно, рас;..- т peiiHh f процесс корректировки реализуется при любом ее расположении на стат1П1еской характеристике пьезодвигаiеля. Поэтому при любом изменении сигнала управления Uv предлаг сюмый iii.c 1опривод обеспечивает липопризапны стяпргес- кой характеристики исг11 льч (-могс в нем пьезодвиг ателя.

Формула и 3 ii Гч 11

ч и я

20

)

25

30

35

40

45

50

55

Пьезоприьоц с кор;н кимеп иеоа: ;- значной статической ,iicTop:iC. i;i,и, содержащий первый и FtTopo гу мторы, выходы которых соедии :пи с соответственно перног о и В горлг iio- линейш.к элементов, ( сумматор, ШИШРТИРУЮЩИ и первый (ХОДЫ KQTopoiо соединены с выходами соитвет- стненно первого и второго млсипабпых блоков, инрертируюший шпч г-;1атор, последовательно соединенные усилитель и пьезодвигатель, о т л и ч а ю щ и ii- с я тем, что, с целью повышения точности управления пьезоприводом, в него введены первый, BTopoi, третий коммутаторы, первьп и второй иуль-оу- ан, инвертор, компаратоу), источник опорного сигнала, третий суммспор, элемент выборки-хранелшя и дифг ерен- цируюций элемент, нход которого -соединен с входом .первого коммутатора и является входом устройства, а выход дифференцирующего элемента через компаратор соединен с управляющими входами первого, второго и третьего коммутаторов и через первый нуль-орган соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом инвертора, а выход элемента ИЛИ соединен с управляющим входом элемента выборки-хранения, выход которого соединен с входом усилителя и с первым входом третьего сумматора, выход которого соединен с входом ini- вертирующего интегратора и с входом второго нуль-органа, а инвертирующий вход третьего сумматора соединен с входом элемента выборки-хранения и с выходом выходного сумматора, второй и третий входы которог-о сосдинеГгы с выходами соответственно первого и второго нелине1 1ных элемеитоп, нход третьего коммутатор,- i-orMii iieH с BIIходом инвертирующего imrerparopa, первый выход третьего коммутатора соединен с третьим входом первого сумматора и с вторым инвертируюшим входом второго сумматора, а второй выход третьего коммутатора соединен с инвертирующим входом первого сумматора и с вторым входом второго сумматора, первый вход которого соединен с первым выходом первого коммутатора, а первый инвертирующий вход второго

сумматора соединен с входом второго масптабного блока и вторым выходом второго коммутатора, вход которого соединен с выходом источника опорного сигнала, а первый выход второго коммутатора соединен с входом первого масштабного блока и с вторым входом rjepBoro сумматора, первый вход которого соединен с вторым выходом первого ком -:утатора, а г.ь :. .;ц второго нуль-- О1)гана соединен с X( инвертора.