Устройство управления пьезодвигателем Советский патент 1992 года по МПК G05B11/01 

VI

СлЭ VI О

VI

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано при разработке и создании систем управления с пьезоэлектрическими двигателями.

Известны устройства для управления пьезодвигателями.

Регулятор перемещения пьезодвигате- ля содержит генератор, устройство сравнения и трехпозиционный релейный усилитель, делитель и последовательно соединенные источник напряжения, первый ключ и четыре ключа, соединенные в мосто- вую схему, одна из диагоналей которого является выходом регулятора, усилитель заряда, подключенный к выходу изолированной пьезопластины составного пьезод- вигателя, причем выход усилителя заряда подключен к третьему входу устройства сравнения.

Процесс перезаряда пьезодвигателя при работе устройства носит апериодический характер. Перезаряд пьезодвигателя с емкостью С от нуля до напряжения V сопровождается накоплением им энергии:

We

CV

, при этом на активных элементах устройства теряется такое же количество энергии, т.е. теоретический коэффициент полезного действия устройства при заряде пьезодвигателя составляет 50%.

Разряд сопровождается полной потерей энергии на активных элементах устройства, запасенной пьезодвигателем во время заряда. Это сводит к нулю коэффициент полезного устройства при разряде пьезодвигателя.

Устройство управления пьезодвигателем содержит генератор, инвертор, источники постоянного напряжения, первый и второй выпрямители, последовательно включенные первый делитель, сумматор, усилитель, три последовательно включенных ключа, общие точки которых через первый и второй накопительные элементы соединены соответственно с первым и вторым трансформаторами, параллельно первому и третьему ключам включены соответственно первый и второй эмиттер- ные повторители.

Наличие смещающих источников в цепи пьезодвигателя приводит к увеличению потерь энергии при его заряде. Теоретический коэффициент полезного действия устройства при заряде пьезодвигателя составляет 25%. При разряде пьезодвигателя энергия, запасенная в нем, полностью теряется, что сводит к нулю коэффициент полезного действия устройстве при разрядке.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство управления пьезодвигателем, содержащее последовательно включенные сумматор,

усилитель, амплитудно-импульсный преобразователь, первый выход которого соединен с первым входом преобразователя напряжения, а второй выход - с общей шиной преобразователя напряжения, делите0 ля и пьезодвигателя, выход преобразователя напряжения через реактивный элемент соединен с входом пьезод- вигателя и через делитель - с инвертирующим входом сумматора, неин5 вертирующий вход которого является входом устройства, а выход - через усилитель соединен с входом компаратора, выход которого соединен с первым переключающим входом преобразователя напряжения и че0 рез инвертор - с вторым переключающим входом преобразователя напряжения.

При заряде пьезодвигателя до определенного напряжения не происходит потери энергии на активных элементах устройства,

5 так как токоограничивающим элементом устройства является реактивный элемент, который в процессе заряда периодически запасает энергию и передает в пьезодвига- тель. Теоретический коэффициент полезно0 го действия устройства при заряде пьезодвигателя составляет 100%. Однако при разряде пьезодвигателя энергия, запасенная в нем, полностью теряется на активных элементах устройства. Потери энергии

5 при разряде равны потребленной в процессе заряда устройством энергии от источника питания. Коэффициент полезного действия устройства при разряде пьезодвигателя, так же как и у известных, равен нулю. Практиче0 ский коэффициент полезного действия не превышает 65%.

Цель изобретения - повышение коэффициента полезного действия устройства управления пьезодвигателем.

5 Поставленная цель достигается тем, что в устройство управления пьезодвигателем, содержащее инвертор, амплитудно-импульсный преобразователь, первый выход которого соединен с первым входом преобразователя напряжения, а второй вы0 ход - с общей шиной преобразователя напряжения , делителя и пьезодвигателя. вход которого через делитель соединен с инвертирующим входом сумматора, неинвертирующий вход которого является входом

5 устройства, а выход - через усилитель соединен с входом первого компаратора допол- нительно введены трансформатор/ выпрямитель, второй компаратор, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. ключ, блок определения модуля, широтно-импульсный модулятор, элемент ИЛИ и коммутатор, причем выход первого компаратора соединен с управляющим входом коммутатора и первым входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход которого через второй компаратор соединен с выходом делителя, а выход - через инвертор с первым входом элемента ИЛИ и управляющим входом ключа, информационный вход которого соединен с входом блока определения модуля и выходом усилителя, а выход - с первым входом амплитудно-импульсного преобразователя, второй вход которого соединен с первым выходом выпрямителя, а третий выход - со стробирующим входом широтно- импульсного модулятора, информационный вход которого соединен с выходом блока определения модуля, а выход -. с вторым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен с информационным входом коммутатора, первый и второй выходы, которого соединены соответственно с первым и вторым переключающими входами преобразователя напряжения, выход которого через первичную обмотку трансформатора соединен с входом делителя, вторичная обмотка трансформатора соединена с первым и вторым входами выпрямителя, второй выход которого соединен с общей шиной.

Введение последовательно включенных трансформатора, выпрямителя и определенным образом соединенных блока определения модуля, широтно-импульсного модулятора, элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, элемент ИЛИ, коммутатора, второго компаратора, позволяет повысить коэффициент полезного действия управления пье- зодвигателем при разряде пьезодвигателя за счет предотвращения потерь энергии. Разряд пьезодвигателя осуществляется через первичную обмотку трансформатора, которая является реактивной нагрузкой це-. пи перезаряда. При этом энергия, накопленная пьезодвигателем, через трансформатор, выпрямитель передается в накопительный элемент (конденсатор), находящийся на выходе источника постоянного напряжения, и в дальнейшем используется для заряда пьезодвигателя, тем самым не происходит потерь энергии. Таким образом, в отличие от устройств, у которых при разряде пьезодвигателя запасенная энергия полностью теряется в виде нагрева активных элементов устройства, введение новой совокупности элементов позволяет избежать потерь энергии, что повышает коэффициент полезного действия устройства.

На фиг, 1 показана структурная схема устройства управления пьезодвигателем; на фиг. 2 - временные диаграммы.поясняющие работы устройства, на фиг. 3 - вариант выполнения источника постоянного напряже- 5 ния 18.

Устройство управления пьезодвигателем содержит делитель 1, сумматор 2, усилитель 3, первый 4 и второй 5 компараторы, элементе ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, инвертор

0 7, ключ 8, блок определения модуля 9 со статической характеристикой 11вых я tUexl (ивых - напряжение на выходе блока определения модуля, UBX - на его входе), широтно-импульсный модулятор 10, элемент ИЛИ

5 11, коммутатор 12, амплитудно-импульсный преобразователь 13, преобразователь 14 напряжения, пьезодвигатель 15, трансформатор 16 и выпрямитель 17.

Амплитудно-импульсный преобразова0 тель 13 содержит источник 18 постоянного напряжения, делитель 19, модулятор 20, генератор 21, сумматор 22, первый 23 и второй 24 эмиттерные повторители.

Преобразователь 14 напряжения содер5 жит накопительный элемент 25, трансформатор 26, первый 27 и второй 28 ключи, первый 29, второй 30, третий 31 и четвертый 32 выпрямительные элементы.

Сигнал с выхода делителя 1 поступает,

0 на вход второго компаратора 5 и на инвертирующий вход сумматора 2, на неинвертирующий вход которого, являющийся входом устройства, поступает задающий сигнал. Сигнал с выхода сумматора 2 поступает на

5 вход усилителя 3. Сигнал с выхода усилителя 3 поступает на вход первого компаратора 4, через нелинейный элемент 9 на вход широтно-импульсного модулятора 10 и через последовательно включенные ключ 8, амп0 литудно-импульсный преобразователь 13, преобразователь напряжения 14, первичную обмотку трансформатора 16 на вход делителя 1 и вход пьезодвигателя 15, являющийся выходом устройства, общая шина

5 пьезодвигателя 15 соединена с общей шиной делителя 1, преобразователя 14 напряжения,вторымвыходом амплитудно-импульсного преобразователя 13, вторым выходом выпрямителя 17, пер0 вый и второй вход которого соединен с вторичной обмоткой трансформатора 16, а первый выход - с вторым входом амплитудно-импульсного преобразователя 13.

Сигнал с выхода первого компаратора 4

5 поступает на управляющий вход коммутатора 12 и первый вход элемента 6 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ,на второй вход которого поступает сигнал с второго компаратора 5. Выход элемента 6 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ

соединен через инвертор 7 с управляющим входом ключа 8 и первым входом элемента 11 ИЛИ, на второй вход которого приходит сигнал с широтно-импульсного модулятора 10. Стробирующий вход широтно-импульсного модулятора 10 соединен с третьим выходом амплитудно-импульсного преобразователя 13. Сигнал с выхода элемента ИЛИ 11 поступает на информационный вход коммутатора 12, первый и второй выходы которого соеди- нены соответственно с первым и вторым .переключающими входами преобразователя 14 напряжения.

В качестве блока определения модуля, модулятора в предлагаемом устройстве уп- равления пьезодвигателем могут быть использованы устройства.

Устройство работает следующим образом.

На неинвертирующий вход сумматора 2 поступает задающий сигнал Do, на инвенти- рующий вход - подаваемый на пьезодвига- тель 15 выходной сигнал устройство, прошедший через делитель 1 с коэффициентом передачи Kg. Выходной сигнал U2 (фиг. 2 а) сумматора 2 устанавливается усилителем 3, имеющим коэффициент усиления Ку, и поступает на входы ключа 8, нелинейного элемента 9 и первого компаратора 4, на выходе которого формируется сигнал (фиг. 2 б) лог. 1 при положительном сигнале на выходе усилителя 3 и лог. О - при отрицательном сигнале. На вход второго компаратора 5 через делитель 1 поступает сигнал с выхода устройства. На выходе второго ком- паратора 5 формируется сигнал (фиг. 2, в) лог. 1 при положительном сигнале на выходе устройства и сигнал лог. О - при отрицательном сигнале.

Коммутатор 12 работает следующим об- разом.

При подаче на его управляющий вход сигнала лог. 1 сигнал с информационного входа проходит на первый выход, при подаче сигнала лог. О - на второй выход.

При заряде пьезодвигателя от нуля до некоторого положительного напряжения (участок ti t t2, фиг. 2) на выходах первого и второго компараторов 4 и 5 формируются сигналы лог. Г . На выходе элемента 6 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ формируется сигнал лог. О (фиг. 2 и), соответственно на выходе инвертора 7 - сигнал лог. Г, который вы- зыэает появление сигнала лог. 1 на выходе элемента ИЛИ 11 и открывание ключа 8. На управляющий вход коммутатора 12 поступает сигнал лог. Г, поэтому с выхода элемента ИЛИ 11 сигнал лог. Г поступает на парами (переключающий вход преобразователя 14 напряжения (вход ключа 27, участок

ti t t2, фиг. 2 ж), вызывая его открывание. Сигнал с выхода усилителя 3 поступает на вход модулятора 20, на управляющий вход которого поступают импульсы с генератора 21 (фиг. 2 г). Длительность импульсов tu генератора 21 равна половине периода следования. На выходе модулятора 20 формируется сигнал КУ1)2, если на управляющем входе находится импульс генератора 21 и сигнал - KyU2 при отсутствии управляющего импульса. С «выхода модулятора 20 импульсы с амплитудой поступают на вход сумматора 22, в котором они суммируются с сигналом делителя 19, равным половине питающего напряжения, вырабатываемого источником 18 постоянного напряжения. Пройдя через усилитель тока - эмиттерные повторители 23 и 14, сигнал поступает на первый вход преобразователя 14 напряжения.

Входной сигнал преобразователя 14 напряжения через накопительный элемент 24 (участок ti t t2. фиг. 2 д) поступает на первичную обмотку трансформатора 12, имеющего коэффициент трансформации Кц. Считая, что коэффициент передачи эмиттерных повторителей 23 и 24 равен единице, получим значение амплитуды импульсов на вторичной обмотке первого трансформатора 26

Ky(Uo-Kgl)g).(1)

Однако пьезодвигатель 15 заряжается только положительными импульсами UT, так как открыт только ключ 27. В этом случае пьезодвигатель заряжается по цепи: общая шина - ключ 27 - второй выпрямительный элемент 30 - вторичная обмотка трансформатора 26 - первичная обмотка трансформатора 16 - пьезодвигатель 15 - общая шина. При отрицательном импульсе на вторичной обмотке трансформатора 26 заряд пьезодвигателя продолжается за счет энергии магнитного поля, накопленной первичной обмоткой второго трансформатора 16, по цепи: первичная обмотка трансформатора 16 - пьезодвигатель 15 - ключ 27 - первый выпрямительный элемент 29.

При заряде пьезодвигателя от нуля до некоторого отрицательного напряжения (участок t ta, фиг. 2) на выходах первого и второго компараторов 4 и 5, элемента 6 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ формируются сигналы лог. О, а на выходах инвертора 7, элемента ИЛИ 11 - сигналы лог. 1, ключ 8 открыт. При этом пьезодвигатель заряжается только отрицательными импульсами UT, так как открыт только ключ 28 по цепи: общая шина - ключ 28 - четвертый выпрямительный элемент 32 - вторичная обмотка трансформатоpa 26 - первичная обмотка трансформатора 16 - пьезодвигатель 15 - общая шина. При положительных импульсах заряд продолжается по цепи: первичная обмотка трансформатора 16 - пьезодвигатель 15 - ключ 28 - третий выпрямительный элемент 31.

При выполнении условия Ug UT процесс заряда прекращается, напряжение на пьезодвигателе фиксируется

Ug КуКТ1 (Uo - Kg Ug)(2)

ИЛИ

КуКц

Ug 1 + Ку KTl Kg U°

(3)

т.е. напряжение Ug в установившемся режиме пропорционально задающему напряжению Uo, а выражение (3) эквивалентно уравнению линейного усилителя с коэффициентом передачи охваченного отрицательной обратной связью с коэффициентом.

При заряде пьезодвигателя энергия, потребляемая от источника 18 постоянного на,- пряжения, передается с потерями, обусловленными потерями напряжения на активных составляющих сопротивлений первичной обмотки трансформатора 16, ключей 27 и 28, одного из выпрямительных элементов, вторичной обмотки трансформатора 26. Данные сопротивления могут быть уменьшены путем рационального выбора элементов схемы. Их минимальные значения не ограничены. Поэтому при стремлении их к нулевому значению потери энергии при заряде пьезодвигателя также стремятся к нулю. Это свидетельстзует о высоком коэффициенте полезного действия устройства при заряде пьезодвигателя. При заряде пьезодвигателя 15 максимальное допустимое напряжение, подаваемое на вход амплитудно-импульсного преобразователя 13, для

его работы в линейном режиме составляет± -п

(Е - напряжение источника 18 постоянного напряжения. При этом на его выходе формируются импульсы амплитудой - V3, где

Va - падение напряжения на эмиттерном повторителе. Соответственно на первичную обмотку трансформатора 16 поступают импульсы амплитудой К у V3) Кц VR, где

VR - падение напряжения на активных элементах цепи заряда пьезодвигателя. Для того чтобы трансформатор 16 при заряде пьезодвигателя 15 представлял собой чистый дроссель, его вторичная обмотка должна быть не нагружена, т.е. выпрямленное напряжение вторичной обмотки трансформатора 16 должно быть меньше напряжения

источника 18 постоянного напряжения. Поэтому должно выполняться неравенство

(| - V8) KT1-VR KT2 КВ Е.(4)

где Кт2 - коэффициент трансформации трансформатора 16;

Кв - коэффициент передачи выпрямителя 17,

Неравенство (4) позволяет определить Кмакс максимальный коэффициент трансформации трансформатора 16

(5)

(f - V3) KTI - VR KB

15 При разряде пьезодвигателя из некоторого положительного напряжения до нуля (участок t2 t 13, фиг. 2} сигналы на выходах первого и второго компараторов 4 и 5 не совпадают друг с другом, что ведет к появ20 лению на выходе элемента 6 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ сигнала логической единицы. При этом сигнал логического нуля с выхода инвертора 7 поступает на первый вход элемента 11 ИЛИ и на управляющий вход ключа

25 8, запирая его. На выходе широтно-импуль- сного модулятора 10 формируются импульсы (фиг, 2 е) постоянной частоты, что обеспечивается подачей на его стробирую- щий вход импульсов с выхода генератора

30 21, и длительностью, пропорциональной амплитуде модуля выходного сигнала усилителя 3, получаемого на выходе нелинейного элемента 10. В этот момент на управляющий вход коммутатора 12 подается сигнал

35 логического нуля. Поэтому импульсы с выхода широтно-импульсного модулятора, пройдя через элемент ИЛИ 11 поступают на второй переключающий вход преобразователя 14 напряжения (управляющий вход

40 ключа 27 участок tz t ta, фиг. 2 з). Это обеспечивает периодическое открывание ключа 28 и разряд пьезодвигателя 15 по цепи: пьезодвигатель 15- первичная обмотка трансформатора 16 - третий выпрями45 тельный элемент 31 -ключ 28-общая шина. При разряде пьезодвигателя из некоторого отрицательного напряжения до нуля (участок t ti, фиг. 2) на выходах элемента 6 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и первого компарэ50 тора 4 формируются сигналы лог. ед., а на выходе второго компаратора 5 сигнал логического нуля. При этом импульсы с выхода широтно-импульсного модулятора 10, пройдя через элемент ИЛИ 11 и коммутатор 12.

55 поступают на первый переключающий вход преобразователя 14 напряжения (управляющий вход ключа 27 участок, фиг. 2 ж). Разряд пьезодвигателя 15 осуществляется по цепи: пьезодвигатель 15-первичная обмотка второго трансформатора 16 - первый выпрямительный элемент 29 - ключ 27 - общая шина. При выполнении условия Ug - UT процесс разряда прекращается, напряжение на пьезодвигателе фиксируется

Ug - Kg Km (Uo - Kg Ug)(6)

или

-lAfaH.W

где Km - коэффициент пропорциональности напряжение-скважность широтно-импульс- ного модулятора 10.

Если выбрать Km Kn , то устройство при разряде представляет собой также усилитель с коэффициентом передачи Ку Кц охваченный отрицательной обратной связью с коэффициентом Kg.

При разряде пьезодвигателя 15 происходит периодическое открывание одного из ключей 27 или 28. В моменты, когда один из ключей открыт, энергия электрического поля пьезодвигателя 15 преобразуется в энергию магнитного поля первичной обмотки второго трансформатора 16. При запирании ключа возникают экстратоки размыкания, которые наводят в первичной обмотке трансформатора 16 противо-ЭДС самоиндукции. Эта противо-ЭДС, наведенная в первичной обмотке трансформатора 16, передается через его вторичную обмотку и выпрямитель 17 в конденсатор, находящийся на выходе источника 18 постоянного напряжения (фиг. 3). Энергия, запасенная в конденсаторе блока 18 при разряде пьезодвигателя 15, в дальнейшем используется при его заряде. Таким образом, полный цикл заряда - разряда пьезодвигателя 15 представляет собой преобразование энергии источника 18 в энергию заряда пьезодвигателя и обратное преобразование энергии заряда пьезодвигателя (при его разряде) в энергию заряда конденсатора, включенного на выходе источника. Источник 18 и пьезодвигатель 15 как бы обмениваются энергией. При уменьшении активных сопротивлений цепей преобразователя 14 напряжения, второго трансформатора 16 и выпрямителя 17 потери в процессе обмена энергией снижаются и в пределе стремятся к нулю. Это свидетельствует о высоком коэффициенте полезного действия устройства, который в пределе стремится к 100%. Коэффициент полезного действия известного устройства не превышает 65%.

Предлагаемое устройство управления пьезодвигателем испытано при управлении пьеэодвигателем емкостью 1 мкф и имеет следующий технические характеристики: входное напряжение ±5 В; выходное напря

жение + 300 В; средний ток заряда пьезодвигателя 0,3 А; практический коэффициент полезного действия 86%.

Экономический эффект от применения

предлагаемого устройства управления пьезодвигателем обусловлен большим коэффициентом полезного действия, что приводит к уменьшению затрат на электроэнергию при использовании устройства с одновременным снижением мэссогабаритных показателей разработанного оборудования.

Формула изобретения Устройство управления пьезодвигателем, содержащее инвертор, амплитудно-импульсный преобразователь, первый выход которого соединен с первым входом преобразователя напряжения, второй выход - с общей шиной, к которой подсоединены преобразователь напряжения, делитель и пьезодвигатель, вход которого через делитель соединен с инвертирующим входом сумматора, неинвертирующий вход которого является входом устройства, выход через

усилитель соединен с входом первого компаратора, отличающееся тем, что, с целью повышения КПД устройства, в него дополнительно введены трансформатор, выпрямитель, второй компаратор, элемент

ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, ключ, блок определения модуля, широтно-импульсный модулятор, элемент ИЛИ и коммутатор, причем выход первого компаратора соединен с управляющим входом коммутатора и первым

входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход которого через второй компаратор соединен с выходом делителя, а выход через инвертор - с первым входом элемента ИЛИ и управляющим входом ключа, информационный вход которого соединен с входом блока определения модуля и выходом усилителя, а выход - с первым входом амплитудно-импульсного преобразователя, второй вход которого соединен с первым

выходом выпрямителя, а третий выход - со стробирующим входом широтно-импульс- ного модулятора, информационный вход которого соединен с выходом блока определения модуля, а выход - с вторым

входом элемента ИЛИ, выход которого соединен с информационным входом коммутатора, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым переключающими входами преобразователя напряжения, выход которого через первичную обмотку трансформатора соединен с входом делителя, вторичная обмотка трансформатора соединена с первым и вторым входами выпрямителя, второй выход которого соединен с общей шиной.

в

Изобретение управления пьезодвигате- лем может быть использовано в прецизион- ных системах микроперемещений, например, в экспериментальной медицине, в технологическом оборудовании. Устройство позволяет при разряде пьезодвигателя сохранить его энергию, что обеспечивает повышение КПД устройства. При разряде пьезодвигателя 15 происходит периодическое открывание одного из ключей 27 или 28. В моменты, когда один из ключей открыт, энергия электрического поля пьеэод- вигателя 15 преобразуется в энергию магнитного поля первичной обмотки второго трансформатора 16. При запирании ключа возникают экстратоки размыкания, которые наводят в первичной обмотке второго трансформатора 16 противо-ЭДС самоиндукции. Эта противо-ЭДС, наведенная в первичной обмотке трансформатора 16, передается им через выпрямитель 17 в накопительный элемент источника постоянного напряжения 18. Энергия, запасенная накопительным элементом при разряде пьезодвигателя 15, в дальнейшем используется при его заряде. 3 ил. Ј

Ч nr LI

грпппппппппппппппппппппппппппп

э

ЯП И П1ПППППППП II I ПППППППГ1ПППП

I ИОПП П

I

и

|ИЯПП11Е

I ДППППППГТ

I

л

4УППППП.

CufloEou

ff1/Xr#&f OpritЈf#fCp

#OCMOJWt/o26

напряжения te

Сеть

nepeMeAWtt, toottcf

Выпряги/тельный

MOCHi

Накопительный элемент

Ъ-.

I

Фиг. З