Пьезоэлектрический манипулятор с импульсным управлением Советский патент 1992 года по МПК B25J13/00 

Фиг.1

Изобретение относится к станкостро ению и робототехнике и может быть использовано в технологических процессах производства микросхем, в адаптивной оптике, для прецизионного позиционирования оптических волокон

Цель изобретения - упрощение пьезоэлектрического манипулятора.

На фиг. 1 изображена функциональная схема пьезоэлектрического манипулятора с импульсным управлением; на фиг.2 - импульсный метод формирования напряжения на пъезоэлементе; на фиг 3 - алгоритм управления позиционированием пьезоприво- дов.

Выход микроЭВМ 1 (фиг 1) подключен к устройства 2 преобразования цифрового кода во временной интервал, которое состоит из тактового генератора 3, двоичного счетчика 4 и двух сумматоров 5 и 6 Тактовый генератор 3 подключен к счетному входу двоичного счетчика 4, выходы которого соединены с входами А сумматоров 5 и 6, входы В которых подключены к порту ввода-вывода микроЭВМ 1 Выходом устройства 2 преобразования цифрового кода во временной интервал являются выходы переноса сумматоров 5 и 6 Выход переноса сумматора 5 соединен с вторым входом буферных ключей 8, 16, а выход переноса сумматора б - с вторым входом буферных ключей 9, 17. Буферные ключи 8, 9, 16, 17 представляют собой логические элементы И-НЕ с открытым коллектором Выходы буферных ключей 8 и 9 через резисторы 13 и 14 подключены к эмиттеру высоковольтного транзистора 12 управляемого токового ключа 10, а выходы буферных ключей 16 и 17 через резисторы 21 и 22 подключены к эмиттеру высоковольтного транзистора 20 управляемого токового ключа 18 Коллекторы транзисторов 12, 20 через резисторы 11,19 соединены с высоковольтным источником питания. Высоковольтныетоковые ключи 10 и 18 собраны по схеме с общей базой, управление ими осуществляется по цепи эмиттера, а на базу подается фиксированный потенциал Don. Инвертор 7, представляющий собой логический элемент И-НЕ, является коммутирующим устройством, его вход подключен к порту ввода-вывода микроЭВМ и первому входу буферных ключей 8 и 9, а выход - к первому входу буферных ключей 16 и 17

Пьезоэлектрический элемент 15 представляет собой консольно закрепленный биморфный пьезоэлектрический элемент, являющийся приводом линейного перемещения, один его вывод соединен с коллектором транзистора 12 высоковольтного

токового ключа 10 а другой с коллектором транзистора 20 высоковольтного токового ключа 18

Устройство работает следующим образом

Биморфный пьезоэлектрический элемент 15 (ПЭ), укрепленный в корпусе манипулятора, является приводом линейного перемещения. С помощью микроЭВМ зада0 ется программа его перемещений

Управляющий цифровой код от микро- ЭВМ 1 (фиг.1) поступает на вход устройства преобразования цифрового кода во временной интервал 2 Рассмотрим подробно рабо5 ту этого блока.

На входы А сумматоров 5 и 6 поступает двоичное число со счетчика 4, а на входы В - двоичное число с выхода микроЭВМ 1. Когда сумма двух чисел, поступающих на ин0 формационные входы сумматора будет больше (2п-1), где п - число разрядов в данном случае , сумматор будет переполнен и выход переноса сумматора перейдет из состояния О в состояние 1, в котором он

5 будет находиться до переполнения счетчика 4 Так как счетчик имеет 4 разряда и с выхода микроЭВМ на каждый из сумматоров поступает 4-разрядНый цифровой код, то каждый из этих узлов в отдельности не мо0 жет переполнить 4-разрядный сумматор Двоичное число на выходе счетчика 4 изменяется от 0 до(2п-1) При этом в зависимости от величины двричного числа на выходе микроЭВМ момент переполнения суммато5 ра наступает раньше или позже, т е ширина импульса изменяется при перемещении переднего фронта, а момент окончания импульса фиксирован и определяется моментом переполнения двоичного счетчи0 ка 4.

Таким образом, на выходе переноса сумматоров формируется последовательность импульсов постоянного периода -Т, где п - число двоичных разрядов

5 счетчика 4, а Т - период следования импульсов тактового генератора 3, при этом длительность импульсов tn определяется цифровым кодом микроЭВМ.

Управляющий цифровой код от микро0 ЭВМ поступает на входы В сумматоров 5 и б, причем четыре старших разряда поступают на сумматор 6, а четыре младших - на сумматор 5 При этом на выходе переноса сумматора 6 формируется последователь5 ность импульсов, длительность которых при заданном периоде следования импульсов пропорциональна цифровому коду четырех старших разрядов микроЭВМ, а на выходе сумматора 5 - последовательность импульсов с длительностью пропорциональной

цифровому коду четырех младших разрядов микроЭВМ.

Эти импульсы через соответствующие элементы И-НЕ с открытым коллектором 8, 9, 16, 17 и токозадающие резисторы 13, 14, 21, 22 поступают на эмиттеры высоковольтных транзисторов 12, 20 токовых ключей 10, 18 и управляют их работой.

Из двух высоковольтных токовых ключей 10 и 18 всегда один находится в рабочем состоянии, другой заперт. Это определяется знаковым разрядом микроЭВМ. Если на выходе знакового разряда микроЭВМ 1, то на выходе инвертора 7 О, тогда импульсы через буферные ключи 8 и 9 поступают на вход токового ключа 10 и управляют его работой. При этом выходные транзисторы буферных кл ючей 16, 17 заперты, ток эмиттера транзистора 20 отсутствует, следовательно, транзистор 20 заперт. Если на выходе микроЭВМ О, тогда на выходе инвертора 7 1, токовый ключ 18 является рабочим, а токовый ключ 10 заперт.

Пьезоэлектрический элемент 15, подключенный к коллекторам транзисторов токовых ключей 10 и 18, обладает электрической емкостью Спэ, его заряд осуществляется, через открытый токовый ключ постоянным током при отрицательном управляющем импульсе на эмиттере транзи- стора рабочего токового ключа, разряд емкости осуществляется постоянно через сопротивления 11 и 19.

Импульсный метод формирования напряжения на пьезоэлементе представлен на фиг,2. Пусть на первом входе логического элемента И-НЕ 1 (фиг.2а) уро.вень единицы, а на первом входе логического элемента И-НЕ 2 - уровень нуля, при этом токовый ключ на транзисторе VT1 является рабо- чим, а токовый ключ на транзисторе VT2 заперт. На вторые входы элементов 1 и 2 поступает последовательность импульсов заданного периода Т0 и длительностью 1и. определенной микроЭВМ..

ляется постоянным током 10/2 через открытый токовый ключ в течение времени tM.

Разряд емкости пьезоэлемента осуществляется постоянно в течение всего периода Т0 через сопротивления RK1, Rx2.

При выборе достаточно высокой частоты управляющих импульсов Т0« т3 . Т0 « тр. где гэ - постоянная времени цепи заряда, Тр- постоянная времени цепи разряда, напряжение на емкости Спэ возрастает постепенно (фиг.2б), с приходом очередного импульса пьезоэлемент получает новую порцию заряда.

Причем ток заряда 3 постоянен и равен 10/2, а ток разряда 1Р определяется напряжением на пьезоэлементе BQ-Una и сопротивлениями RKi, , через которые осуществляется разряд

Una

2 Rk

(1)

В начале процесса заряда емкость пьезоэлемента Ip « 3 . так как определяется малым уровнем напряжения на пьезоэлементе Una.

Напряжение на пьезоэлементе за время действия одного импульса равно

U3

1о1и

2 Сг

(2)

С приходом очередного импульса напряжение на пьезоэлементе увеличивается и с ростом Una возрастает 1Р, определяемый по формуле (1), Ток разряда возрастает до тех пор, пока на пьезоэлементе не установится режим, при котором напряжение заряда U3 за период и напряжение разряда Up за период не равны (фиг.2б).

В установившемся режиме

о,э Qp,

о

ГДе Ца 3 tM - Т.и

заряд емкости пье

Применение: для прецизионного позиционирования оптических волокон и технологических процессов производства микросхем, а также для адаптивной оптики. Сущность изобретения: пьезоэлектрический манипулятор содержит микроЭВМ1, устройство 2 преобразования цифрового кода во временной интервал, состоящее из тактового генератора 3, двоичного счетчика 4, сумматоров 5,6, а также буферные ключи 8,9,16, 17, резисторы 13,14, 21, 22, инвертор 7, токовые ключи 10,18, состоящие из высоковольтных транзисторов 12 и 20 соответственно, а также резисторов 11 и 19 соответственно, пьезоэлектрический элемент 15. 3 ил.

Ток открытого транзистора 10 постоянен

1о Ь (иэп - U БЭ)/КЭ const,

где ia ток эмиттера транзистора VTI;

Кбэ- напряжение на эмиттерном переходе VT1.

Когда транзистор VT1 открыт, ток 0 рас- пределяется между цепью резистора и цепью RK2, пьезоэлемент BQ. При этом токи в этих цепях равны. Таким образом, заряд емкости пьезоэлемента BQ Спэ осуществзоэлемента при действии импульса t и;

qp 1рТ0 - заряд, стекающий с емкости пьезоэлемента во время его разряда Т0.

Используем формулы для q3 , qp и формулу для Ip (1), тогда

lo . Una. т

отсюда определяем величину постоянного напряжения на пьезоэлементе

Una - loRic :f- , о

(3)

где - - коэффициент заполнения управля- То

ющих импульсов.

Ток открытого транзистора 0 для данной схемы - величина постоянная, тогда, как следует из (3) величиной напряжения на пьезоэлементе можно управлять, изменяя коэффициент заполнения управляющих имТипульсов - , т.е. управлять чисто цифровыТо

ми методами за счет изменения среднего времени открытого состояния токового ключа.

Влияние пульсаций напряжения (фиг/26) на точность перемещения пьезоэле- мента мало, это обусловлено тем, что при выборе достаточно высокой частоты управляющих ИМПУЛЬСОВ Т0 « Спэ(Нк1 + Кк2).

Т0« 1/fp, где Слэ(Рк1+Рк2) - постоянная времени разряда пьеэоэлемента, fp - частота основного резонанса ПЭ, амплитуда пульсаций на пьезоэлектрическом элементе становится пренебрежимо малой (десятые доли процента), а частота пульсаций лежит много выше частоты основного резонанса.

Время установления напряжения на пьезоэлементе tyCT. (фиг.26) мало и не оказывает существенного влияния на работу устройства.

Анализ данной схемы можно провести также на постоянном токе в установившемся режиме.

Схему (фиг.2а) представим в виде четы- рехплечего моста, двумя плечами которого являются внутренние сопротивления транзисторов VT1, VT2, а двумя другими - резисторы Rid, Rk2. К одной диагонали моста подключено напряжение источника питания Еп , а к другой - пьезоэлектрический элемент BQ. В исходном состоянии ключи заперты, плечи схемы симметричны (транзисторы идентичны, а ), то начальные токи покоя транзисторов одинаковы. При этом напряжения на коллекторах транзисторов VT1, VT2 рав ны, поэтому разность потенциалов между коллекторами, т.е. напряжение на емкости пьезоэлектрического элемента равно нулю, Пусть токовый ключ на транзисторе VT1 является рабочим, а токовый ключ на транзисторе VT2 заперт, в установившемся режиме емкость пьезоэле- мента Спэ зарядилась до некоторого значения, тогда з 0. При этом на коллекторе запертого транзистора VT2 без учета влияния начального тока покоя транзистора напряжение U«2 равно напряжению питания Еп. На коллекторе рабочего транзистора VT1 напряжение UK1 равно

UKI - Еп - locp RK .

При импульсном характере тока

I I И

locp - lo I о

где locp - среднее значение тока, tM

- коэффициент заполнения импуль10

сов;

t0 - ток открытого транзистора VT1. Тогда постоянное напряжение на пьезоэлементе равно

1)пэ UK2 -иК1 Еп (ЕП - 10Рк1 ) 10Кк1 |

1и о

20

т.е.

Una - loRtc

1я

То

(4)

25Формула (4) соответствует формуле (3)

Изменять величину напряжения на пьезоэлементе можно, изменяя длительность управляющего импульса tM при заданном периоде следования управляющих им3® пульсов Т0.

Для устройства (фиг 1) формула (4) имеет вид

Uns (lo tn + ID V)

R

То

(5)

где lo -определяется токозадающим резистором 14 или 22;

lo - определяется токозадающим резистором 13 или 21;

t и - длительность импульсов, формируемых на выходе сумматора 6, которая пропорциональна цифровому коду четырех старших разрядов микроЭВМ;

t и -длительность импульсов, формируемых на выходе сумматора 5, которая пропорциональна цифровому коду четырех младших разрядов микроЭВМ;

Т0 - период следования импульсов;

RK - коллекторное сопротивление транзисторов.

Резисторы 13, 21 в шестнадцать раз больше резисторов 14, 22, тогда ток 0 в шестнадцать раз больше тока 0 ,

Четыре старших разряда микроЭВМ поступают на входы В сумматора 6 и определяют 2П (где п - число разрядов сумматора, равное 4), т.е. 16 градаций длительности

импульса t-и на выходе переноса сумматора 6, что определяет 16 градаций уровня напряжения на пьезоэлементе BQ

Una - о Рк

Хи

То

Четыре младших разряда поступают на сумматор 5 и определяют 2, г е. 16 градаций длительности импульса т.и на выходе переноса сумматора 5

U I О пэ - 1о

liL

Т„

Ток 0 в 16 раз меньше тока 0 , таким образом 4 младших разряда микроЭВМ определяют разбиение каждого уровня напряжения на пьезоэлементе на t6 подуровней, В результате получаем общее количество уровней выходного напряжения, равное 256.

Введение в устройство двух высоковольтных токовых ключей (фиг.1) позволяет увеличить максимальный диапазон перемещений биморфного пьезоэлемента (БПЭ) при заданном напряжении высоковольтного источника питания Если токовый ключ 10 является рабочим, а токовый ключ 18 - заперт, то заряд емкости пьезоэлемента 15 осуществляется по цепи +ЕП, резистор 19, пьезоэлемент 15, транзистор 12, резистор 13, 14, а разряд происходит постоянно через резисторы 11,19 При этом на пьезоэлементе формируется напряжение указанной на фиг,1 (без скобок) полярности и величины, заданной микроЭВМ. При этом БПЭ отклонится на величину, определяемую этим напряжением. Если управление осуществляется токовым ключом 18, а токовый ключ 10 заперт, то сформированное на пьезоэлементе напряжение имеет противоположную полярность, и БПЭ отклонится от начального положения в противоположную сторону. Таким образом обеспечивается удвоение максимального диапазона перемещений при заданном напряжении источника питания.

Приводится алгоритм управления позиционированием пьезопривода (фиг 3).

В порт вывода микроЭВМ в соответствии с программой в определенной посяедо- вательности выводятся управляющие коды и осуществляется их временная задержка.

5 Управляющий код включает в себя знаковый разряд микроЭВМ, определяющий рабочий токовый ключ. Каждому управляющему коду соответствует определенное положение пьезопривода. Таким образом осуществля10 ется позиционирование пьезопривод а по заданной программе

Формула изобретения Пьезоэлектрический манипулятор с им15 пульсным управлением, содержащий пьезоэлектрический элемент, установленный в корпусе манипулятора, высоковольтный источник питания, микроЭВМ, отличающийся тем, что, с целью упрощения

20 устройства, в него введены тактовый генератор, двоичный счетчик, причем счетный вход двоичного счетчика подключен к выходу тактового генератора, два сумматора, входы А которых соединены с выходом дво25 ичного счетчика, а входы В соединены с выходом микроЭВМ, инвертор, два высоковольтных токовых ключа, четыре буферных ключа, четыре резистора, причем вход инвертора подключен к выходу микроЭВМ и

30 первому входу первого и второго буферных ключей, выход инвертора подключен к первому входу третьего и четвертого буферных ключей, выход переноса первого сумматора соединен с вторым входом первого и треть35 его буферных ключей, а выход переноса второго сумматора соединен с вторым входом второго и четвертого буферных ключей, выходы первого и второго буферных ключей через резисторы подключены к эмиттеру

40 транзистора первого высоковольтного токового ключа, коллектор которого соединен с одним выводом пьезоэлектрического элемента и через коллекторное сопротивление с высоковольтным источником питания, вы45 ходы третьего и четвертого буферных ключей через резисторы подключены к эмиттеру транзистора второго высоковольтного токового ключа, коллектор которого соединен с другим выводом пьезоэлемента и

50 через коллекторное сопротивление с высоковольтным источником питания.

f Начало Л

Загрузка библиотеки ffoooo положений

Цикл i от 1 до N

Г

Вычисление кода управления для 1-го положения .

Вывод кода управления в порт выбода для i-го положения

I

Вы зоо поапрог- граммы временной задержка.