Исполнительный механизм микроперемещений Советский патент 1992 года по МПК G05D3/00 

Предложенное устройство относится к средствам автоматики и может использоваться в качестве исполнительного механизма высокоточных микроперемещений для регулирования и поднастройки положе- ниг подвижных звеньев технологических и приборных систем

Известен исполнительный механизм микроперемещений 1, состоящий из электромеханического исполнительного устройства, оснащенного пьезопакетом, и блока управления. Недостатками известного устройства являются нелинейность статической характеристики и нестабильность

микроперемещений из-за гистерезиса и ползучести пьезокерамики, а также влияния инструментальных и внешних факторов.

Наиболее близким к изобретению техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является задатчик микроперемещений 2, в котором для повышения линейности и стабильности использован датчик положения подвижного штока зэдат- чи ка, конструктивно встроенный в электро- Mex fn ejcfbe исполнительное устройство. При этом управляющее напряжение на пье- зопакет формируется пропорционально сигналу ошибки между задающим сигналом и сигналом с датчика положения подвижного штока. Для получения высокой линейности и стабильности необходимо, чтобы коэффициент усиления разомкнутой цепи задатчика микроперемещений составлял 40-69 дБ. Однако увеличение коэффициента усиления до требуемых значений связано со значительными трудностями обеспечения устойчивости и качества переходного процесса. Последнее объясняется тем, что основные инерционные звенья задатчика имеют примерно одинаковые постоянные времени, причем пьезопакет с подвижным штоком образует колебательное звено с большим значением показателя колебательности частотной характеристики. Дополнительное запаздывание в системе обусловлено также гистерезисной характеристикой пьезопакета. Таким образом, получение требуемых значений коэффициента усиления возможно лишь в области низких частот, что ограничивает частотный диапазон регулирования, Введение же воздействия по производной хотя и расширяет частотный диапазон регулирования, однако значительно снижает запас устойчивости.

Целью настоящего изобретения является повышение статической и динамической точности регулирования положения подвижного штока исполнительного механизма микроперемещений.

Сущность изобретения заключается в следующем, Исполнительный механизм микроперемещений содержит электромеханическое исполнительное устройство, выполненное в виде установленного в корпусе пьезопакета с подвижным штоком или соос- ным ему датчиком положения подвижного штока, а также блок управления, включающий задатчик перемещения подвижного штока, дифференциальный усилитель сигнала ошибки положения подвижного штока, подключенный первым входом к выходу задатчика перемещения подвижного штока, высоковольтный усилитель напряжения, вход которого подключен к выходу дифференциального усилителя сигнала ошибки положения подвижного штока, и измерительный преобразователь, связанный с датчиком положения подвижного штока и

подключенный выходом ко второму входу дифференциального усилителя сигнала ошибки положения подвижното штока.

Поставленная цель изобретения достигается тем. что пьезопакет выполнен в виде

0 набора отдельных секций из многослойной пьезокерамики, установленных последовательно и изолированных друг от друга с помощью прокладок. Каждая секция пьезопакета, кроме последней, снабжена

5 датчиком положения отсчетной поверхно- . сти секции относительно ее базовой поверхности, для чего неподвижный чувствительный элемент датчиков положения закреплен в основании секции, а подвижный чув0 ствительный элемент закреплен на .прокладке, установленной на отсчетной поверхности секции. При этом выход высоко- вольтного усилителя напряжения подключен к обкладкам пьезоэлементов

5 первой секции пьезопакета. Таким образом, первая секция пьезопакета входит в основной контур регулирования положения подвижного штока и работает по ошибке между задающим воздействием и сигналом

0 с датчика положения подвижного штока. Вторая и последующие секции пьезопакета служат для повышения качества регулирования основного контура.

Для этого блок управления оснащен до5 полнительными измерительными преобразователями, каждый из которых связан с датчиком положения отсчетной поверхности соответствующей секции, т.е. первый дополнительный измерительный преобра0 зователь связан с датчиком положения от- счетной поверхности первой секции, второй дополнительный измерительный преобразователь - с датчиком положения второй секции и так далее. Кроме того, блок управ5 ления оснащен дополнительными дифференциальными усилителями, к выходу каждого из которых подключен дополнительный высоковольтный усилитель напряжения, причем выход первого дополнитель0 ного высоковольтного усилителя подключен к обкладкам пьезоэлементов,второй секции, выход второго дополнительного высоковольтного усилителя - к обкладкам пьезоэлементов третьей секции и т.д. с

5 подключением последнего дополнительного высоковольтного усилителя к обкладкам пьезоэлементов последней секции пьезопакета. Первый вход первого дополнительного дифференциального усилителя подключен к выходу измерительного преобразователя

первой секции, а второй вход этого усилителя подключен к выходу дифференциального усилителя сигнала ошибки положения подвижного штока в основном контуре регулирования. Таким образом, на выходе первого дополнительного дифференциального усилителя формируется сигнал ошибки первой секции, который отрабатывается пьезоэле- ментами второй секции. Второй дополнительный дифференциальный усилитель связан своими входами соответственно с выходом измерительного преобразователя второй секции и выходом первого дополнительного дифференциального усилителя. На его выходе формируется сигнал ошибки положения второй секции, который подается и отрабатывается пьезоэлементамитретьей секции. Каждый последующий дополнительный дифференциальный усилитель формирует сигнал ошибки соответствующей секции, который отрабатывается пьезоэлементами следующей секции. Пьезоэлементы последней секции отрабатывают сигнал ошибки предпоследней секции.

Повышение статической точности регулирования положения подвижного штока исполнительного механизма связано с тем. что частичная линеаризация и стабилизация характеристик элементов исполнительного тракта основного контура регулирования (высоковольтный усилитель напряжения - первая секция пьезопакета) достигается корректирующим действием второй секции пьезопакета, работающей по ошибке положения первой секции. В свою очередь, ошибки положения второй секции корректируются с помощью третьей секции. Так как максимальная ошибка каждой секции из-за нелинейности и нестабильности составляет порядка 0,35 (30%), где S -диапазон перемещений, то при наличии одной основной и одной корректирующей секции суммарная ошибка будет составлять уже 0,3 (0,3S)0,09 (9%), в случае двух корректирующих секций 0.3(0,09S)0,027 (2,7%), в общем

Д

случае у0 П Xi, где у, - приведенная погрешность секции, у0 - приведенная погрешность пьезопакета. Благодаря корректирующему действию вспомогательных секций коэффициент усиления разомкнутой цепи основного контура регулирования может быть значительно уменьшен, в частности для трехсекционно- го пьезопакета (один основной - два корректирующих) более чем в 10 раз. Это не только повышает запас устойчивости, но и улучшает качество переходного процесса

(снижение перерегулирования). Повышение динамической точности регулирования связано с тем, что наличие корректирующих секций обеспечивает, во-первых, частичную

компенсацию инерционности, обусловленной емкостными свойствами пьезоэлемен- тов (подьем АЧХ разомкнутой цепи основного контура регулирования), и, во- вторых, уменьшение фазового сдвига из-за

0 гистеризиса и влияния инерционности элементов. Это позволяет расширить частотный диапазон исполнительного механизма, уменьшить время переходного процесса без увеличения коэффициента усиления ра5 зомкнутой цепи основного контура регулирования.

На чертеже показан пример выполнения исполнительного механизма микроперемещений с трехсекционным пьезопаке0 том

Он состоит из электромеханического исполнительного устройства и блока управления. Электромеханическое исполнительное устройство содержит трехсекционный

5 пьезопакет, включающий первую 1, вторую 2 и третью 3 секции пьезоэлементов, изолированных между собой прокладками 4 и 5, подвижный шток 6, датчик положения 7 подвижного штока, датчики положения 8, 9

0 отсчетной поверхности первой и второй секций соответственно, а также элементы корпуса 10. Блокуправления включаетзадатчик перемещения 11 подвижного штока, измерительный преобразователь 12 сигнала с

5 датчика положения подвихшого штока, измерительные преобразователи 13,14 сигналов с датчиков положения отсчетной поверхности первой и второй секций пьезо- элемонтов соответственно, дифференци0 альный усилитель 15 сигнала ошибки положения подвижного штока, дифференциальные усилители 16 и 17 сигналов ошибки положения отсчетиой поверхности первой и второй секций соответственно, вы-

5 сокрвольтные усилители напряжения 18, 19 и 20 для каждой из секций пьезопакета.

Исполнительный механизм микроперемещений работает следующим образом. Требуемое перемещение подвижного

0 штока б задается с помощью задатчика 11, подключенного к одному из входов дифференциального усилителя 15. На второй вход дифференциального усилителя 15 поступает сигнал измерительной информации с дат5 чика положения подвижного штока 6, преобразованный измерительным преобразователем 12. В результате сравнения задающего и выходного сигналов на выходе дифференциального усилителя 15 формируется сигнал ошибки положения подвижного

штока, который усиливается высоковольтным усилителем напряжения 18 и отрабатывается пьезоэлементами первой секции пьезопакета. Так работает основной контур регулирования положения подвижного штока. Вторая и третья секции пьезопакета служат для повышения качества регулирования основного контура Последнее достигается использованием установленных в первой и второй секциях датчиков положения отсчст- ных поверхностей этих секций 8 и 9. Сигнал измерительной информации с датчика положения отсчетной поверхности первой секции 8 после преобразования измерительным преобразователем 13 поступает на один из входов дифференциального усилителя 16, на второй вход которого поступает выходной сигнал с дифференциального усилителя 15, являющийся задающим сигналом для первой секции На выходе дифференциального усилителя 16 формируется сигнал ошибки положения огсчетной поверхности первой секции, который после усиления высоковольтным усилителем 19 подается для отработки на пьезоэлементы второй секции. В свою очерель, сигнал ошибки положения отсчетной поверхности второй секции, формируемый с помощью датчика положения 9, измерительного преобразователя 14 и дифференциального усилителя 17, подключенного одним из входов к выходу дифференциального усилителя 16. поступает для отработки на высоковольтный усилитель 20 и далее на пьезоэлементы третьей секции.

Благодаря корректирующему действию пьезоэлемёнтов второй и третьей секций значительно повышается запас устойчивости, а также статическая и динамическая точность регулирования положения подвижного штока основным контуром регулирования.

Ф,ормула изобретения Исполнительный механизм микроперемещений, содержащий электромеханическое исполнительное устройство, выполненное в виде установленного в корпусе пьезопакета с подвижным штоком и соос- ным ему датчиком положения подвижного штока, а также блок управления, включающий задатчик перемещения подвижного штока, дифференциальный усилитель сигнала ошибки положения подвижного штока, подключенный первым входом к выходу задатчика перемещения подвижного штока, высоковольтный усилитель напряжения, вход которого подключен к выходу дифференциального усилителя сигнала ошибки

положения подвижного штрека, и измерительный преобразователь, связанный с датчиком положения подвижного штока и подключенный выходом к второму входу дифференциального усилителя сигнала

ошибки положения подвижного штока, отличающийся тем, что, с целью повышения статической и динамической точности, пьезопакет выполнен в виде набора отдельных секций из многослойной пьезокерамики, установленных последовательно и изолированных друг от друга с помощью прокладок, причем каждая секция пьезопакета, кроме последней, снабжена датчиком положения отсчетной поверхности секции

относительно ее базовой поверхности, причем неподвижный чувствительный элемент датчиков положения отсчетной поверхности секции закреплен на прокладке в основании секции, а подвижный чувствительный элемент закреплен на прокладке, установленной на отсчетной поверхности секции, блок управления оснащен дополнительными измерительными преобразователями, каждый из которых связан с датчиком положения

отсчегной поверхности соответствующей секции, дополнительными дифференциальными усилителями, первый вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего дополнительного измерительного преобразователя, дополнительными высоковольтными усилителями напряжения, каждый из которых подключен входом к выходу соответствующего дополнительного дифференциального усилителя, выход высоковольтного усилителя напряжения подключен к обкладкам пьезоэлемёнтов первой секции пьезопакета, вых од каждого дополнительного высоковольтного усилителя напряжения подключен к обкладкам пьезоэлементов каждой последующей секции пьезопакета, второй вход первого дополнительного дифференциального усилителя подключен к выходу дифференциального усилителя сигнала ошибки положения подвижного штока, второй вход каждого последующего дополнительного дифференциального усилителя подключен к выходу предыдущего дополнительного дифференциального усилителя.

11

l- 4

75

18

8 tZ9 3 3 Ю

/ / /// / / /

/Ю

Изобретение относится к средствам автоматики и может использоваться для регулирования и поднастройки положения подвижных звеньев технологических и приборных систем. Исполнительный механизм микроперемещений содержит электромеханическое исполнительное устройство и блок управления. Электромеханическое исполнительное устройство выполнено в виде установленного в корпусе пьезопакета с подвижным штоком и соосным ему датчиком положения подвижного штока. Пьезопакет составлен из отдельных секций многослойных пьезоэлементов, изолированных друг от друга с помощью прокладок и снабженных датчиками положения отсчетной поверхности секции относительно ее базовой поверхности. Первая секция пьезоэлементов входит в основной контур регулирования положения подвижного штока и работает по сигна лу ошибки между задающим воздействием и сигналом обратной связи с датчика положения подвижного штока. Вторая и последующие секции пьезоэлементов образуют корректирующие контуры регулирования и служат для повышения качества регулирования основного контура, причем каждая последующая секция работает по сигналу ошибки положения отсчетной поверхности предыдущей секции пьезоэлементов. Для формирования корректирующих воздействий блок управления оснащен дополнительными дифференциальными и высоковольтными усилителями. Благодаря корректирующему действию вспомогательных секций пьезоэлементов значительно повышается запас устойчивости, а также статическая и динамическая точность регулирования положения подвижного штока основным контуром регулирования. сл с х| 09 Ю Ь. ч