CN1083972A - 改善效率的压电体驱动器系统 - Google Patents

Abstract

本发明利用一个中间的电感器(4)将能量从一个 元件(5)转移到另一个元件(6)来驱动一个压电元 件。可从一个电源(1)得到附加的能量用以补偿内部 损耗，并提供给压电元件实现作功。根据需要，由开 关进行切换来转移能量，而开关的切换由一个控制器 操纵，以适当的定时，以在压电元件之间转移能量和 从电源补加能量。

Description

本发明涉及压电激励器（piezoelectric    actuator）的电气驱动，特别涉及为了提高系统的运行效率而在两个压电元件之间的能量转移。

压电激励器及其它高电容性器件都需要高的电压驱动。应用常规的放大器来线性地驱动它们，需要一个大的电抗性电流，因而会导致大的损耗。

业已对此作出了一些改进，例如美国专利4628275的Skipper，对此类装置提供了效率高的功率放大器。然而，被回收并为减小激励器系统的能量需求而储存在压电激励器中的电容性能量，像循环周期的充电期间那样，在回复期间该能量也历经同样的损耗。

本发明利用储存在已激励的但即将“退激励”的压电激励器中电容性能量来激励另一个储存的能量很小、或者没有能量的压电激励器。

一个电容性激励器中的能量经一个电感器被切换接能到另一个激励器。切换接通的定时和能量的转移速率均适合于那个激励器功能上的需要。由一个电压源向系统施加能量，以补偿系统中的损耗和补偿各激励器所作的功。

本发明的一个目的是要通过从一个激励器向另一个激励器的直接转移电容性能量来提高压电激励器系统的效率，而不是使一个激励器放电时将能量返回到一个电源能量存储器中。

本发明的其它目的、优点和新颖性的特点将结合附图详细说明本发明的下文中可明显地得知。

图1示出具有一个压电激励器的有关先有技术的电路原理图，该激励器将其电容性能量返回给电源。

图2示出本发明一个实施例的电路原理图，图中使用储存在一个压电激励器中的电容性能量来激励另一个压电激励器。

图3示出本发明的第二实施例的电路原理图。

图4示出本发明的电路原理图的一部分，其内应用了一个非线性电感器。

图5示出图4所示电路的电压和电流的波形图。

图6示出本发明的电路原理图的一部分，其内应用了一个线性电感器。

图7示出图6所示电路的电压和电流的波形图。

诸如压电材料之类的电可变形材料能实现电能到机械作用的转换。这种机械作用表现为电的负载，其性质上主要是电容性的，而机械作用能对驱动电路呈现为一个小的电阻分量负载。电荷必须转移到该电容上以产生能驱动一个机械负载以产生机械作用的运动。如果没有机械负载，则由电荷转移而储存在电容上的能量在电荷移去时随后被回收，该运动反转。不存在机械负载时，损耗只限于电路损耗加上压电元件的内部损耗。附图中示出了压电元件的等效电路，其中，压电激励器5和6具有一个电容以该表明压电器件起电容的作用;一个串联的可变电阻代表机械负载;和一个串联的固定电阻，代表夺电器件内部损耗的最小电阻值。

压电材料一般能把它们所接收到的电能的2%到13%转换为有用功。因此，电驱动能量与机械作用能量之比很大;如果对驱动器中的能量转移和回复电路不采取重要的措施来收回压电材料中储存的表现为电容性能量的电能，则会使系统的效率十分低。

如同所有高效率的电容充电系统一样，充电电路里控制开关元件的电阻性损耗和电感中的电阻性损耗必须做得最小。

图1中示出一种典型的LC充电系统。将开关SW₁移动到位置1时，电源1通过电感4向压电激励器5传递能量。充电电流的大小和所得到的充电速率受控于开关SW₁从位置1到位置3的更迭，由经所加的平均电压和平均电流决定了充电速率。

当充电到达所需要的充电电压（或电流时间积）时，可将开关SW₁移动到位置2，以保持住所充的电荷。

要释放电荷时，可将开关SW₁移至位置4，以使储存的能量返回到电源以实现能量回收。

回复电路有许多种电路变型，所有这些电路变型都必须解决这样的问题，即循环周期的充电部分和放电部分。转移能量期间在电感和开关部件里都经历能量的损耗。

由一个电源、多个开关元件、能量传递电感组成的一个典型的电路系统在精心设计的情况下可使效率达到0.9至0.95。假设压电转移效率为0.05，则可按下式计算出系统总效率n_s：

n_s＝负载能量/（损耗能量+负载能量）

式中，负载能量＝E_L＝0.05E_C，

而E_C＝充电能量;

损耗能量＝E₁＝（1-0.92）Ec。

由于能量损耗在充电和放电期间都会发生，故

n_S= (0.05E_C)/([2(1-0.92)E_C+0.05E_C)

= 0.05/(0.16+0.05)

  =0.24

可见，对于92%效率的电路和无损耗的压电元件，由于大的循环运行的能量要受到电路引入的损耗，其系统效率只能做到24%。

在某些压电激励器中，将多个压电材料层堆叠在一起，每层由一个不同波形的电信号驱动，以使各层的机械作用的总和引起所希望的激励器机械运动。作为一个完整的释例，可参看洛克韦尔国际公司（Rockwell    International    Corporation）的未决中国专利申请（申请号为90106979.5，申请日为1990年8月15日），它提出一种分段式换能器的电驱动。在本文中引用它构成本发明的一个部分，并作为参考文件。

在某些激励器设计中，诸如1990年5月22日公布的美国专利4928030的压电激励器、1991年5月21日公布的美国专利5017820的压电旋转联合系统和1991年11月26日公布的美国专利5068566的电牵引电动机，它们在本文中都构成本发明的一部分，并作为参考文件;多对激励器工作于平稳的摆动（smooth    walking）运动，交替地接触和移动物体。这些激励器都特别适用于本发明，因为当一个激励器在被放电时，一个相邻的激励器正在充电。

图2示出由具有两个或多个交替工作的激励器来实现明显的系统效率的改进，使能量从一个激励器直接转移到另一个激励器。

作为例子，假设初始状态下压电激励器5充满了电荷，而压电激励器6电荷为零。

开关2（SW2）处于位置1，将压电激励器6连接至能量传递电感4，而开关1（SW1）由一个控制器控制在位置1和位置3之间交替切换，以所需要的速率将压电激励器5的能量通过能量传递电感4转移至压电激励器6上。在这种电路结构中，能量的转移可使电荷对压电激励器上的电压进行均衡。

如果开关2（SW2）保持在位置1上，直至电流以正弦规律上升达到由以下关系

V/ $\sqrt{\mathrm{L\; /\; C}}$

决定的峰值，并又衰减到零，所有电荷都从压电激励器5转移至压电激励器6上。然后，开关2（SW2）可移动到位置3，以隔离开压电激励器6上的电荷。

在这一过程中，压电激励器5运行至它的休止状态，而压电激励器6运行至它们的被激励状态。

由于能量的转移会引入一些损耗，并由于压电激励器6如果进行某些作功还会发生附加的能量损耗，所以经几次转移后系统中的能量将耗尽至零。然而，利用控制开关SW₁和SW₂的位置2以从电源中取得附加的能量来补偿能量损耗，便可对系统补加进附加能量。

如果由于所需的压电激励器的运动而不希望充电电流作正弦形转移，另一种工作模式是开关SW₁和SW₂都在位置1和3之间交替地转换，则利用能量从压电激励器的静电场转移到电感器的电磁场的运动和随后又转移成第二个压电激励器的静电场的运动，可使能量以片段方式（piece wise）从压电激励器5流到压电激励器6。

应用相同的倒转波形对一对压电激励器充电和放电的限制排除了将全部回收能量转移给电源、尔后再转移给另一个压电激励器的可能性，因而转移损耗约减一半。系统的净效率大约为：

n_S= (0.05E_C)/([(1-0.92)E_C+0.05E_C])

= 0.05/((0.08+0.05)) = 0.38

该值是前一数值（0.24）的1.6倍。

应用线性和非线性感性元件组成的许多种LC能量转移电路可以得到实施，但是，如果使用最少的中间能量存储元件和开关来使能量在两个压电激励器之间作循环转移，则系统的效率总可以提高。

在图3所示的实施例中，从电源1流出的电流激励电感4，然后转移给一个或另一个的压电激励器5或6，直至达到所需要的电荷（因而达到所要的充电速率），再按照所需使能量从压电激励器5转移到压电激励器6，并反过来转移;偶尔地从电源的补充以弥补损耗并供给正在作功所需的能量。

上述设计中可以采用多种的电感器电路。例如图4和图6示出两种都可应用。

图4示出一种非线性电感（饱和电抗器）转移电路的一个例子，它产生出准方波形的振荡波形。图中压电激励器5和6有相等的电容，转移电感4是一个可饱和的电感，具有不饱和的L值（L_UNSAT）和饱和的L值（L_SAT）。

如图5的波形图所示，当开关SW₁闭合以在零时刻启动工作循环时，压电激励器5充电，压电激励器6处于零电荷状态。电感4中的电流慢慢增长，当达到电感4的伏特·秒额定值时电流饱和。电感饱和后，电路阻抗迅速下降至一个由L_SAT决定的新的值。然后，在T₁到T₂的期间内，有一个正弦电流从压电激励器5经过导线流向压电激励器6。当电流下降至零时，电感4不饱和。在T₂到T₃的期间内，压电激励器6充电，压电激励器5上没有电荷，于是，从压电激励器6开始向压电激励器5进行低频的电荷转移。象振荡频率一样，振荡电流的幅度也决定于L_UNSAT值。电流慢慢增加，在V·t时间内达到饱和电流值I_SAT，此时，电感器4在B-H磁滞回线的另一端上饱和，并迅速地发生电荷的再转移。转移时间由L_sat控制，而保持时间由L_UNSAT控制。当电流为零时，断开关开SW₁，可使保持时间延长下去。由可饱和电感器和开关相组合来使保持时间受控，与应用固定的电感和开关相比，它在开关上形成的感应电势（stress）较小;这是因为，在开关闭合后，大的L_UNSAT值减小了di/dt，并在电流增长到大的值之前可有足够的时间来完成开关的闭合。如图7中所示，图6中的固定电感电路在电荷转移脉冲之间不存在电流的慢变化情况（它表示较长的时间常数 $\mathrm{t\; =}\sqrt{L_{\mathrm{U\; N\; S\; A\; T}}\mathrm{·\; C}{}_{\mathrm{P\; Z}}}$ ）。

应用多个开关、线性电感器或非线性电感器的多种其它组合来产生各式充电电流波形，以形成希望的压电激励器运行;而若压电器件间工作于互补运行状态，则储存在系统每半部分中的能量可转移给系统的另一半，而不需返回至电源，这样，转移损耗能减至最小，可达到较高的系统效率。

用以操纵开关的控制器可以在压电元件和电感器上设置传感器，以告诉控制器：压电元件或电感器处于什么的状态以及提供压电激励器位置的信息。

很显然，可按照上文的解说，可以对本发明作出各种修改和变型。因此，应理解到，在所附的权利要求书的范围内，可以用不同于具体所述的电路来实践本发明。

Claims (8)

1、一种用以在压电元件间转移电荷的驱动器系统，其特征在于包括：

一个第一个压电元件；

一个第二个压电元件；

一个电感器，连接在上述第一和第二压电元件之间；

一个连接线，位于第一和第二压电元件之间用以接通一个电路；

一个开关，用以断开和闭合上述电路；

一个控制装置，用以控制上述开关的位置。

2、根据权利要求1所述的驱动器系统，其特征在于，所述的电感器是一个可饱和电感器，用以传递非线性的波形。

3、根据权利要求1或2所述的驱动器系统，其特征在于：包括一个用以把电源的能量补加给该系统的装置。

4、根据权利要求2所述的驱动器系统，其特征在于，包括一个把电源的能量补加给该系统的装置。

5、一种用以在两个压电元件之间转移电荷的驱动器系统，其特征在于包括：

一个第一个压电元件;

一个第二个压电元件;

一个第一个开关和一个第二个开关;

一个电感器，连接在第一和第二压电元件之间，其中，上述第一开关位于上述第一压电元件与上述电感器之间，上述第二开关位于上述电感器与上述第二压电元件之间;

一个电源，具有一个与第一压电元件和第二压电元件连接共用的接地端，上述开关可选择上述电感器是否与电源、压电元件或公共接地端相连接;

一个控制装置，用以控制两个开关的切换位置，以在上述压电元件之间转移能量和从电源补加能量。

6、根据权利要求5所述的驱动器系统，其特征在于，所述的电感器是一个可饱和电感器，用以传递非线性的波形。

7、一种用以在两个压电元件之间转移电荷的驱动器系统，其特征在于包括：

一个第一个压电元件;

一个第二个压电元件;

一个电源;

一个开关，

一个电感器，具有一个与上述第一、第二压电元件和电源相连接共用的接地端;借此，上述开关可交替地将上述电感器与上述第一个压电元件、上述第二个压电元件或上述电源相连接;

一个控制装置，用以控制该开关切换位置，以在上述压电元件之间转移能量和从上述电源补加能量。

8、根据权利要求7所述的驱动器系统，其特征在于，所述的电感器是一个可饱和电感器，用以传递非线性的波形。

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