NL8800811A - Schakeling voor het besturen van een piezo-elektrisch keramisch element in een translator. - Google Patents

Description

*» N.0.34776 1 «*

Schakeling voor het besturen van een piezo-elektrisch keramisch element in een translator.

De uitvinding heeft betrekking op een schakeling voor het besturen van een piezo-elektrisch keramisch element in een piezo-elektrische translator.

Piezo-elektrische translators zijn voor diverse doeleinden reeds 5 algemeen bekend. Voorbeelden van piezo-elektrische translators zijn te vinden in FR 2.548.390, waarin een stelsel wordt beschreven voor het positioneren van een optische vezel met behulp van twee onderling loodrecht op elkaar geplaatste piezo-elektrische keramische elementen; US 4.577.131 waarin een piezo-elektrische micro-actuator met een piezo-10 elektrisch keramisch element wordt beschreven bestemd voor het verplaatsen van een optisch element; en US 4.556.979 waarin een piezo-elektrisch keramisch element wordt gebruikt voor het afstemmen van een laserholte. In geen van deze publikaties wordt verklaard op welke wijze het piezo-elektrische keramische element wordt gestuurd om een vooraf 15 bepaalde gewenste trans!atiebeweging te realiseren.

Bij sturing van piezo-elektrische keramische elementen treden problemen op in verband met 1} de niet lineaire relatie tussen de aangeboden spanning aan het element en de daaruit resulterende dimensie-verandering resp. verplaat-20 sing, 2) de optredende hysteresis waardoor de verplaatsing mede afhankelijk is van de voorgeschiedenis en 3) kruip in het element waardoor tijdsafhankelijke en nauwelijks controleerbare positieveranderingen optreden.

25 De uitvinding heeft nu ten doel een schakeling te verschaffen waarmee de bovengenoemde problemen worden verminderd of geheel geëlimineerd.

In overeenstemming hiermee verschaft de uitvinding nu een schakeling voor het besturen van een piezo-elektrisch keramisch element in 30 een piezo-elektrische translator omvattende: - een spanningsversterker waarvan de uitgang is aangesloten op de ene aansluiting van het piezo-elektrische keramische element, - een weerstand, waarvan de ene aansluiting is verbonden met de andere aansluiting van het piezo-elektrische keramische element en waarvan de 35 andere aansluiting tijdens bedrijf moet worden verbonden met een referent iepotenti aal , - een integrator bestemdom de spanning over de weerstand te integreren .8800811 % 2 en een met de geïntegreerde spanning evenredig uitgangssignaal af te geven, - een comparator bestemd om de uitgangsspanning van de integrator te vergelijken met een nominaal instel signaal op de ingang van de schake-5 ling teneinde een stuursignaal op te wekken aan de ingang van de span-ningsversterker.

Met behulp van deze schakeling wordt bereikt dat een door het nominale instelsignaal bepaalde hoeveelheid elektrische lading opgedrukt wordt op het piezo-elektrische keramische element. Elke ladingsverande-10 ring op het piezo-elektrische element resulteert in een stroom door de genoemde weerstand en daarmee in een veranderend uitgangssignaal van de integrator waardoor de ladingsverandering wordt tegengewerkt. Met andere woorden de opgedrukte lading wordt op het eenmaal ingestelde niveau gehandhaafd. Omdat er een eenduidig verband bestaat tussen de opgedruk-15 te lading en de gerealiseerde verplaatsing worden de problemen ten aanzien van de hysteresis en kruip geheel geelimineerd. Het niet-lineairi-teitsprobleem wordt teruggebracht tot een eenvoudig ijkprobleem.

De uitvinding zal in het volgende nader worden verklaard aan de hand van de bijgaande figuren.

20 Figuur 1 illustreert de hysterese en niet-1ineairiteit die op treedt bij het aanbieden van een spanning aan een piezo-elektrisch element.

Figuur 2 illustreert schematisch het kruipverschijnsel dat zich voordoet bij piezo-elektrische elementen.

25 Figuur 3 geeft een blokschema van een schakeling volgens de uit vinding voor het sturen van een piezo-elektrisch keramisch element.

Figuur 4 toont een soortgelijk diagram als figuur 2, maar nu voor de schakeling uit figuur 3

Figuur 5 geeft een meer gedetailleerde uitvoeringsvorm van een 30 schakeling volgens de uitvinding.

Figuur 6 toont het verband tussen de uitgangsstroom, geleverd door de spanningsversterker aan het piezo-elektrische element, en de stuur-spanning aan de ingang van de spanningsversterker in de uitvoeringsvorm van de schakeling volgens figuur 4.

35 Figuur 1 illustreert voor een translator waarin een piezoelek- trisch element wordt gebruikt voor het realiseren van verplaatsingen over kleine afstanden, het verband tussen de spanning over het piezo-elektrisch keramisch element en de daarmee samenhangende verplaatsing. Zoals blijkt uit deze figuur treedt er een sterke hysteresis op zodat 40 de gerealiseerde dimensieverandering van het element en daarmee de ge- .6800811 RRT m 3 ' realiseerde verplaatsing van de translator bij het aanbieden van een bepaalde spanning in sterke mate afhankelijk is van de voorgeschiedenis.

Uit figuur 1 blijkt bovendien dat de gerealiseerde verplaatsing 5 als functie van de spanning over het piezo-elektrische keramische element in sterke mate niet lineair is. Opgemerkt wordt dat de langs de vertikale as aangegeven maten slechts als voorbeeld dienen aangezien deze maten in de praktijk sterk afhankelijk zijn van de uitvoering van het piezoelektrische keramisch element. Ook de spanningswaarden langs 10 de horizontale as dienen slechts als voorbeeld.

In figuur 2 is aangegeven op welke wijze de spanningsafhankelijke dimensie van het element verandert als funktie van de tijd bij het aanbieden van een stapspanning. Worden de relaties uit figuur 1 aangehouden dan dan zal bij een stapvormige spanningsverandering van 200V naar 15 300V de veranderlijke dimensie van het element zich wijzigen met 10^u (van 5 naar 15). Uit deze figuur blijkt duidelijk dat er in een piezo-elektrisch keramisch element een aanzienlijke kruip optreedt. Het element heeft kennelijk tijd nodig om op de aangeboden spanning te reageren en zal de daarmee overeenstemmende lengteverandering (of andere di-20 mensieverandering) slechts trachten te benaderen zonder deze geheel of slechts na langere tijd te bereiken.

De uitvinding berust nu op het inzicht dat de momentane veranderlijke dimensie van het element eenduidig afhankelijk is van de in het element opgeslagen lading. Is de momentane ladingstoestand bekend dan 25 is ook de momentane dimensie van het element bekend. Door nu in een stuurschakeling een inwendig signaal te genereren dat representatief is voor de ladingsverandering op het piezo-elektrische keramische element en dit inwendige ladingsafhankelijke signaal te vergelijken met een uitwendig aangeboden stuursignaal kan in de stuurschakeling een eventu-30 eel foutsignaal worden opgewekt waarmee het piezoelektrische element element in relatief korte tijd en met grote nauwkeurigheid naar de gewenste ladingstoestand en daarmee naar de gewenste dimensietoestand wordt gestuurd.

Een schakeling voor het realiseren van een dergelijke ladingsaf-35 hankelijke sturing volgens de uitvinding is in zeer schematische vorm geïllustreerd in figuur 3.

In de schakeling van figuur 3 is het piezo-elektrische keramische element P aangesloten tussen de uitgang van een spanningsversterker 4 en een weerstand Rs waarvan de andere aansluiting tijdens bedrijf met 40 een referentiepotentiaal is verbonden ( bijvoorbeeld geaard is). Het .8&00811 ’f 4 % knooppunt tussen het keramische element P en de weerstand Rs is verbonden met de ingang van een integratorschakeling 1. De uitgang van de n integratorschakeling 1 is verbonden met de eerste ingang van een comparator 2, waarvan de tweede ingang is verbonden met een klem 3 waarop de 5 uitwendige stuurspanning V-jn wordt aangeboden. De uitgang van de comparator 2 is verbonden met de ingang van de spanningsversterker 4.

Wordt op de ingang 3 een stapvormige spanningsverandering Vj aangeboden aan de comparator 2 dan zal dit, uitgaande van een aanvankelijk stabiele toestand waarin op beide ingangen van de comparator het-10 zelfde signaal staat, leiden tot een comparatoruitgangssignaal dat na versterking in de spanningsversterker 4 wordt toegevoerd aan het element P. Door het element P en door de serieweerstand Rs gaat een stroom lopen waardoor de ladingstoestand van het elelment P ( en daarmee de dimensie ervan ) verandert, terwijl bovendien over de serieweer-15 stand Rs een signaal komt te staan dat een maat is voor de stroom die door het piezo-elektrische element P loopt. Dit signaal is derhalve een maat is voor de ladingsverandering op het piezo-elektrische element.

Dit signaal over de weerstand Rs wordt geïntegreerd in de integrator 1 die een integratoruitgangssignaal levert aan de comparator 2. Het zal 20 duidelijk zijn dat de op deze wijze geconstrueerde regellus zal streven naar een evenwichtstoestand waarin op beide ingangen van de comparator 2 een gelijk signaal wordt aangeboden, met andere woorden een evenwichtstoestand waarin de lading op het piezo-elektrische keramische element P overeenstemt met de momentane ingangsspanning Vn.

25 Doordat de regel!us actief blijft zolang er aan de comparator 2 verschillende ingangssignalen worden aangeboden zal het element P een snelle dimensieverandering vertonen die pas eindigt als de comparator geen foutsignaal meer afgeeft. Figuur 4 toont een praktische verande-ringskarakteristiek, waarbij ter vergelijking wordt verwezen naar fi-30 guur 2. Nadat de gewenste nieuwe stabiele toestand is bereikt zal elke eventuele ladingsverandering op het element P effectief door de regel-lus worden tegengewerkt.

Doordat er verder een eenduidig verband bestaat tussen de lading op het element P en de momentane veranderlijke dimensie van het element 35 P wordt met de schakeling uit figuur 3 niet allen de kruip maar ook de hysteresis effectief geelimineerd. Weliswaar is het verband tussen de ingangsspanning V^n en de gerealiseerde dimensieverandering van het element P nog steeds niet-lineair maar met een eenvoudige ijking kan dit probleem zonder meer worden opgelost. Bovendien is het in veel toe-40 passingen niet noodzakelijk om de positie van het element P in absolute .8800811 5 .

zin te kennen, maar is het wel van belang dat het element P direct en eenduidig reageert op spanningsveranderingen in het ingangssignaal Vin*

Figuur 5 illustreert een in meer detail uitgewerkt uitvoerings- 9 5 voorbeeld van de principeschakeling uit figuur 3. In de schakeling volgens figuur 5 is het piezo-elektrische keramische element P aangesloten tussen een stroombegrenzende weerstand R0 en de al genoemde serie-weerstand Rs. Op het knooppunt tussen het element P en de serieweer-stand Rs is de integrator A2 aangesloten. Het uitgangssignaal van de 10 integrator A2 wordt gecombineerd met het ingangssignaal op de ingang I.

Beide signalen worden gecombineerd toegevoerd aan een versterker A3 waarvan het uitgangssignaal dienst doet voor het uitsturen van een hoogspanningsversterker via een relaisschakelaar S.

De hoogspanningsversterker bestaat uit twee trappen elk omvattende 15 een operationele versterker, een optokoppeling met bijbehorende voe-dingsschakeling en een hoogspanningstransistor. De bovenste trap van de hoogspanningsversterker in figuur 4 omvat de operationele versterker A4 waarvan de positieve ingang het stuursignaal ontvangt terwijl de negatieve ingang via een diode Dl en een weerstand R1 een kleine vaste ne-20 gatieve spanning krijgt toegevoerd. De uitgang van de operationele versterker A4 is verbonden met een optokoppeling 0C1. De uitgangszijde van deze optokoppeling 0C1 is opgenomen in het stuurcircuit van een hoogspanningstransistor Tl die aan een zijde is aangesloten op een spanning van +550 V. Het in dit voorbeeld toegepaste keramische piezo-elektri-25 sche element, waarvan de karakteristiek in figuur 1 is getekend, had namelijk een werkgebied tussen -150 V en +550 V. Voor de sturing van de optokoppeling 0C1 is bovendien nog een voedingseenheid HS1 nodig waarmee de benodigde gelijkspanningen voor het voeden van de opto-koppeling 0C1 worden geleverd.

30 De onderste trap van de spanningsversterker in figuur 4 bestaat uit de operationele versterker A5 die op zijn negatieve ingang het stuursignaal vanaf de schakelaar S ontvangt. De positieve ingang krijgt via de diode C2 en een weerstand R2 een kleine vaste positieve spanning toegevoerd. De uitgang van de operationele versterker A5 is verbonden 35 met de optokoppeling 0C2 waarvan de uitgangstrap is opgenomen in de stuurschakeling van de tweede hoogspanningstransistor T2. Zoals in figuur 4 te zien is zijn beide hoogspanningstransistoren Tl en T2 elk met een eigen emitterweerstand R3 respectievelijk R4 in serie aangesloten tussen een +550 V aansluiting en een -150 V aansluiting. Ook de opto-40 koppeling 0C2 wordt via een voedingseenheid HS2 voorzien van de beno- .8800811 6 digde gelijkspanningen. Deweerstanden R5 tot en met R8 dienen alleen voor instel doel einden en behoeven geen nadere uitleg.

Teneinde de schakeling op de gewenste wijze te kunnen initiëren is verder nog een versterker Al aanwezig die op zijn ingang een instelsig-5 naai ontvangt vanaf een potentiometer P2 en tevens een ingangssignaal ontvangt vanaf het knooppunt tussen de stroombegrenzende weerstand R0 en het keramische element P.

Teneinde de schakeling uit figuur 4 te initiëren wordt met behulp van een signaal op de terugstel!eiding R de schakelaar S in de met een 10 stippellijn getoonde positie gebracht en wordt verder de integrator A2 teruggesteld op een bekende beginwaarde. Met de schakelaar S in de omgeschakelde positie kan nu de spanning op de uitgang van de spannings-versterker (knooppunt tussen T2 en R3) en daarmee de aanvangsspanning over de serieschakeling R0-P-Rs °P een gewenste beginwaarde worden 15 ingesteld met behulp van P2. De integrator zal daarbij in een corresponderende toestand worden gebracht. Nadat de schakeling op deze wijze is geïnitieerd wordt de relaisschakelaar S in de getekende toestand gebracht waarna de schakeling gereed is voor bedrijf.

Tijdens bedrijf wordt een instelsignaal toegevoerd aan de verster-20 ker A3 tezamen met het uitgangssignaal van de integrator A2. Het uitgangssignaal van de versterker A3 stuurt via de voorversterkers A4 en A5 en de bijbehorende optokoppelingen 0C1 en 0C2 de beide hoogspan-ningstransistoren Tl en T2 waardoor een stroom zal gaan lopen door de serieschakeling van RO, P en Rs. Het signaal over Rs wordt in de 25 integrator A2 geïntegreerd en het uitgangssignaal wordt opgeteld bij het nominale instelsignaal op de ingang van de versterker A3. Zoals aan de hand van figuur 3 al werd verklaard zal de schakeling zich snel instellen op een nieuwe evenwichtstoestand waarin er geen ladingsverandering op het element meer optreedt.

30 De diodes Dl en D2, die via de weerstanden R1 en R2 zijn aangesloten op -12 V resp. +12 V, zorgen ervoor dat de beide hoogspanningstran-sistoren Tl en T2 nooit tegelijkertijd open gestuurd worden. Zoals in figuur 6 is aangegeven zal bij een sterk positief signaal aan de ingang van de beide versterkers A4 en A5 alleen de versterker A4 reage-35 ren en zal derhalve alleen de transistor Tl open gestuurd worden resulterend in een sterke positieve stroom door het element P. Vanwege de aanwezigheid van de diode D2 zal de versterker A5 slechts een zeer klein signaal afgeven aan de optokoppeling 0C2, welk signaal onvoldoende is om T2 in geleiding te brengen.

40 Omgekeerd zal bij een sterk negatief signaal alleen de versterker .8800811 7 A5 een voldoend groot stuursignaal via 0C2 kunnen afgeven aan T2 waardoor deze transistor wordt geopend. De transistor Tl zal gesloten blijven en als resultaat daarvan zal een sterke negatieve stroom door het piezo-elektrische element P gaan lopen.

5 Wordt het signaal zeer klein of nul dan zal binnen een relatief klein rustgebied geen van de transistoren Tl of T2 in geleiding komen. In dit rustgebied, het gebied waarin de schakeling bij gelijkblijvend ingangssignaal in evenwicht is, loopt er dus geen stroom door het piezo-elektrische keramische element.

10 Bij voorkeur wordt in deze schakeling de lusversterking relatief hoog gekozen door in het bijzonder de versterkertrappen Al, A3, A4 en A5 met een relatief hoge versterkingsfactor uit te voeren. Het resultaat daarvan is dat een relatief kleine spanningsverandering in leidt tot een positieve of negatieve stroomstoot door het element P 15 welke door de integrator A2 goed detecteerbaar is en als terugkoppel-signaal in de lus kan worden ingebracht.

In een praktische uitvoeringsvorm van de schakeling volgens figuur 4 werden de volgende componenten toegepast:

Hoogspanningstransistoren T1-T2: 2SD594 of 2N5013 20 Optokoppelingen 0C1 en 0C2 : HCLP2731

Voedingsschakelingen HS1 en HS2: Micro Gisco type ICN1212

Integrator A2 : AD515

Operationele versterkers : TL082 of TL084.

De keuze van de overige componenten voor het realiseren van een 25 praktische schakeling wordt binnen het bereik van de vakman geacht en nadere details van de schakeling zijn derhalve overbodig.

.8800811

Claims (1)

1. Schakeling voor het besturen van een piezo-elektrisch keramisch element in een piezo-elektrische translator omvattende: - een spanningsversterker waarvan de uitgang is aangesloten op de ene 5 aansluiting van het piezo-elektrische keramische element, - een weerstand, waarvan de ene aansluiting is verbonden met de andere aansluiting van het piezo-elektrische keramische element en waarvan de andere aansluiting tijdens bedrijf moet worden verbonden met een referent! epotenti aal , 10. een integrator bestemdom de spanning over de weerstand te integreren en een met de geïntegreerde spanning evenredig uitgangssignaal af te geven, - een comparator bestemd om de uitgangsspanning van de integrator te vergelijken met een nominaal instel signaal op de ingang van de schake- 15 ling teneinde een stuursignaal op te wekken aan de ingang van de spanningsversterker. .88 0 0 S11