RU1837253C - Устройство управлени пьезодвигателем - Google Patents

Abstract

в п НИР УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПЬЕЗОД- АТЕЛЕМ Изобретение может быть использовано )ецизионных системах микроперемеще- , например, в экспериментальной медициье , в технологическом оборудовании. Це; ью  вл етс  повышение надежности КПД и улучшени  качества управлени  устройства . Устройство управлени  пьезодвигателем содержит четыре ключа 16-19, соединенных в мостовую схему, источник напр жени  14, два инвертора 8,9, два делител  12, 13, два элемента 2И 6,7, элементы Изобретение относитс  к области автоматики и может быть использовано при разработке и создании систем управлени  с пьезоэлектрическими двигател ми. Целью изобретени   вл етс  повышение коэффициента полезного действи  устройства управлени  пьезодвигателем, повышение его надежности и улучшение качества управлени  пьезодвигателем. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройство управлени  пьезодвигателем, 2 ИЛИ 5, 2И-НЕ 4, сумматор 1, компаратор 2, нуль-орган 3, блок модул  10, ШИМ 11, токоограничительный дроссель 15, четыре элемента односторонней проводимости 20- 25, пьезодвигатель 24. При зар де пьезод- вигател  24 ограничение тока зар да осуществл етс  за счет включени  в зар дную цепь дроссел  15. Так как в цепи зар да отсутствуют резистивныетокоограничиваю- щие элементы, потери энергии при зар де минимальны и реализуетс  максимальный КПД устройства, При разр де пьезодвигате- л  накопленна  в нем энерги  возвращаетс  источнику питани  14, Это также  вл етс  фактором повышени  КПД устройства . По этой же причине предлагаемое устройство имеет большую надежность и лучшее качество управлени . Надежность повышаетс  за счет улучшени  режима работы ключей 16-18 вследствие сглаживани  бросков тока. Качество управлени  возрастает за счет более плавного управл емого зар да пьезодвигател  24, как в пределах одного периода за счет действи  дроссел , так и в пределах всего цикла зар да-разр да за счет действи  широтно-импульсного модул тора . .- содержащее источник питани , св занный с общей шиной, мостовую схему, образованную четырьм  ключевыми элементами и св - занную с общей шиной устройства, сумматор, первый вход которого  вл етс  входом устройства, второй инвертирующий вход через первый делитель, св занный с общей шиной, подключен к общей точке первого и третьего ключей, к которой подключен первый вывод пьезодвигател , введены второй делитель, дроссель, СО со VI ю СП со

Description

компаратор, нуль-орган, логические элементы 2И-НЕ, 2ИЛИ, первый и второй элементы 2И, первый и второй инверторы, включенные последовательно нелинейный элемент и широтно-импульсный модул тор, к выходу которого подсоединены первые входы первого и второго элементов 2И, первый , второй, третий и четвертый выпр мительный элементы, подключенные

соответственно параллельно первому, вто- рому, третьему и четвертому ключам, третий вход сумматора через второй делите ль,.с в занный с общей шиной, подключен ко второму выводу пьезодвигател , который через дроссель подключен к общей точке второго и четвертого ключей, а обща  точка третьего и четвертого ключей соединена с выходом источника питани , входы компаратора.подключены соответственно к выходам первого

и второго делителей, а выход - к первым

входам элементов 2И-НЕ и 2ИЛИ, вторые входы которых подключены через нуль-орган к выходу сумматора, св занному также со входом нелинейного элемента, выходы первого и второго элемента 2И подключены соответственно к управл ющим входам первого и второго ключей, управл ющий вход третьего кл юча через первый инвертор подключен к выходу элемента 2И-НЕ и второму входу первого элемента 2И, а управл ющий вход четвертого к л юча подключен через второй инвертор к выходу элемента 2ИЛИ и второму входу второго элемента 2И.

Введение второго делител , нелинейного элемента, широтно-импульсного модул - тора, компаратора, нуль-органа, логических элементов 2 ИЛИ, 2И-НЕ, 2И, двух инверторов , четырех выпр мительных элементов позвол ет осуществить возврат энергии, накопленной пьезодвигателём, источнику пи- тани . Это  вл етс  основным фактором повышени  коэффициента полезного действи  устройства, так как при разр де пьезодвигател  оно не только не потребл ет энергии от источника питани , как устройст- во по прототипу, но сохран ет и возвращает энергию, накопленную в процессе зар да. Кроме того, включение дроссел  и применение широтно-импульсной модул ции позвол ет повысить коэффициент полезного действи  устройства и в процессе зар да. Данный эффект достигаетс  за счет того, что дроссель ограничивает ток в цепи зар да пьезодвигател . Это в свою очередь, снижает потери энергии на ключах, так как при работе ключей на чисто емкостную нагрузку в устройстве по прототипу в начальный момент зар да возникает большой бросок тока , вызывающий выделение большой мощности на ключах. По этой же причине

Ю 5

0

5 0

5 0 5 0 5

предлагаемое устройство имеет большую надежность и лучшее качество управлени . Надежность повышаетс  за счет улучшени  режима работы ключей вследствие сглаживани  бросков тока. Качество управлени  возрастает за счет более плавного управл емого зар да пьезодвигател , как в пределах одного периода за счет действи  дроссел , так и в пределах всего цикла зар да-разр да за счет действи  широтно-импульсного модул тора.

Структурна  схема устройства управлени  пьезодвигателём представлена на фиг. 1.

На фиг, 2 - временные диаграммы, по сн ющие работу устройства. На фиг. 3 - вариант выполнени  источника питани  устройства .

Устройство управлени  пьезодвигателём содержит сумматор 1, компаратор 2, нуль-орган 3, элемент 4 2И-НЕ, элемент 5 2ИЛИ, элемент 6,7 2И, инверторы 8, 9, нелинейный элемент 10 статической характеристикой Uexl (Uex - напр жение на входе нелинейного элемента, ивых - на его выходе), широтно-импульсный модул тор 11, первый и второй делители 12 и 13, источник питани  14, дроссель 15, первый, второй , третий и четвертый ключи 16, 17, 18,19 параллельно каждому из них подключены соответственно первый, второй, третий и четвертый выпр мительные элементы 20, 21, 22, 23, пьезодвигатель 24. Первый вход сумматора 1  вл етс  входом устройства, второй инвертирующий вход подключен к первому входу компаратора 2 и через первый делитель 12 к первому выводу пьезодвигател  24, Третий вход сумматора 1 подключен ко второму (инвертирующему) входу компаратора 2 и через второй делитель 13 ко второму выводу пьезодвигател  24, соединенному через дроссель 15 с общей точкой ключей 17 и 19, котора  через второй ключ 17 подключаетс  к общей шине устройства, а через четвертый ключ 19 к выходу источника 14 питани . Первый вывод пьезодвигател  24 через первый ключ 16 подключен к общей шине устройства, а через третий ключ 18 - к выходу источника питани  14, нулевой вывод которого св зан с общей шиной устройства. Выход сумматора 1 подключен ко входу нуль-органа 3, и через нелинейный элемент 10 ко входу широтно-импульсного модул тора, 11, выход которого подключен к первым входам первого 6 и второго 7 элементов 2И. Выход компаратора 2 подключен к первым входам элемента 4 2И-НЕ и элемента 5 2ИЛИ, ко вторым входам которых подключен выход нуль-органа 3. Выход элемента 4 2И-НЕ через инвертор 8 подключен к управл ющему

входу третьего ключа 18 и ко второму входу первого 6 элемента 2И. выход которого подключен к управл ющему входу первого ключа 16. Выход элемента 5 2ИЛИ подключен через второй инвертор 9 к управл ющему входу четвертого ключа 19 и ко второму входу второго 7 элемента 2И, выход которого подключен к управл ющему входу второго ключа 17.

Устройство работает следующим обра- зом. На первый вход сумматора 1,  вл ющийс  входом устройства, поступает задающий сигнал 1)0. На второй инвертирующий вход сумматора 1 и его третий вход поступают сигналы, снимаемые с выводов пьезодвигател  24 и прошедшие через делители 12 и13 с коэффициентом передачи Kg. Выходное напр жение Ui сумматора 1 пропорционально разности напр жений на выводах пьезодвигател  24, вычитаемой из задающего сигнала с учетом коэффициентов Kg делителей 12 и 13

Ul Uo-(U24.rU24.2)Kg Uo-U24Kg,(1)

где ,rU24.2.

То есть сигнал Ui на выходе первого сумматора 1 пропорционален разности задающего сигнала U0 и напр жени  на пье- зодвигателе 24 U24.2 умноженному на коэффициент передачи Kg, и  вл етс  сигналом ошибки (фиг. 2а). Выходные сигналы делителей 12 и 13 сравниваютс  в компараторе 2, второй вход которого  вл етс  инвертирующим . При положительном значении напр жени  U24 сигнал U2 на выходе компаратора 2 принимает значение ло- гической единицы (фиг. 2,6), при отрицательном - значение логического нул . Выходной сигнал нуль-органа 3 определ етс  знаком выходного сигнала Ui сумматора 1 (сигналом ошибки). При поло- жительном значении сигнала Ui, выходной сигнал нуль-органа 3 принимает значение логической единицы, при отрицательном - значение логического нул  (фиг. 2,в).

Под действием данных сигналов изме- н етс  состо ние элементов 4 2И-НЕ и 5 2ИЛИ. На выходе инвертора 8 (фиг. 2, е) сигнал логической единицы выдел етс  при по влении аналогичных сигналов на выходах компаратора 2 и нуль-органа 3. В этот момент происходит открывание ключа 18. Выходной сигнал элемента 5 2ИЛИ принимает значение логической единицы и делает возможным открывание второго ключа 17. При этом период открывани  ключа опреде- л етс  длительностью ТШим импульсов выходного сигнала широтно-импульсного модул тора 11, поступающих на вход второго 7 элемента 2И. В свою очередь, длительность импульсов TUJHM пропорциональна

величине выходного сигнала нелинейного элемента 10 (фиг. 2,ж), а, следовательно. св зана с выходным напр жением Ui сумматора 1 следующим образом

ТШим I (Ui) I Кн.(3)

где Кп - коэффициент передачи широтно- импульсного модул тора 11, Сопоставив выражени  (1) и (2), получим

ТШИМ l(Uo-U24Kg) IK11. (4)

То есть длительность импульса ТШим (фиг. 2,в) пропорциональна модулю разности задающего сигнала Uc и напр жени  на пьезодвигателе 24, умноженного на коэффициент передачи Kg делителей 12, 13. Следовательно , при увеличении разности заданного Uc и действительного U24Kg напр жени  на пьезодвигателе длительность импульсов ТШим возрастает и возрастает период открывани  второго ключа 17 за счет выделени  соответствующих импульсов на выходе второго 7 элемента 2И (фиг. 2,и). Это, в свою очередь, ведет к увеличению тока зар да пьезодвигател  24, протекающего по цепи: источник питани  14 -третий ключ 18 - пьезодвигатель 24 - дроссель 15 - второй ключ 17 - обща  шина устройства. При периодическом закрывании второго ключа 17 за счет эффекта самоиндукции в дросселе 15 возникает напр жение размыкани  и образуетс  цепь зар да дроссел  15; выпр мительный элемент 23 - дроссель 15 - пьезодвигатель 24 - третий ключ 18. При этом обеспечиваетс  непрерывность тока зар да пьезодвигател  24 при периодической работе второго ключа 17. Среднее значение тока зар да пьезодвигател  24 будет пропорционально разности заданного и действительного значений напр жени . При достижении заданного значени  напр жени  на пьезодвигателе 24 длительность импульсов Тшим становитс  равной нулю, ток зар да - также равным нулю. При разр де пьезодвигател  одновременно работают первый и второй ключи 16 и 17. Переход к режиму разр да определ етс  состо нием компаратора 2 и нуль-органа 3. Разр д пьезодвигател  24 должен происходить в случае выполнени  двух парных условий

KgU24 UoT

U24,Uo 0 /

KgU24 Uo о О)

(5)

U24. Uo О J(6)

С учетом выражени  (1) услови  (5) и (6) реобразуютс  следующим образом: Ui 0

U24.1 U24.2/ U1 0

I.2 1

U24,1 U24.:

(7) (8)

При выполнении услови  (7) на выходе логического 4 элемента 2И-НЕ и на выходе логического элемента 5 2ИЛИ выдел ютс  сигналы логических единиц, аналогичные сигналы выдел ютс  на их выходах и при выполнении услови  (8). Данные сигналы делают возможным открывание первого и второго ключей 16 и 17, а также пройд  соответственно через первый и второй инверторы 8 и 9 закрывают третий и четвертый ключи 3 и 4.

Первый 16 и второй 17 ключи при разр де пьезодвигател  24 открываютс  одновременно и периодически в соответствии с выходными сигналами первого 6 (фиг. 2К) и второго 7 (фиг. 2и) элементов 2И. Так же, как и в случае зар да пьезодвигател  24, врем  открывани  ключей ТШим пропорционально абсолютному значению разности задающего сигнала Do и приведенного значени  напр жени  на пьезодвигателе 24. Действие нелинейного элемента 10 и широтно-им- пульсного модул тора 11 описываетс  выражением (4). Таким образом, скорость разр да определ етс  временем включени  Тшим первого и второго ключей 16 и 17 в каждом периоде разр да, то есть пропорциональное абсолютному значению разности задающего сигнала и приведенного значени  напр жени  KgU24 на пьезодвигателе 24. При замыкании первого и второго ключей 16 и 17 образуетс  цепь разр да: первый ключ 16-пьезодвигатель 24-дроссель 15 - второй ключ 17 - обща  шина устройства . В конце цикла замыкани  в дросселе 15 накапливаетс  энерги  магнитного пол , возникающа  в результате преобразовани  части энергии электростатического пол  пьезодвигател  24. При размыкании первого и второго ключей 16 и 17 на выводах дроссел  15 возникает напр жение самоиндукции . Под действием данного напр жени  открываетс  пара выпр мительных элементов (первый и второй выпр мительные элементы 20 и 23, или второй и третий выпр мительные элементы 21 и 22 в зависимости от знака напр жени  самоиндукции, в свою очередь завис щего от знака напр жени  зар да пьезодвигател . Через пару выпр мительных элементов ток разр да пьезодвигател  действует на выход источника 14 питани . При этом энерги  зар да пьезодвигател  24, перешедша  при замыкании первого и второго ключей 16 и 17 в энергию магнитного пол  дроссел  15, возвращаетс  источнику 14 питани . Источник питани  может быть выполнен по обычной схеме (фиг. 3) и содержать силовой трансформатор , выпр мительный мост, накопительный элемент (конденсатор). В этом

случае возвращаема  источнику питани  энерги  идет на подзар д конденсатора. При этом напр жение Ui4 на выходе источника питани  14 повышаетс  (фиг. 2,л). В свою очередь, данный зар д конденсатора источника 14 питани  используетс  дл  питани  цепей устройства при следующем цикле зар да пьезодвигател  24. Цикл зар да пьезодвигател  24 рассматривалс  дл 

0 случа  положительного значени  задающего сигнала U0. При этом действовали второй 17 и третий 18 ключи. При отрицательном значении задающего сигнала устройство работает аналогично. Выходной сигнал сумма5 тора 1 определ етс  выражением (1) и принимает отрицательное значение. Соответственно на выходе нуль-органа 3 устанавливаетс  сигнал логического нул  (фиг, 2, в), что делает невозможным открывание вто0 рого ключа 17. На выходе элемента 4 2И-НЕ устанавливаетс  сигнал логической единицы , запрещающий открывание третьего ключа 18 и делающий возможным открывание первого ключа 16. Четвертый ключ 19

5 открываетс  в том случае, когда сигнал на выходе 5 2ИЛ И принимает значение логического нул . Дл  этого требуетс , чтобы не выполн лось условие (6). То есть при отрицательном значении напр жени  U24 на

0 пьезодвигателе 24 приведенное значение Kgl)24 меньше по абсолютному значению величины Uo. Одновременна  работа второго 17 и третьего 18 ключей и позвол ет осуществить зар д пьезодвигател  24 до отрица5 тельного напр жени . Величина среднего тока зар да определ етс  работой широт- но-импульсного модул тора 11 и пропорциональна разности абсолютных значений зар жающего сигнала U0 и приведенного

0 напр жени  на пьезодвигателе KgU24.

Из анализа работы предлагаемого устройства управлени  пьезодвигателем можно сделать следующие выводы:

При зар де пьезодвигател  до положи5 тельного или до отрицательного напр жени  ток зар да определ етс  временем открывани  дискретно-управл емых ключей . Ограничение тока зар да осуществл етс  за счет, включени  в зар дную цепь

0 дроссел  15. Так как в цепи зар да отсутствуют резистивные токоограничивающие элементы, потери энергии при зар де минимальны и определ ютс  остаточными напр жени ми на ключах и активной

5 составл ющей сопротивлени  обмотки дроссел  15, значени  которых невелики. Поэтому при зар де пьезодвигател  реализуетс  максимальный коэффициент полезного действи  устройства. При работе прототипа ток зар да, определ емый активним сопротивлением ключей, достигает существенно больших (в несколько раз)значе- нпй по сравнению с предлагаемым устройством. Это вызывает большие потери энергии в ключах.

При разр де пьезодвигател  накоплен- нг  в нем энерги  возвращаетс  источнику т тани . Это также  вл етс  существенным фактором повышени  коэффициента полезного действи  предлагаемого устройства. Устройство по прототипу не только не БОЗ- вр ащает энергии зар да пьезодвигател , но п( и разр де последнего потребл ет ток от источника питани . По этой же причине предлагаемое устройство имеет большую надежность и лучшее качество управлени . Нидежность повышаете  за счет улучшени  режима работы ключей, вследствие сглаживани  бросков тока. Качество управлени  возрастает за счет более главного управл - еъ ого зар да пьезодвигател , как в пределах одного периода за счет действи  дроссел , так и в пределах всего цикла зар да-разр да за счет действи  широтно-им- п льсного модул тора.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Устройство управлени  пьезодвигате- лем, содержащее четыре ключа, соединен- нь х в мостовую схему, одна из диагоналей которой соединена с источником напр жени , общий вывод первого и третьего ключе л  вл етс  первым выходом устройства и подключен к входу первого делител , св занного с шиной нулевого потенциала, выход первого делител  соединен с первым вхрдом сумматора, второй вход которого  вл етс  входом устройства, отличающеес  тем, что, с целью повышени  надежности , КПД и улучшени  качества управлени  устройства, в него введены второй делитель , токоограничительный дроссель, компаратор , нуль-орган, элементы 2И-НЕ, 2ИЛИ, два элемента 2И, четыре элемента односторонней проводимости, два инвертора , последовательно соединенные блок модул  и широтно-импульсный модул тор, выход которого соединен с первыми входами первого и второго элементов 2И, выходы которых подсоединены к управл ющим входам первого и второго ключей, вторые входы

   первого и второго элементов 2И соединены соответственно с выходами элемента 2И- НЕ и 2ИЛИ. а также - с входами соответствующих инверторов, выходы которых соединены с управл ющими входами соответственно третьего и четвертого ключей, первые входы элементов 2ИЛИ и 2И-НЕ соединены с выходом компаратора, вторые входы - с выходом нуль-органа, вход которого и вход блока модул  соединены с выходом сумматора, первый вход компаратора соединен с выходом первого делител , второй вход - с третьим входом сумматора и выходом второго делител , св занного с шиной нулевого потенциала, вход которого

   и первый вывод токоограничительного дроссел   вл ютс  вторым выходом устройства , второй выход токоограничительного дроссел  соединен с общим выводом четвертого и второго ключей, параллельно которым , а также первому и третьему ключам подсоединены соответствующие элементы односторонней проводимости.

   «

   3

   /7

   фиг Z