RU2039409C1

RU2039409C1 - Power supply unit of piezoelectric motor

Info

Publication number: RU2039409C1
Application number: RU93026028A
Authority: RU
Inventors: А.М. Полянский
Original assignee: Товарищество с ограниченной ответственностью "Котем"
Priority date: 1993-05-14
Filing date: 1993-05-14
Publication date: 1995-07-09

Abstract

FIELD: instrumentation engineering. SUBSTANCE: power supply unit of piezoelectric motor has master generator, pulse former, two keys, two transformers, controlled source of constant voltage and network of negative feedback stabilizing current in motor which are connected in certain way. EFFECT: ensured reliability of power supply. 4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для запитки пьезоэлектрических вибродвигателей. The invention relates to instrumentation and can be used to power piezoelectric vibration motors.

Известны блоки питания пьезоэлектрических двигателей, содержащие только прямой канал формирования управляющих сигналов, т.е. выполненные без цепей обратной связи. Piezoelectric motor power supplies are known that contain only a direct channel for generating control signals, i.e. made without feedback circuits.

Однако такие блоки питания не обеспечивают высокой стабильности характеристик двигателей, параметры которых меняются с температурой и временем. However, such power supplies do not provide high stability characteristics of engines whose parameters vary with temperature and time.

Этого недостатка лишены блоки питания с цепями обратной связи, в которых двигатель или преобразователь подключен к выходу операционного или транзисторного усилителя, преобразователя. Power supply units with feedback circuits are deprived of this drawback, in which the motor or converter is connected to the output of an operational or transistor amplifier, converter.

Однако эти блоки обладают низким КПД, так как не обеспечивают одномодового резонансного режима работы двигателя. However, these blocks have low efficiency, since they do not provide a single-mode resonant mode of operation of the engine.

Известен блок питания пьезоэлектрического двигателя, содержащий фильтрующий конденсатор, транзисторный усилитель, трансформатор, цепь обратной связи и клеммы для подключения двигателя. A known power supply unit of a piezoelectric engine containing a filtering capacitor, a transistor amplifier, a transformer, a feedback circuit and terminals for connecting a motor.

Поскольку в этом блоке цепь обратной связи питается от дополнительной обмотки трансформатора, к вторичной обмотке которого подключают двигатель, эффективный режим работы последнего чрезвычайно трудно обеспечить. Кроме того, через транзисторный усилитель протекают сквозные токи, что дополнительно снижает КПД блока. Since the feedback circuit in this unit is powered by an additional winding of the transformer, to the secondary winding of which the motor is connected, it is extremely difficult to ensure the effective operation of the latter. In addition, through currents flow through the transistor amplifier, which further reduces the efficiency of the unit.

Наиболее близким к предложенному является блок питания, который содержит задающий генератор, источник постоянного напряжения, первый выход которого соединен с общей шиной, два ключа и последовательно соединенные дроссель и узел подключения пьезоэлектрического двигателя, а также микропроцессор, третий ключ и четыре диода, причем управляющие входы ключей подключены к выходам генератора и микропроцессора, первый и второй ключи включены параллельно в цепь источника постоянного напряжения и зашунтированы диодами, дроссель включен последовательно со вторым ключом, а третий ключ и два диода включены между выводами дросселя и общей шиной. Closest to the proposed one is a power supply unit that contains a master oscillator, a constant voltage source, the first output of which is connected to a common bus, two keys and a choke and a piezoelectric motor connection unit in series, as well as a microprocessor, a third key and four diodes, with control inputs the keys are connected to the outputs of the generator and the microprocessor, the first and second keys are connected in parallel to the DC voltage source circuit and are shunted by diodes, the inductor is turned on consistently with the second key, and third key and two diodes connected between the throttle pin and the common bus.

Как уже отмечалось, подобная схема не обеспечивает стабилизации характеристик двигателя из-за отсутствия цепи обратной связи. Кроме того, описанное включение дросселя не позволяет в полной мере реализовать одномодовый резонансный режим работы двигателя, что снижает КПД схемы. К тому же эффекту проводят сквозные токи ключей. As already noted, such a scheme does not stabilize the characteristics of the engine due to the lack of a feedback circuit. In addition, the described inclusion of the inductor does not allow to fully realize the single-mode resonant mode of the engine, which reduces the efficiency of the circuit. To the same effect, pass-through currents of keys are carried out.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является улучшение потребительских качеств блока питания путем повышения стабильности и КПД двигателя с предлагаемым блоком. The problem to which the invention is directed, is to improve the consumer qualities of the power supply by increasing the stability and efficiency of the engine with the proposed unit.

Поставленная задача с достижением указанного технического результата решается за счет того, что блок питания пьезоэлектрического двигателя, содержащий задающий генератор, источник постоянного напряжения, первый выход которого соединен с общей шиной и последовательно соединенные дроссель и узел подключения пьезоэлектрического двигателя, снабжен управляемым формирователем импульсов, трансформаторами напряжения и тока и цепью обратной связи, при этом выход задающего генератора соединен с входом формирователя импульсов, выходы которого соединены с входами управления ключей, входы и выходы которых подключены соответственно к общей шине и крайним выводом первичной обмотки трансформатора напряжения, средний вывод которой соединен с вторым выходом источника постоянного напряжения, а дроссель и узел подключения пьезоэлектрического двигателя включены в цепь вторичной обмотки трансформатора напряжения и первичной обмотки трансформатора тока, вторичная обмотка которого подключена к входу цепи обратной связи, выход которой подключен к управляющему входу источника постоянного напряжения. The problem is achieved with the achievement of the specified technical result due to the fact that the power supply unit of the piezoelectric motor containing the master oscillator, a constant voltage source, the first output of which is connected to a common bus and connected in series to the inductor and the piezoelectric motor connection unit, is equipped with a controlled pulse shaper, voltage transformers and current and feedback circuit, while the output of the master oscillator is connected to the input of the pulse shaper, the outputs of which connected to the control inputs of the keys, the inputs and outputs of which are connected respectively to the common bus and the terminal of the primary winding of the voltage transformer, the middle terminal of which is connected to the second output of the DC voltage source, and the inductor and the piezoelectric motor connection are connected to the secondary winding of the voltage transformer and the primary winding of a current transformer, the secondary winding of which is connected to the input of the feedback circuit, the output of which is connected to the control input of the source oyannogo voltage.

Кроме того, выход цепи обратной связи может быть подключен к управляющему входу формирователя импульсов. In addition, the output of the feedback circuit can be connected to the control input of the pulse shaper.

При этом формирователь импульсов может быть выполнен в виде двух элементов задержки, двух элементов И и инвертора, вход которого соединен с входом формирователя импульсов, первым входом первого элемента И и входом первого элемента задержки, выход которого соединен с вторым входом первого элемента И, выход которого соединен с первым выходом формирователя импульсов, второй выход которого соединен с выходом второго элемента И, первый вход которого соединен с выходом инвертора и входом второго элемента задержки, выход которого соединен с вторым входом второго элемента И. In this case, the pulse shaper can be made in the form of two delay elements, two And elements and an inverter, the input of which is connected to the input of the pulse shaper, the first input of the first And element and the input of the first delay element, the output of which is connected to the second input of the first And element, the output of which connected to the first output of the pulse shaper, the second output of which is connected to the output of the second element And, the first input of which is connected to the output of the inverter and the input of the second delay element, the output of which is connected to second input of the second element I.

Коме того, цепь обратной связи может быть выполнена в виде последовательно соединенных усилителя переменного тока, выпрямителя, фильтра и усилителя постоянного тока. In addition, the feedback circuit can be made in the form of a series-connected AC amplifier, a rectifier, a filter and a DC amplifier.

На фиг.1 приведена функциональная схема блока питания; на фиг.2 и 3 иллюстрация выполнения формирователя импульсов и цепи обратной связи соответственно; на фиг.4 схематично показан двигатель с узлом подключения. Figure 1 shows the functional diagram of the power supply; figure 2 and 3 illustration of the implementation of the pulse shaper and the feedback circuit, respectively; figure 4 schematically shows an engine with a connection node.

Блок питания содержит задающий генератор 1, формирователь 2 импульсов, ключи 3 и 4, трансформатор 5, напряжения и трансформатор 6 тока, дроссель 7, цепь 8 обратной связи и источник 9 напряжения, а также узел 10 подключения пьезодвигателя 11. The power supply unit contains a master generator 1, a pulse shaper 2, switches 3 and 4, a transformer 5, a voltage and a current transformer 6, a choke 7, a feedback circuit 8 and a voltage source 9, as well as a piezoelectric motor connection unit 10.

Формирователь 2 предназначен для изменения скважности выходных импульсов генератора 1 за счет задержки переднего фронта импульсов или укорочения их длительности. Он может содержать элементы 12 задержки, элементы И 13 и инвертор 14. Возможно также использование формирователей укороченных импульсов регулируемой или управляемой длительности, так чтобы передний фронт выходных импульсов совпадал с фронтом выходного импульса генератора 1, а задний фронт отстоял от него на некоторую величину. В обоих случаях регулировка или управление длительностью импульса или задержки достигаются изменением постоянной времени соответствующей R-C-цепи, изменением номинала конденсатора или резистора, в качестве которых может быть использован полевой транзистор, варикап и т.п. Возможно также использование в качестве формирователя 2 известных цифровых и даже программных блоков и узлов. Цепь 8 обеспечивает преобразование переменного напряжения в постоянное и может содержать усилители 15 и 16, выпрямитель 17 и фильтр 18 низкой частоты (фиг.3). В качестве подобного преобразователя также может использоваться любая известная схема. Shaper 2 is designed to change the duty cycle of the output pulses of the generator 1 due to the delay of the leading edge of the pulses or shortening their duration. It may contain delay elements 12, elements And 13, and an inverter 14. It is also possible to use shapers of shortened pulses of adjustable or controlled duration, so that the leading edge of the output pulses coincides with the leading edge of the output pulse of generator 1, and the trailing edge is separated by a certain amount. In both cases, the adjustment or control of the pulse duration or delay is achieved by changing the time constant of the corresponding R-C circuit, changing the value of the capacitor or resistor, which can be used as a field effect transistor, varicap, etc. It is also possible to use 2 known digital and even software blocks and nodes as a shaper. The circuit 8 provides the conversion of alternating voltage to direct and may contain amplifiers 15 and 16, a rectifier 17 and a low-pass filter 18 (figure 3). As such a converter, any known circuit may also be used.

Узел 10 образован клеммами 19 и проводниками 20, соединенными с обкладками пьезокерамических пластин 21, заключенных между металлическими шайбами 22 (фиг.4). The node 10 is formed by terminals 19 and conductors 20 connected to the plates of the piezoceramic plates 21, enclosed between metal washers 22 (figure 4).

Блок питания работает следующим образом. The power supply operates as follows.

Вторичная обмотка трансформатора 5, дроссель 7, двигатель 11 и первичная обмотка трансформатора 6 образуют резонансный контур. Генератор 1 формирует меандр. Этот сигнал через формирователь 2 управляет работой ключей 3, 4, запитывающих трансформатор 5. При уменьшении тока в контуре цепь 8 формирует сигнал, приводящий к увеличению выходного напряжения источника 9 и уменьшению длительности выходных импульсов формирователя 2, что обеспечивает возвращение схемы к околорезонансному режиму работы и исключает протекание сквозных токов в первичной цепи трансформатора 5. В то же время дроссель 7 обеспечивает выделение основной гармоники колебаний в контуре, исключая реверсивные работы двигателя 11. The secondary winding of the transformer 5, the inductor 7, the motor 11 and the primary winding of the transformer 6 form a resonant circuit. Generator 1 forms a meander. This signal through the driver 2 controls the operation of the keys 3, 4, supplying the transformer 5. When the current in the circuit decreases, the circuit 8 generates a signal that leads to an increase in the output voltage of the source 9 and a decrease in the duration of the output pulses of the driver 2, which ensures that the circuit returns to the near-resonant mode of operation and eliminates the flow of through currents in the primary circuit of the transformer 5. At the same time, the inductor 7 provides the allocation of the main harmonic of oscillations in the circuit, excluding reverse operation of the motor 11.

Параметры элементов контура рассчитывают так, чтобы в установившемся режиме контур находился вблизи резонанса. В этом режиме задержка формирователя 2 может быть минимальной и даже отсутствовать. Эта задержка может устанавливаться вручную или в зависимости от сигнала на выходе схемы 8, на практике она составляет 1-4 мкс. The parameters of the circuit elements are calculated so that in steady state the circuit is near resonance. In this mode, the delay of the shaper 2 may be minimal or even absent. This delay can be set manually or depending on the signal at the output of circuit 8, in practice it is 1-4 μs.

Предлагаемая схема допускает расстройку 30-35% без существенного снижения КПД. Индуктивность дросселя 7 составляет 2-3 тысячи мкГн. Дроссель наматывают на прессованных пермалоевых кольцах 12 мм, первичная обмотка 2х50 витков, вторичная 50-65 витков. Диаметр трансформатора 5-6 мм, первичная обмотка из одного витка, во вторичной 40-50 витков. The proposed scheme allows detuning 30-35% without a significant reduction in efficiency. The inductance of the inductor 7 is 2-3 thousand μH. The inductor is wound on pressed permaloy rings 12 mm, the primary winding is 2x50 turns, the secondary is 50-65 turns. The diameter of the transformer is 5-6 mm, the primary winding is from one turn, in the secondary 40-50 turns.

Проведенные испытания показали, что предложенный блок питания обеспечивает высокий КПД двигателя, т.е. является экономичным, и высокую стабильность работы двигателя, особенно после пуска при выходе на режим. The tests showed that the proposed power supply provides high engine efficiency, i.e. It is economical, and high stability of the engine, especially after starting when entering the mode.

Claims

1. POWER SUPPLY OF A PIEZOELECTRIC ENGINE, comprising a master oscillator, a constant voltage source, the first output of which is connected to a common bus, and a choke and a piezoelectric motor connecting unit connected in series, characterized in that it is equipped with a controlled pulse shaper, voltage and current transformers and a reverse circuit communication, while the output of the master oscillator is connected to the input of the pulse shaper, the outputs of which are connected to the control inputs of the keys, the inputs and outputs of which are connected are connected respectively to the common bus and the extreme terminals of the primary winding of the voltage transformer, the middle terminal which is connected to the second output of the DC voltage source, and the inductor and the piezoelectric motor connection unit are included in the secondary circuit of the voltage transformer and the primary winding of the current transformer, the secondary winding of which is connected to the input feedback circuit, the output of which is connected to the control input of a constant voltage source.

2. The block according to claim 1, characterized in that the output of the feedback circuit is connected to the control input of the pulse shaper.

3. The block according to claim 1, characterized in that the pulse shaper is made in the form of two delay elements, two And elements and an inverter, the input of which is connected to the input of the pulse shaper, the first input of the first And element and the input of the first delay element, the output of which is connected with the second input of the first element And, the output of which is connected to the first output of the pulse shaper, the second output of which is connected to the output of the second element And, the first input of which is connected to the output of the inverter and the input of the second delay element, the output is cat cerned coupled to a second input of the second element I.

4. The block according to claim 1, characterized in that the feedback circuit is made in the form of series-connected AC amplifier, rectifier, filter and DC amplifier.