RU2608842C1 - Self-sensitive linear piezoelectric actuator control device - Google Patents

Self-sensitive linear piezoelectric actuator control device Download PDF

Info

Publication number
RU2608842C1
RU2608842C1 RU2015141183A RU2015141183A RU2608842C1 RU 2608842 C1 RU2608842 C1 RU 2608842C1 RU 2015141183 A RU2015141183 A RU 2015141183A RU 2015141183 A RU2015141183 A RU 2015141183A RU 2608842 C1 RU2608842 C1 RU 2608842C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
input
output
integrator
comparator
control
Prior art date
Application number
RU2015141183A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виталий Анатольевич Бардин
Валерий Анатольевич Васильев
Николай Валентинович Громков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет")
Федеральное государственное унитарное предприятие федеральный научно-производственный центр "Производственное объединение "Старт" имени М.В. Проценко" (ФГУП ФНПЦ "ПО "Старт" им. М.В. Проценко")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет"), Федеральное государственное унитарное предприятие федеральный научно-производственный центр "Производственное объединение "Старт" имени М.В. Проценко" (ФГУП ФНПЦ "ПО "Старт" им. М.В. Проценко") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет")
Priority to RU2015141183A priority Critical patent/RU2608842C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2608842C1 publication Critical patent/RU2608842C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P31/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors not provided for in groups H02P1/00 - H02P5/00, H02P7/00 or H02P21/00 - H02P29/00

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering and can be used for driving of various devices in precision instruments making, in optical systems, in nanotechnologies systems. Piezoelectric actuator control device comprises working electrodes installed on its one opposite edges. Piezo motor contains voltage amplifier, frequency setting unit, connected with comparator element and with control voltage control unit. Bridge measuring circuit consists of first and second resistors, which form two opposite arms, four capacitors, second and third of which form two other opposite arms, and first and fourth capacitors are connected parallel to first and second resistors, respectively. Also included are control voltage generating unit, integrator, comparator, current amplifier and optocouple. First and fourth capacitors electrodes have comb shape and are made on piezoelectric element other opposite edges, parallel to direction of movement. Bridge measuring circuit measuring diagonal first output is connected to integrator first input, and its second output is connected to integrator second input and comparator second input. Integrator output is connected to comparator first input. Comparator output is connected to current amplifier input, to integrator third input and bridge measuring circuit supply diagonal first output, which second output is connected to common power bus. Current amplifier output is connected to optocouple input, and its output is connected to comparator second input and to frequency setting unit first input, having second input to supply control signal. Frequency setting unit output is connected to comparison element first input and control voltage control unit second input, and its output via control voltage forming unit is connected to voltage amplifier input, which output terminals are connected to piezo actuator outputs.
EFFECT: technical result consists in simplification of control and increasing reliability and reduction of dimensions.
1 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к области электромеханики и пьезотехники, может быть использовано для привода различных устройств в прецизионном приборостроении, в оптических системах, в системах нанотехнологий.The invention relates to the field of electromechanics and piezotechnics, can be used to drive various devices in precision instrumentation, in optical systems, in nanotechnology systems.

Известен пьезоэлектрический двигатель [1]. Он состоит из пьезопакета с осевым отверстием, с которым сопряжены опорные элементы со сферическими внешними поверхностями. Один опорный элемент связан с упругим корпусом, а второй опорный элемент с винтом, обеспечивающим зажатие пьезопакета между двумя опорными элементами. Когда на пьезопакет подается управляющее напряжение, он удлиняется по оси и сжимается по диаметру. Уменьшение диаметра отверстия в пьезопакете приводит при этом к выжиманию опорных элементов из отверстия благодаря сферической форме их поверхностей. При изменении знака управляющего напряжения пьезопакет уменьшается в длину и расширяется по диаметру. Увеличение при этом диаметра отверстия приводит к тому, что опорные элементы входят в него под действием упругого корпуса. Недостатки устройства: отсутствует компенсация нелинейности перемещения, которая обусловлена гистерезисом; наличие механической компенсации температурной погрешности приводит к износу трущихся поверхностей между опорными элементами со сферическими внешними поверхностями и пьезопакетом, из-за чего снижается точность позиционирования, уменьшается нагрузочное усилие и уменьшается срок службы.Known piezoelectric engine [1]. It consists of a piezoelectric pack with an axial hole, with which supporting elements are coupled with spherical external surfaces. One supporting element is connected with the elastic body, and the second supporting element with a screw, which ensures that the piezoelectric packet is clamped between the two supporting elements. When a control voltage is applied to the piezoelectric packet, it lengthens along the axis and contracts in diameter. Reducing the diameter of the hole in the piezoelectric packet thus leads to squeezing the support elements from the hole due to the spherical shape of their surfaces. When the sign of the control voltage changes, the piezoelectric packet decreases in length and expands in diameter. The increase in diameter of the hole in this case leads to the fact that the supporting elements enter it under the action of an elastic body. The disadvantages of the device: there is no compensation for the nonlinearity of movement, which is due to hysteresis; the presence of mechanical compensation of the temperature error leads to wear of the rubbing surfaces between the supporting elements with spherical outer surfaces and the piezoelectric packet, which reduces the accuracy of positioning, decreases the load force and decreases the service life.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является устройство для управления пьезоэлектрическим двигателем [2] (прототип), содержащее пьезоэлектрический двигатель и датчик обратной связи. Выходной сигнал с датчика обратной связи, пропорциональный текущему значению измеряемого параметра (скорости), поступает на один из входов элемента сравнения, другой вход которого подключен к выходу блока задания параметра движения (скорости вращения). Выходной сигнал элемента сравнения - сигнал ошибки ε(t) - через блок регулирования управляемого параметра поступает на управляющий вход управляемого фазовращателя. Сигнал со свободных электродов пьезорезонатора пьезоэлектрического двигателя через переключатель поступает на вход избирательного усилителя. Выход избирательного усилителя подключен к сигнальному входу управляемого фазовращателя, выход которого соединен со входом усилителя. Выходной сигнал с этого усилителя через переключатель поступает на рабочие электроды пьезорезонатора пьезодвигателя.The closest in technical essence to the proposed solution is a device for controlling a piezoelectric motor [2] (prototype), containing a piezoelectric motor and a feedback sensor. The output signal from the feedback sensor, proportional to the current value of the measured parameter (speed), is fed to one of the inputs of the comparison element, the other input of which is connected to the output of the unit for setting the motion parameter (rotation speed). The output signal of the comparison element, the error signal ε (t), is fed through the control unit of the controlled parameter to the control input of the controlled phase shifter. The signal from the free electrodes of the piezoelectric resonator of the piezoelectric engine through the switch enters the input of the selective amplifier. The output of the selective amplifier is connected to the signal input of the controlled phase shifter, the output of which is connected to the input of the amplifier. The output signal from this amplifier through a switch is fed to the working electrodes of the piezoelectric resonator of the piezoelectric motor.

Принцип его работы основан на управлении параметра движения пьезоэлектрического двигателя путем регулирования угла сдвига фаз напряжения на свободных электродах в функции сигнала рассогласования по управляемому параметру (скорости) с помощью управляемого фазовращателя. Управляемый фазовращатель и избирательный усилитель позволяют реализовать отслеживание управляемого параметра (рабочей частоты в районе резонансного значения) путем организации автогенераторного процесса, используя напряжение на свободных электродах в качестве сигнала обратной связи и осуществляя сдвиг фазы этого напряжения на величину, необходимую для выполнения условий самовозбуждения на заданной частоте. Это обеспечивает работоспособность предлагаемого устройства в условиях реверса и при изменениях момента нагрузки в рабочем диапазоне.The principle of its operation is based on controlling the motion parameter of the piezoelectric motor by adjusting the phase angle of the voltage across the free electrodes as a function of the error signal according to a controlled parameter (speed) using a controlled phase shifter. A controlled phase shifter and a selective amplifier make it possible to monitor a controlled parameter (operating frequency in the region of a resonant value) by organizing a self-generating process, using the voltage on free electrodes as a feedback signal and performing a phase shift of this voltage by an amount necessary to fulfill the self-excitation conditions at a given frequency . This ensures the operability of the proposed device under reverse conditions and with changes in the load moment in the operating range.

Недостатком прототипа является наличие компонентов, усложняющих конструкцию устройства. К ним относятся: датчик частоты вращения - датчик обратной связи, закрепленный на пьезодвигателе, управляемый фазовращатель, избирательный усилитель, требующие прецизионной настройки. Необходим контроль дополнительных параметров (максимального угла фаз и полосы пропускания), при этом полоса пропускания должна быть шире области частот, внутри которой группируются резонансные частоты пьезодвигателя и одновременно достаточно узкой, чтобы надежно подавлять сигналы паразитных частот.The disadvantage of the prototype is the presence of components that complicate the design of the device. These include: a speed sensor - a feedback sensor mounted on a piezoelectric motor, a controllable phase shifter, a selective amplifier that require precision tuning. It is necessary to control additional parameters (maximum phase angle and passband), while the passband should be wider than the frequency region inside which the resonant frequencies of the piezomotor are grouped and at the same time narrow enough to reliably suppress stray frequencies.

Таким образом, прототипу свойственно избыточное усложнение конструкции, которое приводит к увеличению габаритных размеров, трудоемкости изготовления и уменьшению его надежности.Thus, the prototype is characterized by excessive complexity of the design, which leads to an increase in overall dimensions, the complexity of manufacturing and a decrease in its reliability.

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства управления самочувствительным линейным пьезоэлектрическим актюатором (пьезоактюатором), которое имеет относительно простую конструкцию, уменьшенные габаритные размеры, высокую точность позиционирования, слабозависящую от нестабильности источника питания, повышенную надежность и технологичность изготовления.The objective of the invention is to provide a control device for a self-sensitive linear piezoelectric actuator (piezo actuator), which has a relatively simple design, reduced overall dimensions, high positioning accuracy, weakly dependent on the instability of the power source, increased reliability and manufacturability.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции устройства управления линейным пьезоэлектрическим актюатором, повышение надежности, уменьшение габаритных размеров, обеспечение высокой точности управления перемещением, расширение функциональных возможностей пьезоэлектрического актюатора, уменьшение влияния нестабильности источника питания.The technical result of the invention is to simplify the design of the control device of a linear piezoelectric actuator, increase reliability, reduce overall dimensions, ensure high accuracy of motion control, expand the functionality of the piezoelectric actuator, reduce the influence of instability of the power source.

Это достигается тем, что в устройстве управления самочувствительным линейным пьезоэлектрическим актюатором (самочувствительным пьезоактюатором), содержащем пьезоактюатор в виде пьезоэлемента с электродами, установленными на его одних противоположных гранях, усилитель напряжения, блок задания частоты, соединенный с первым входом элемента сравнения, выход которого подключен к входу блока регулирования управляющего напряжения, в соответствии с предлагаемым изобретением введена мостовая измерительная цепь из двух (первого и второго) резисторов, образующих два противоположных ее плеча, четырех (первого - четвертого) конденсаторов, два из которых (второй и третий) образуют два других противоположных плеча, а первый и четвертый конденсаторы подключены параллельно первому и второму резисторам соответственно, также введены интегратор, компаратор, усилитель тока и оптопара, при этом электроды (обкладки) первого и четвертого конденсаторов имеют гребенчатую форму и сформированы на других противоположных гранях пьезоэлемента, параллельных направлению перемещения, первый вывод измерительной диагонали мостовой измерительной цепи соединен с первым входом (входным выводом) интегратора, а второй вывод измерительной диагонали мостовой измерительной цепи соединен со вторым входом (входным выводом) интегратора и вторым входом (входным выводом) компаратора, выход интегратора подключен к первому входу (входному выводу) компаратора, при этом его выход соединен со входом усилителя тока, с третьим входом (входным выводом) интегратора и первым выводом питающей диагонали мостовой измерительной цепи, второй вывод которой соединен с общей шиной питания, выход усилителя тока подключен к входу оптопары, а ее выход соединен со вторым входом (входным выводом) элемента сравнения и с первым входом (входным выводом) блока задания частоты, имеющего второй вход (входной вывод) для подачи сигнала управления, при этом выход блока задания частоты соединен со вторым входом (входным выводом) блока регулирования управляющего напряжения, выход последнего через блок формирования управляющего напряжения соединен со входом усилителя напряжения, выходные выводы которого подключены к выводам (обкладкам) пьезоэлемента.This is achieved by the fact that in the control device of a self-sensitive linear piezoelectric actuator (self-sensitive piezoelectric actuator) containing a piezoelectric actuator in the form of a piezoelectric element with electrodes mounted on its opposite sides, a voltage amplifier, a frequency setting unit connected to the first input of the comparison element, the output of which is connected to the input of the control voltage regulation unit, in accordance with the invention, a bridge measuring circuit of two (first and second) p of resistors forming two opposite arms of it, four (first to fourth) capacitors, two of which (second and third) form two other opposite arms, and the first and fourth capacitors are connected in parallel to the first and second resistors respectively, an integrator, a comparator, an amplifier are also introduced current and an optocoupler, while the electrodes (plates) of the first and fourth capacitors are comb-shaped and formed on other opposite faces of the piezoelectric element parallel to the direction of movement, the first One measuring diagonal of the bridge measuring circuit is connected to the first input (input terminal) of the integrator, and the second output of the measuring diagonal of the bridge measuring circuit is connected to the second input (input terminal) of the integrator and the second input (input terminal) of the comparator, the output of the integrator is connected to the first input (input) the output) of the comparator, while its output is connected to the input of the current amplifier, with the third input (input output) of the integrator and the first output of the supply diagonal of the bridge measuring circuit, the second output of which th is connected to a common power bus, the output of the current amplifier is connected to the input of the optocoupler, and its output is connected to the second input (input output) of the comparison element and to the first input (input output) of the frequency setting unit, which has a second input (input output) for supplying a signal control, the output of the frequency setting unit is connected to the second input (input output) of the control voltage control unit, the output of the latter through the control voltage generation unit is connected to the input of the voltage amplifier, the output terminals of which keys to the terminals (the plates) of the piezoelement.

На фиг. 1 показана блок-схема устройства. Устройство содержит блок формирования управляющего напряжения 1, усилитель напряжения 2, самочувствительный линейный пьезоэлектрический актюатор - пьезоактюатор 3, мостовую измерительную цепь 4, интегратор 5, компаратор 6, усилитель тока 7, оптопару 8, блок задания частоты 9, элемент сравнения 10 и блок регулирования управляющего напряжения 11.In FIG. 1 shows a block diagram of a device. The device comprises a control voltage generating unit 1, a voltage amplifier 2, a self-sensitive linear piezoelectric actuator — a piezo actuator 3, a bridge measuring circuit 4, an integrator 5, a comparator 6, a current amplifier 7, an optocouple 8, a frequency setting unit 9, a comparison unit 9, a control element 10 and a control regulation unit voltage 11.

Первый выходной вывод мостовой измерительной цепи 4 соединен с первым входным выводом интегратора 5, а второй ее выход соединен со вторым входным выводом интегратора 5 и вторым входным выводом компаратора 6. Выход интегратора 5 подключен к первому входному выводу компаратора 6, а выход компаратора соединен с первым выводом питающей диагонали мостовой измерительной цепи 4, второй входной вывод которой соединен с общей шиной питания. Кроме того, выход компаратора 6 соединен с третьим входным выводом интегратора 5 и со входом усилителя тока 7, выход которого подключен к входу оптопары 8, а ее выход соединен с первым входным выводом блока задания частоты 9 и со вторым входным выводом элемента сравнения 10, выход которого подключен к первому входному выводу блока регулирования управляющего напряжения 11. Выход последнего соединен со входом усилителя напряжения 2 (усилителя постоянного напряжения) через блок регулирования управляющего напряжения 11. Выходные выводы усилителя напряжения 2 подключены к рабочим выводам (электродам) пьезоактюатора 3. Выводы первого измерительного конденсатора 14 (C1) (фиг. 2) на поверхности пьезоэлемента (пьезоактюатора) подключены к выводам первого резистора 12 (R1) мостовой измерительной цепи 4, а выводы второго измерительного конденсатора 17 (С4) на противоположной поверхности пьезоэлемента (пьезоактюатора) подключены к выводам второго резистора 13 (R2) мостовой измерительной цепи 4. На второй вход блока задания частоты 9 (фиг. 1, фиг. 2) подается внешний сигнал управления, а его выход соединен с первым входным выводом элемента сравнения 10 и со вторым входным выводом блока регулирования управляющего напряжения 11.The first output terminal of the bridge measuring circuit 4 is connected to the first input terminal of the integrator 5, and its second output is connected to the second input terminal of the integrator 5 and the second input terminal of the comparator 6. The output of the integrator 5 is connected to the first input terminal of the comparator 6, and the output of the comparator is connected to the first the output of the supply diagonal of the bridge measuring circuit 4, the second input terminal of which is connected to a common power bus. In addition, the output of the comparator 6 is connected to the third input terminal of the integrator 5 and to the input of the current amplifier 7, the output of which is connected to the input of the optocoupler 8, and its output is connected to the first input terminal of the frequency setting unit 9 and the second input terminal of the comparison element 10, output which is connected to the first input terminal of the control voltage control unit 11. The output of the latter is connected to the input of voltage amplifier 2 (constant voltage amplifier) through the control voltage control unit 11. Output outputs of the amplifier voltages 2 are connected to the working terminals (electrodes) of the piezoelectric actuator 3. The terminals of the first measuring capacitor 14 (C1) (Fig. 2) on the surface of the piezoelectric element (piezoelectric actuator) are connected to the terminals of the first resistor 12 (R1) of the bridge measuring circuit 4, and the terminals of the second measuring capacitor 17 (C4) on the opposite surface of the piezoelectric element (piezoelectric actuator) are connected to the terminals of the second resistor 13 (R2) of the bridge measuring circuit 4. At the second input of the frequency setting unit 9 (FIG. 1, FIG. 2) an external control signal is supplied, and its output is connected to the first input terminal of the comparison element 10 and to the second input terminal of the control voltage control unit 11.

На фиг. 2 показана функциональная электрическая схема устройства. На ней вместе с функциональными блоками 1, 2, 9, 10, 11 (см. фиг. 1) подробно показаны электрические схемы блоков 4, 5, 6, 7, 8 и структурная схема пьезоактюатора 3.In FIG. 2 shows a functional electrical diagram of a device. Together with the functional blocks 1, 2, 9, 10, 11 (see Fig. 1), it shows in detail the electrical circuits of blocks 4, 5, 6, 7, 8 and the structural diagram of the piezo actuator 3.

Пьезоактюатор 3 имеет два рабочих электрода (обкладки) и по два измерительных электрода в форме гребенки, сформированных на смежных поверхностях пьезоактюатора, параллельных направлению перемещения, и образующих два конденсатора 14 (C1) и 17 (С4), емкость которых изменяется при деформации пьезоактюатора. Рабочие электроды (обкладки) пьезоактюатора 3 подключены к выходу усилителя напряжения 2, а измерительные электроды подключены к мостовой измерительной цепи 4. Мостовая измерительная цепь 4 состоит из двух резисторов 12 (R1) и 13 (R2), образующих два противоположных ее плеча, четырех конденсаторов 14 (С1), 15 (С2), 16 (С3) и 17 (С4), два из которых 15 (С2), 16 (С3) образуют два других противоположных плеча, а два других 14 (С1) и 17 (С4) подключены параллельно резисторам 12 (R1) и 13 (R2). К одной вершине мостовой измерительной цепи 4 (между резистором 12 (R1) и конденсатором 16 (С3)) подключен дополнительный резистор 18 (Rд1), а к противоположной вершине - дополнительный резистор 19 (Rд2).The piezo actuator 3 has two working electrodes (plates) and two measuring electrodes in the form of a comb, formed on adjacent surfaces of the piezo actuator, parallel to the direction of movement, and forming two capacitors 14 (C1) and 17 (C4), the capacitance of which changes with the deformation of the piezo actuator. The working electrodes (plates) of the piezoelectric actuator 3 are connected to the output of the voltage amplifier 2, and the measuring electrodes are connected to the bridge measuring circuit 4. The bridge measuring circuit 4 consists of two resistors 12 (R1) and 13 (R2), forming two opposite arms, four capacitors 14 (C1), 15 (C2), 16 (C3) and 17 (C4), two of which 15 (C2), 16 (C3) form the other two opposite arms, and the other two 14 (C1) and 17 (C4) connected in parallel with resistors 12 (R1) and 13 (R2). An additional resistor 18 (R d1 ) is connected to one vertex of the bridge measuring circuit 4 (between the resistor 12 (R1) and the capacitor 16 (C3)), and an additional resistor 19 (R d2 ) is connected to the opposite vertex.

Интегратор 5 состоит из резистора интегратора 20 (Rи), второго резистора интегратора 21 (R0), дозирующего конденсатора 22 (Сд), конденсатора интегратора 23 (Си), операционного усилителя 24 (ОУ1). Компаратор 6 выполнен на операционном усилителе 25 (ОУ2).The integrator 5 consists of an integrator resistor 20 (R and ), a second integrator resistor 21 (R 0 ), a metering capacitor 22 (C d ), an integrator capacitor 23 (C), an operational amplifier 24 (OS1). The comparator 6 is made on an operational amplifier 25 (OU2).

Усилитель тока 7 выполнен на операционном усилителе 26 (ОУЗ), включенном по схеме повторителя напряжения. Входная цепь оптопары 8 (светодиод) подключена к выходу операционного усилителя 26 и к общей шине питания, а выходная цепь (фототранзистор) - к плюсу питания (+5 В), первому входному выводу элемента сравнения 10 и к второму входному выводу блока задания частоты 9. Блок задания частоты 9, элемент сравнения 10, блок регулирования управляющего напряжения 11 и блок формирования управляющего напряжения 1 могут быть выполнены в виде микроконтроллера.The current amplifier 7 is made on the operational amplifier 26 (OUZ), included according to the voltage follower circuit. The input circuit of the optocoupler 8 (LED) is connected to the output of the operational amplifier 26 and to the common power bus, and the output circuit (phototransistor) is connected to the power plus (+5 V), the first input terminal of the comparison element 10 and the second input terminal of the frequency setting unit 9 The frequency setting unit 9, the comparison element 10, the control voltage control unit 11 and the control voltage generating unit 1 can be made in the form of a microcontroller.

Устройство управления самочувствительным линейным пьезоэлектрическим актюатором работает следующим образом (см. фиг. 1). Пьезоактюатор 3 выполняет две функции: исполнительного механизма и датчика обратной связи (датчика деформации), то есть является самочувствительным. Сигнал управления пьезоактюатором 3 поступает на него от блока задания частоты 9 через элемент сравнения 10, блок регулирования управляющего напряжения 11, блок формирования управляющего напряжения 1, усилитель напряжения 2. При пошаговом изменении постоянного электрического напряжения на обкладках пьезоактюатора 3 (пьезоэлемента) происходит его удлинение или сжатие (изменение линейных размеров) соответственно, осуществляется в ту или другую сторону перемещение подсоединенной к нему механической нагрузки. С изменением линейных размеров пьезоактюатора 3 пропорционально изменяется электрическая емкость между электродами измерительных конденсаторов 14 (C1) и 17 (С4), которые имеют форму гребенки и сформированы на соседних поверхностях с рабочими электродами. Изменение емкостей измерительных конденсаторов 14 (C1) и 17 (С4) пьезоактюатора 3 приводит к разбалансу мостовой измерительной цепи 4, в которую они включены. Включение в мостовую измерительную цепь двух конденсаторов компенсирует погрешности внешних воздействующих факторов и повышает точность измерения емкости.The control device self-sensitive linear piezoelectric actuator operates as follows (see Fig. 1). The piezo actuator 3 performs two functions: an actuator and a feedback sensor (deformation sensor), that is, it is self-sensitive. The control signal of the piezoelectric actuator 3 is supplied to it from the frequency setting unit 9 through the comparison element 10, the control voltage regulating unit 11, the control voltage generating unit 1, the voltage amplifier 2. When stepwise changing the constant voltage on the plates of the piezoelectric actuator 3 (piezoelectric element), it lengthens or compression (change in linear dimensions), respectively, is carried out in one direction or another moving the connected mechanical load. With a change in the linear dimensions of the piezoelectric actuator 3, the electric capacitance proportionally changes between the electrodes of the measuring capacitors 14 (C1) and 17 (C4), which are comb-shaped and formed on adjacent surfaces with working electrodes. Changing the capacitance of the measuring capacitors 14 (C1) and 17 (C4) of the piezoelectric actuator 3 leads to an imbalance of the bridge measuring circuit 4, in which they are included. The inclusion of two capacitors in the bridge measuring circuit compensates for the errors of external factors and increases the accuracy of the capacitance measurement.

Питание мостовой измерительной цепи осуществляется двухполярным напряжением питания типа «меандр» с выхода компаратора 6.The bridge measuring circuit is powered by a bipolar meander voltage from the output of the comparator 6.

Для задания начальной частоты при нулевом разбалансе моста из резисторов 12, 13, конденсаторов 14, 15, 16 и пьезоактюатора 3 (фиг. 2) в диагональ питания моста включены дополнительные резисторы 18 (Rд1) и 19 (Rд2), а к инвертирующему входу операционного усилителя 24 (ОУ1) интегратора подключен резистор 21 (R0).To set the initial frequency at zero imbalance of the bridge from resistors 12, 13, capacitors 14, 15, 16 and piezoactuator 3 (Fig. 2), additional resistors 18 (R d1 ) and 19 (R d2 ) are included in the diagonal of the bridge power supply, and to the inverting one the input of the operational amplifier 24 (OS1) of the integrator is connected to a resistor 21 (R 0 ).

Разбаланс мостовой измерительной цепи 4 с включенными в нее измерительными конденсаторами 14 (C1) и 17 (С4) пьезоактюатора 3 вызывает изменение частоты сигнала на выходе компаратора 6, который далее поступает на усилитель тока 7 и затем на оптопару 8 (служит для гальванической развязки). С выхода оптопары 8 частотный сигнал поступает на блок задания частоты 9 и элемент сравнения 10, который сравнивает этот сигнал с частотой сигнала, поступающего с блока задания частоты 9.The imbalance of the bridge measuring circuit 4 with the measuring capacitors 14 (C1) and 17 (C4) of the piezo actuator 3 included in it causes a change in the frequency of the signal at the output of the comparator 6, which then goes to the current amplifier 7 and then to the optocouple 8 (serves for galvanic isolation). From the output of the optocoupler 8, the frequency signal is supplied to the frequency reference unit 9 and the comparison element 10, which compares this signal with the frequency of the signal from the frequency reference unit 9.

Блок задания частоты 9 имеет два входа. На первый вход подается внешний сигнал управления (аналоговый или кодовый). На второй вход поступает частотный сигнал с выхода оптопары 8, который используется для установки начальной частоты выходного частотного сигнала блока задания частоты 9. Такая установка производится при включении питания, а также может быть осуществлена при каждом возврате пьезоактюатора в исходное состояние (нулевую точку или точку начала отсчета). То есть по сигналу с выхода оптопары 8 производится коррекция управляющего сигнала на выходе блока задания частоты 9 (подстройка частоты начального управляющего сигнала с выхода блока задания частоты 9 под начальную частоту сигнала с выхода интегратора 5).The frequency setting unit 9 has two inputs. An external control signal (analog or code) is applied to the first input. The second input receives a frequency signal from the output of the optocoupler 8, which is used to set the initial frequency of the output frequency signal of the frequency setting unit 9. This setting is made at power-up, and can also be performed each time the piezo actuator is returned to its initial state (zero point or start point reference). That is, according to the signal from the output of the optocoupler 8, the control signal is corrected at the output of the frequency reference unit 9 (tuning the frequency of the initial control signal from the output of the frequency reference unit 9 to the initial frequency of the signal from the output of the integrator 5).

При последующем изменении управляющего сигнала на блоке задания частоты 9 сигнал с выхода оптопары 8 не используется. Элемент сравнения 10 выделяет разностный сигнал между управляющим сигналом от блока задания частоты 9 и сигналом обратной связи, поступающей от оптопары 8.When the control signal is subsequently changed at the frequency setting unit 9, the signal from the output of the optocoupler 8 is not used. The comparison element 10 selects the difference signal between the control signal from the frequency setting unit 9 and the feedback signal from the optocoupler 8.

Далее разностный сигнал с элемента сравнения 10 подается на блок регулирования управляющего напряжения 11, на этот же блок подается сигнал с блока задания частоты 9. В блоке регулирования управляющего напряжения 11 корректируется сигнал управления на величину, пропорциональную сигналу от элемента сравнения 10. Далее, с блока регулирования управляющего напряжения 11 скорректированный сигнал поступает на блок формирования управляющего напряжения 1, который формирует аналоговый сигнал, поступающий на пьезоактюатор 3 через усилитель напряжения 2.Next, the difference signal from the comparison element 10 is supplied to the control voltage control unit 11, the signal from the frequency setting unit 9 is supplied to the same block. In the control voltage control unit 11, the control signal is corrected by a value proportional to the signal from the comparison element 10. Next, from the block control voltage control 11, the corrected signal is fed to the control voltage generating unit 1, which generates an analog signal supplied to the piezo actuator 3 through a voltage amplifier i 2.

Таким образом, в предлагаемом устройстве управления самочувствительным линейным пьезоэлектрическим актюатором нелинейность зависимости его перемещения от управляющего напряжения, возникающая из-за гистерезиса, ползучести и последействия, устраняется путем коррекции частотного сигнала, поступающего на блок регулирования управляющего напряжения 11, на величину фактического отклонения частоты сигнала с выхода интегратора 5 от частоты сигнала управления с блока задания частоты 9.Thus, in the proposed control device of the self-sensitive linear piezoelectric actuator, the non-linearity of the dependence of its movement on the control voltage arising due to hysteresis, creep and aftereffect is eliminated by correcting the frequency signal supplied to the control voltage control unit 11 by the value of the actual deviation of the signal frequency from the output of the integrator 5 from the frequency of the control signal from the frequency reference unit 9.

Работоспособность предлагаемого устройства подтверждена проведенными теоретическими и экспериментальными исследованиями.The performance of the proposed device is confirmed by theoretical and experimental studies.

В качестве пьезоактюатора, для примера, был взят монолитный пьезоэлемент 6×50×4 мм из НЦТС-1 (фиг. 7), с интегрированными на двух его боковых поверхностях свободных от рабочих электродов (4×25 мм) толстопленочными конденсаторами с электрической емкостью 971,7 пкФ. Электроды образуют гребенчатую структуру с длиной проводников 3 мм, высотой 0,015 мм, шириной 0,2 мм и расстоянием между ними 0,2 мм (фиг. 7) и выполнены в соответствующих углублениях на поверхности пьезоэлемента.As a piezoelectric actuator, for example, a monolithic piezoelectric element 6 × 50 × 4 mm from NCTS-1 (Fig. 7) was taken, with thick-film capacitors with an electric capacity of 971 integrated on its two side surfaces free of working electrodes (4 × 25 mm) , 7 pcF. The electrodes form a comb structure with a length of conductors of 3 mm, a height of 0.015 mm, a width of 0.2 mm and a distance between them of 0.2 mm (Fig. 7) and are made in the corresponding recesses on the surface of the piezoelectric element.

Была получена функция преобразования относительного изменения частоты на выходе компаратора 6 от относительного изменения двух измерительных емкостей на поверхности пьезоактюатора (пьезоэлемента) 3 (см. фиг. 2) исходя из следующих соображений.A function was obtained to convert the relative change in frequency at the output of the comparator 6 from the relative change in two measuring capacitances on the surface of the piezoelectric actuator (piezoelectric element) 3 (see Fig. 2) based on the following considerations.

При подаче к обкладкам пьезоактюатора управляющего напряжения он деформируется (сжимается-расширяется). В результате расстояние между обкладками изменяется, соответственно изменяется его емкость:When a control voltage is applied to the plates of the piezoelectric actuator, it deforms (contracts, expands). As a result, the distance between the plates changes, respectively, its capacity changes:

Figure 00000001
Figure 00000001

где ε0 - диэлектрическая постоянная в вакууме; εr - относительная диэлектрическая постоянная диэлектрика, А - площадь области между поверхностями и h - расстояние между поверхностями.where ε 0 is the dielectric constant in vacuum; ε r is the relative dielectric constant of the dielectric, A is the area of the region between the surfaces, and h is the distance between the surfaces.

С помощью мостовой измерительной цепи 4 изменение емкости пьезоактюатора преобразуется в напряжение, подаваемое на вход интегратора 5. На выходе компаратора 6 генерируется сигнал прямоугольной формы типа «меандр» с частотой, пропорциональной перемещению пьезоактюатора 3. Питание устройства осуществляется от двухполярного источника постоянного электрического напряжения, не требующего особой стабилизации, так как электрическое питание мостовой измерительной цепи 4 осуществляется напряжением с выхода компаратора 6, амплитуда которого не влияет на частоту выходного сигнала устройства.Using a bridge measuring circuit 4, the change in the capacitance of the piezoelectric actuator is converted to the voltage supplied to the input of the integrator 5. At the output of the comparator 6, a square wave signal of the "meander" type is generated with a frequency proportional to the movement of the piezo actuator 3. The device is powered from a bipolar source of constant electrical voltage, not requiring special stabilization, since the electrical power supply of the bridge measuring circuit 4 is carried out by the voltage from the output of the comparator 6, the amplitude of which e affects the frequency output of the device.

В установившемся режиме работы устройства с выхода компаратора 6 следуют разнополярные импульсы амплитудой ±U0. Пусть в момент времени t0 произошла смена полярности выходного напряжения с -U0 на +U0. При этом напряжение на выходе интегратора 5 обусловлено положительным «скачком» напряжения с одной из вершин измерительной диагонали мостовой измерительной цепи 4, равнымIn the steady state of the device, the output of comparator 6 is followed by bipolar pulses of amplitude ± U 0 . Let at the time t 0 there was a change in the polarity of the output voltage from -U 0 to + U 0 . In this case, the voltage at the output of the integrator 5 is due to a positive “jump” in voltage from one of the vertices of the measuring diagonal of the bridge measuring circuit 4, equal to

Figure 00000002
Figure 00000002

где εz=ΔZ/Z - относительное изменение комплексного сопротивления Z мостовой измерительной цепи 4 при деформации пьезоэлементов пьезоактюатора, m=Rд1/Z и n=Rд2/Z - коэффициенты, равные отношению сопротивлений Rд1 и Rд2 к комплексному сопротивлению Z мостовой измерительной цепи;where ε z = ΔZ / Z is the relative change in the complex resistance Z of the bridge measuring circuit 4 when the piezoelectric actuator piezoelectric elements are deformed, m = R d1 / Z and n = R d2 / Z are the coefficients equal to the ratio of the resistances R d1 and R d2 to the complex resistance Z bridge measuring circuit;

и отрицательным "скачком" через конденсатор Сд, равнымand a negative "jump" through the capacitor C d equal to

Figure 00000003
Figure 00000003

Напряжение питания Ucd при введенных дополнительных резисторах Rд1 и Rд2 будет определяться выражением:The supply voltage U cd with the introduced additional resistors R d1 and R d2 will be determined by the expression:

Figure 00000004
Figure 00000004

где k = 1 + m + n.where k = 1 + m + n.

С учетом начальных условий имеем:Given the initial conditions, we have:

Figure 00000005
Figure 00000005

Под действием напряжения разбаланса мостовой измерительной цепи 4, равногоUnder the action of the unbalance voltage of the bridge measuring circuit 4, equal to

Figure 00000006
Figure 00000006

и напряжения с резистора R0, равногоand voltage from resistor R 0 equal to

Figure 00000007
Figure 00000007

напряжение на выходе интегратора на интервале от t0 до t1, который равен половине периода (Тк/2=t1-t0) колебаний выходного сигнала частотного преобразователя, будет увеличиваться до положительного порогового уровня компаратора 6, равногоthe voltage at the output of the integrator in the interval from t 0 to t 1 , which is equal to half the period (T to / 2 = t 1 -t 0 ) of the oscillations of the output signal of the frequency converter, will increase to a positive threshold level of the comparator 6, equal to

Figure 00000008
Figure 00000008

В момент (t1) равенства порога срабатывания и напряжения на выходе интегратора 5 вновь произойдет смена полярности выходного напряжения. При этом напряжение на выходе интегратора будет равноAt the moment (t 1 ) the equality of the threshold and voltage at the output of the integrator 5 will again change the polarity of the output voltage. In this case, the voltage at the output of the integrator will be equal to

Figure 00000009
Figure 00000009

где Rи и R0 - соответственно сопротивления первого и второго резисторов интегратора 5, Си - емкость конденсатора в цепи отрицательной обратной связи интегратора, Тк - период колебаний выходного сигнала.where R and and R 0 are the resistances of the first and second resistors of the integrator 5, C and are the capacitance of the capacitor in the negative feedback circuit of the integrator, T to is the oscillation period of the output signal.

Для момента равенства напряжений на выходе интегратора и порогового уровня компаратора справедливо выражение:For the moment of equal voltage at the output of the integrator and the threshold level of the comparator, the expression is true:

Figure 00000010
Figure 00000010

Решая выражение (10) относительно периода следования импульсов выходного сигнала Тк, получим выражение для частоты сигнала на выходе компаратора 6:Solving the expression (10) relative to the pulse repetition period of the output signal T to , we obtain the expression for the frequency of the signal at the output of the comparator 6:

Figure 00000011
Figure 00000011

Из выражения (11) видно, что при нулевом разбалансе мостовой измерительной цепи 4 (εZ=0) и равенстве сопротивлений дополнительных резисторов Rд1 и Rд2 (n=m) начальная частота

Figure 00000012
выходного сигнала преобразователя может задаваться с помощью величин емкости Сд и сопротивления R0 второго резистора интегратора и равнаFrom the expression (11) it can be seen that with zero imbalance of the bridge measuring circuit 4 (ε Z = 0) and the resistance of the additional resistors R d1 and R d2 (n = m) being equal, the initial frequency
Figure 00000012
the output signal of the converter can be set using the capacitance C d and resistance R 0 of the second integrator resistor and is equal to

Figure 00000013
Figure 00000013

При разбалансе мостовой измерительной цепи 4 в ту или другую сторону величина относительного изменения комплексного сопротивления ее плеч будет изменяться в зависимости от относительной деформации пьезоактюатора в диапазоне от -0,01 до +0,01 (εz=0÷ ±0,01), и учитывая то, что эта величина значительно меньше единицы, можно определить девиацию частоты

Figure 00000014
сигнала на выходе компаратора 6, соответственно на выходе оптопары 8:If the bridge measuring circuit 4 is unbalanced in one direction or another, the relative change in the complex resistance of its shoulders will vary depending on the relative deformation of the piezoelectric actuator in the range from -0.01 to +0.01 (ε z = 0 ÷ ± 0.01), and given that this value is much less than unity, we can determine the frequency deviation
Figure 00000014
the signal at the output of the comparator 6, respectively, at the output of the optocoupler 8:

Figure 00000015
Figure 00000015

которая может задаваться и устанавливаться более точно с помощью величин емкости Сд и сопротивления Rи первого резистора интегратора 5.which can be set and set more accurately using the values of capacitance C d and resistance R and the first integrator resistor 5.

Математическое моделирование устройства с учетом реально возможных значений параметров схемы и заданных диапазонов разбаланса мостовой измерительной цепи (моста) позволило получить графическую зависимость выходного сигнала от изменения разбаланса моста. На фиг. 3 показана зависимость частоты выходного сигнала от разбаланса моста εZ согласно выражению (11) в диапазоне от -0,01 до +0,01 (относительных единиц) при следующих параметрах схемы:Mathematical modeling of the device, taking into account the real possible values of the circuit parameters and the specified unbalance ranges of the bridge measuring circuit (bridge), allowed us to obtain a graphical dependence of the output signal on the change in the unbalance of the bridge. In FIG. Figure 3 shows the dependence of the frequency of the output signal on the unbalance of the bridge ε Z according to expression (11) in the range from -0.01 to +0.01 (relative units) for the following circuit parameters:

- емкость измерительных и постоянных конденсаторов равна 971,7 пкФ,- the capacitance of the measuring and constant capacitors is equal to 971.7 pcF,

- сопротивление двух резисторов в противоположных плечах моста R=1 МОм,- the resistance of two resistors in opposite arms of the bridge R = 1 MΩ,

- сопротивления интегратора Rи=50 кОм и R0=500 кОм,- integrator resistance R and = 50 kOhm and R 0 = 500 kOhm,

- емкость конденсатора Сд=40 пФ,- capacitor capacitance C d = 40 pF,

- емкость конденсатора Си=200 пФ,- the capacitance of the capacitor C and = 200 pF,

- сопротивление дополнительных резисторов Rд1=Rд2=2 кОм.- resistance of additional resistors R d1 = R d2 = 2 kOhm.

При подаче напряжения ±300 В удлинение составляет ±2,06 мкм, емкость пьезоактюатора при этом изменяется от 969,8 пкФ до 973,7 пкФ. Первому значению емкости соответствует частота 11216 Гц, а второму - 11588 Гц. Если измерять целые значения частоты, то диапазон измерения в этом случае можно разбить на 372 части, тогда дискрет (шаг) измерения получается 5,5 нм (2,06 мкм: 372).When a voltage of ± 300 V is applied, the elongation is ± 2.06 μm, and the capacitance of the piezoelectric actuator changes from 969.8 pcF to 973.7 pcF. The first value of the capacitance corresponds to a frequency of 11216 Hz, and the second - 11588 Hz. If you measure the integer values of the frequency, then the measurement range in this case can be divided into 372 parts, then the measurement discrete (step) is 5.5 nm (2.06 μm: 372).

Из графика на фиг. 3 видно, что частота

Figure 00000016
выходного сигнала от разбаланса моста изменяется от 11588 Гц при εZ=-0,01 до 11216 Гц при εZ=+0,01 и равна 11402 Гц при εZ=0, носит линейный характер во всем диапазоне разбаланса (как в отрицательной, так и в положительной области), что может быть использовано в актюаторах наноперемещений и работает при двухстороннем разбалансе моста (позволяет измерять сжатие и удлинение).From the graph in FIG. 3 shows that the frequency
Figure 00000016
the output signal from the bridge unbalance varies from 11588 Hz at ε Z = -0.01 to 11216 Hz at ε Z = + 0.01 and is equal to 11402 Hz at ε Z = 0; it is linear in the entire unbalance range (as in the negative, and in the positive region), which can be used in nanoscale actuators and works with two-sided unbalance of the bridge (allows you to measure compression and elongation).

Схема принципиальная электрическая устройства от пьезоактюатора 4 до компаратора 6 (фиг. 2) была смоделирована с помощью компьютерной программы «Micro-Cap». На фиг. 4, фиг. 5 и фиг. 6 приведены окна программы со схемой и диаграммами сигналов на выходе компаратора 6 и интегратора 5, с частотами выходного сигнала, равными 11588 Гц, 11402 Гц и 11588 Гц, при значениях измерительных емкостей пьезоактюатора 973,7 пкФ, 971,7 пкФ, 969,8 пкФ соответственно. Результаты схемотехнического компьютерного моделирования подтвердили справедливость результатов математического моделирования.The circuit diagram of the electrical device from the piezo actuator 4 to the comparator 6 (Fig. 2) was modeled using the Micro-Cap computer program. In FIG. 4, FIG. 5 and FIG. Figure 6 shows the program windows with the circuit and diagrams of the signals at the output of the comparator 6 and integrator 5, with the output signal frequencies equal to 11588 Hz, 11402 Hz and 11588 Hz, with the values of the measuring capacitance of the piezo actuator 973.7 pcF, 971.7 pcF, 969.8 PCF, respectively. The results of circuit computer simulation confirmed the validity of the results of mathematical modeling.

На фиг. 7 приведена 3D-модель пьезоактюатора 3 с изображением рабочих электродов (обкладок) 27, электродов (обкладок) 28 первого измерительного конденсатора и электродов (обкладок) 29 второго измерительного конденсатора.In FIG. 7 is a 3D model of a piezoelectric actuator 3 with the image of the working electrodes (plates) 27, electrodes (plates) 28 of the first measuring capacitor and electrodes (plates) 29 of the second measuring capacitor.

На фиг. 8 приведен фрагмент топологии гребенчатой структуры первого измерительного конденсатора, состоящей из двух электродов (обкладок) 28, выполненных в углублениях на поверхности (30) пьезоэлемента.In FIG. Figure 8 shows a fragment of the topology of the comb structure of the first measuring capacitor, consisting of two electrodes (plates) 28 made in recesses on the surface (30) of the piezoelectric element.

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом имеет упрощенную конструкцию, повышенную надежность, уменьшенные габаритные размеры благодаря тому, что не требуется отдельный датчик перемещения, а для контроля перемещения (деформации) пьезоэлектрического актюатора используется сам пьезоэлектрический актюатор (самочувствительный пьезоактюатор). При этом обеспечивается высокая точность позиционирования, повышенная надежность и технологичность изготовления.The proposed device in comparison with the prototype has a simplified design, increased reliability, reduced overall dimensions due to the fact that you do not need a separate displacement sensor, and to control the movement (deformation) of the piezoelectric actuator, the piezoelectric actuator itself (self-sensitive piezoelectric actuator) is used. This ensures high positioning accuracy, increased reliability and manufacturability.

Таким образом, благодаря отличительным признакам изобретения упрощается конструкция устройства управления линейным пьезоэлектрическим актюатором, повышается его надежность, уменьшаются габаритные размеры, обеспечивается высокая точность позиционирования.Thus, due to the distinguishing features of the invention, the design of the control device of the linear piezoelectric actuator is simplified, its reliability is increased, overall dimensions are reduced, and high positioning accuracy is ensured.

Предлагаемое устройство выгодно отличается от известных ранее и может найти широкое применение в приводах различных устройств в прецизионном приборостроении, в оптических системах, в системах микро- и нанопозиционирования.The proposed device compares favorably with those previously known and can be widely used in drives of various devices in precision instrumentation, in optical systems, in micro- and nanopositioning systems.

Источники информацииInformation sources

1. Бойков В.И., Быстров С.В., Смирнов А.В., Чежин М.С. Патент RU №2030087. Пьезоэлектрический двигатель. Опубл. 27.02.1995.1. Boykov V.I., Bystrov S.V., Smirnov A.V., Chezhin M.S. Patent RU No. 2030087. Piezoelectric motor. Publ. 02/27/1995.

2. Ерофеев А.А., Кирсяев А.Н., Кузнецов О.Л., Гринфельд М.Л. Патент RU №2025882. Устройство для управления пьезоэлектрическим двигателем. Опубл. 30.12.1994.2. Erofeev A.A., Kirsyaev A.N., Kuznetsov O. L., Grinfeld M. L. Patent RU No. 2025882. Device for controlling a piezoelectric motor. Publ. 12/30/1994.

Claims (1)

Устройство управления самочувствительным линейным пьезоэлектрическим актюатором (самочувствительным пьезоактюатором), содержащее пьезоактюатор в виде пьезоэлемента с электродами, установленными на его одних противоположных гранях, усилитель напряжения, блок задания частоты, соединенный с первым входом элемента сравнения, выход которого подключен к входу блока регулирования управляющего напряжения, отличающееся тем, что введена мостовая измерительная цепь из двух (первого и второго) резисторов, образующих два противоположных ее плеча, четырех (первого - четвертого) конденсаторов, два из которых (второй и третий) образуют два других противоположных плеча, а первый и четвертый конденсаторы подключены параллельно первому и второму резисторам соответственно, также введены интегратор, компаратор, усилитель тока и оптопара, при этом электроды (обкладки) первого и четвертого конденсаторов имеют гребенчатую форму и сформированы на других противоположных гранях пьезоэлемента, параллельных направлению перемещения, первый вывод измерительной диагонали мостовой измерительной цепи соединен с первым входом (входным выводом) интегратора, а второй вывод измерительной диагонали мостовой измерительной цепи соединен со вторым входом (входным выводом) интегратора и вторым входом (входным выводом) компаратора, выход интегратора подключен к первому входу (входному выводу) компаратора, при этом его выход соединен со входом усилителя тока, с третьим входом (входным выводом) интегратора и первым выводом питающей диагонали мостовой измерительной цепи, второй вывод которой соединен с общей шиной питания, выход усилителя тока подключен к входу оптопары, а ее выход соединен со вторым входом (входным выводом) элемента сравнения и с первым входом (входным выводом) блока задания частоты, имеющего второй вход (входной вывод) для подачи сигнала управления, при этом выход блока задания частоты соединен со вторым входом (входным выводом) блока регулирования управляющего напряжения, выход последнего через блок формирования управляющего напряжения соединен со входом усилителя напряжения, выходные выводы которого подключены к выводам (обкладкам) пьезоэлемента.A control device for a self-sensitive linear piezoelectric actuator (self-sensitive piezoelectric actuator) containing a piezoelectric actuator in the form of a piezoelectric element with electrodes mounted on its opposite sides, a voltage amplifier, a frequency reference unit connected to the first input of the comparison element, the output of which is connected to the input of the control voltage control unit, characterized in that a bridge measuring circuit of two (first and second) resistors is introduced, forming two opposite ca, four (first to fourth) capacitors, two of which (second and third) form two other opposite arms, and the first and fourth capacitors are connected parallel to the first and second resistors respectively, an integrator, a comparator, a current amplifier and an optocouple are also introduced, while the electrodes (plates) of the first and fourth capacitors are comb-shaped and are formed on other opposite faces of the piezoelectric element parallel to the direction of movement, the first output of the measuring diagonal is a bridge meter circuit is connected to the first input (input terminal) of the integrator, and the second output of the measuring diagonal of the bridge measuring circuit is connected to the second input (input terminal) of the integrator and the second input (input terminal) of the comparator, the output of the integrator is connected to the first input (input terminal) of the comparator, while its output is connected to the input of the current amplifier, with the third input (input output) of the integrator and the first output of the supply diagonal of the bridge measuring circuit, the second output of which is connected to a common power bus, the output of the amplifier current is connected to the input of the optocoupler, and its output is connected to the second input (input output) of the comparison element and to the first input (input output) of the frequency setting unit having a second input (input output) for supplying a control signal, while the output of the frequency setting unit is connected with the second input (input output) of the control voltage control unit, the output of the latter through the control voltage generation unit is connected to the input of the voltage amplifier, the output terminals of which are connected to the terminals (plates) of the piezoelectric element.
RU2015141183A 2015-09-28 2015-09-28 Self-sensitive linear piezoelectric actuator control device RU2608842C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015141183A RU2608842C1 (en) 2015-09-28 2015-09-28 Self-sensitive linear piezoelectric actuator control device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015141183A RU2608842C1 (en) 2015-09-28 2015-09-28 Self-sensitive linear piezoelectric actuator control device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2608842C1 true RU2608842C1 (en) 2017-01-25

Family

ID=58456959

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015141183A RU2608842C1 (en) 2015-09-28 2015-09-28 Self-sensitive linear piezoelectric actuator control device

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2608842C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2698802C1 (en) * 2018-11-30 2019-08-30 Общество с ограниченной ответственностью "РЭНК" (ООО "РЭНК") Method for generation of mechanical oscillations and generator for its implementation

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU765911A1 (en) * 1978-07-28 1980-09-23 Ордена Ленина Политехнический Институт Им. М.И.Калинина Device for control of piezoelectric motor
SU881899A1 (en) * 1979-08-10 1981-11-15 Ленинградский Ордена Ленина Политехнический Институт Им. М.И.Калинина Device for control of piezoelectric motor
DE4122984A1 (en) * 1990-07-11 1992-01-16 Brother Ind Ltd Control unit for piezoelectrical element - is connected to current supply unit and coil with switching unit selectively switched on and off to form resonant circuit
RU2025882C1 (en) * 1991-07-05 1994-12-30 Анатолий Александрович Ерофеев Device for control over piezoelectric motor
RU2261520C1 (en) * 2004-04-28 2005-09-27 Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса (ЮРГУЭС) Piezoelectric displacement motor incorporating control circuit to compensate for piezoid noise

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU765911A1 (en) * 1978-07-28 1980-09-23 Ордена Ленина Политехнический Институт Им. М.И.Калинина Device for control of piezoelectric motor
SU881899A1 (en) * 1979-08-10 1981-11-15 Ленинградский Ордена Ленина Политехнический Институт Им. М.И.Калинина Device for control of piezoelectric motor
DE4122984A1 (en) * 1990-07-11 1992-01-16 Brother Ind Ltd Control unit for piezoelectrical element - is connected to current supply unit and coil with switching unit selectively switched on and off to form resonant circuit
RU2025882C1 (en) * 1991-07-05 1994-12-30 Анатолий Александрович Ерофеев Device for control over piezoelectric motor
RU2261520C1 (en) * 2004-04-28 2005-09-27 Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса (ЮРГУЭС) Piezoelectric displacement motor incorporating control circuit to compensate for piezoid noise

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2698802C1 (en) * 2018-11-30 2019-08-30 Общество с ограниченной ответственностью "РЭНК" (ООО "РЭНК") Method for generation of mechanical oscillations and generator for its implementation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6657359B1 (en) Method of driving an electrostatic actuator with spatially-alternating voltage patterns
CN107924983B (en) Device for controlling a piezoelectric actuator
JPH10239196A (en) Capacitance type sensor-interface circuit
JP5733276B2 (en) Capacitive sensor detection circuit
JP2022512710A (en) Bending transducer as actuator, bending transducer as sensor, bending transducer system
JP5733277B2 (en) Capacitive sensor detection circuit
JP2017523396A (en) Accelerometer
US9459100B2 (en) Stepped sinusoidal drive for vibratory gyroscopes
RU2608842C1 (en) Self-sensitive linear piezoelectric actuator control device
Schaufuss et al. New approach of frequency tuning for kinetic energy harvesters
JP2010056764A (en) Mems vibrator
US7932788B2 (en) Oscillating, deflectable micromechanical element and method for use thereof
US9252707B2 (en) MEMS mass bias to track changes in bias conditions and reduce effects of flicker noise
CN110741304B (en) Optical filter system
RU2616225C1 (en) Self-sensing multilayer piezoelectric actuator
JP2010236974A (en) Method of evaluating measurement of mechanical output of piezoelectric actuator, control method, and device using the methods
Maruyama et al. An equivalent circuit model for vertical comb drive MEMS optical scanner controlled by pulse width modulation
JP2010011134A (en) Resonance frequency variable mems vibrator
Nastro et al. MEMS force sensor with DDS-based position feedback and tunable sensitivity
Masson et al. Design of a generalised charge-based self-sensing model for quasi-static piezoelectric actuators
RU2697011C1 (en) Microelectromechanical pendulum accelerometer having two measurement ranges
RU2338997C2 (en) Method for measurement of clearance between electrodes and moving mass of micromechanical device and device for its realisation
CN217025340U (en) Comb drive for mems devices and voltage divider circuit for comb drive
SU1513421A1 (en) Master control of micromovements
WO2021205715A1 (en) Mems actuator, mems actuator drive method, and mems actuator control program

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170929