SU1366989A1 - Устройство управлени пъезодвигателем - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к автоматике и может быть использовано при разработке и создании систем управлени  с пьезоэлектрическими двигй- тел ми. Целью изобретени   вл етс  повышение быстродействи . Устройство управлени  пьезодвигателем (ПД)мо- жет быть использовано в прецизионных системах микроперемещений. Данное устройство позвол ет увеличить ток зар да ПД и тем самым повысить быстродействие пьезопривода с одновременным повышением коэффициента полезного действи . В первую половину такта управлени  ПД зар жаетс  по цепи: обща  шина - ключ 6 - выпр мительный элемент 9 - вторична  обмотка трансформатора 13 - реактивный элемент 15 - ПД 14 - обща  шина. Зар д во второй половине такта управлени  происходит за счет энергии, накопленной дросселем в первой половине такта управлени  по цепи: элемент 15 - ПД 14 - ключ 6 - выпр мительный элемент 8. По окончании процесса зар да ток отсутствует,, напр жение на ПД запоминаетс . 2 ил. i (Л

Description

г L J (

GO О5

а со

00

со

.f

Изобретение относитс  к автомати ке и может быть использовано при разработке и создании систем управлени  пьезодвигател ми.

Цель изобретени  - повышение быстродействи  устройства управлени  пьезодвигателем.

На фиг. 1 представлена структурна  схема устройства управлени  пье- зодвигателем; на фиг. 2 - эпюры зар да емкости пьезодвигател .

Устройство управлени  пьезодвигателем содержит усилитель 1, сумма- тор 2, делитель 3, компаратор 4, ин- вертор 5, первый 6 и второй 7 ключи, первый. 8, второй 9, третий 10 и четвертый 11 выпр мительные элементы, например вентили, накопительный элемент 12, например конденсатор, повышающий трансформатор 13, пьезодвига- тель 14, реактивный элемент 15, например дроссель и амплитудно-импульсный преобразователь 16.

Амплитудно-импульсный преобразова тель содержит источник 17 посто нного напр жени , модул тор 18, генератор 19, сумматор 20, делитель 21, первый 22 и второй 23 эмиттерные повторители ., -

Устройство работает следующим образом .

На первый вход первого сумматора поступает задающий сигнал U, на вто

рой вход - подаваемый на пьезодвига- тель выходной сигнал Uo устройства, прошедший через делитель 3 с коэффициентом передачи К,, Выходной сигнал Uc сзгмматора 2 усиливаетс  усилителем 1, имеюш 1м коэффициент усилени  K,j, и поступает на входы модул тора 18 и компаратора 4. При положительном выходном сигнале Uv, усилител  1 компаратор 4 формирует управл юпщй сигнал, вызывающий открывание первого ключа 6. Второй ключ 7 открываетс  в противоположной фазе относительно открывани  первого ключа 6, так как управл етс  сигналом компаратора 4, прошедшим через инвертор 5. Гене- ратор 19 вьфабатывает управл ющие импульсы посто нной частоты, длительность импульса tu равна половине пе-c i ,

/и (п+ )U,(n),-U.(n)j fl- .Л Ь№: sinut, (2)

i - 7oL J,i

со

и,(п) напр жение на пьезодвига- 1 2L теле 14 в конце п-го 5 Ё+Г такта;

5

сумматора 20, в ютс  с сигналом

0

риода следовани . Эти импульсы пихггу- пают на управл ющий вход модул тора 18, На выходе модул тора 18 формируетс  сигнал Uy, если на управл ющем входе находитс  импульс генератора 19 и сигнал -и,. при отсутствии управл ющего импульса. С выхода модул тора 18 импульсы ±Uy поступают на вход

котором они суммиру- второго делител  21, равным половине питающего напр жени , вырабатываемого источником 17 посто нного напр жени . Пройд  через усилитель тока - эмиттерные повторители 22 и 23, сигнал через конденсатор 12 поступает на первичную обмотку повышающего трансформатора 13, имеющего коэффициент передачи К. Счита , что коэффициент передачи эмиттерных повторителей 22 и 23 равен единице, амплитуда импульсов на вторичной обмотке повьшающего трансформатора 13

.,().

(1)

При напр жении Ну О пьезодвигатель 14 зар жаетс  только положительными импульсами U,-, так как открыт только первый ключ 6, В этом случае пьезодвигатель зар жаетс  по цепи: обща  шина - первый ключ 6 - второй вентиль 9 - вторична  обмотка трансформатора 13 - дроссель 15 - пьезодвигатель 14 - обща  шина. При отрицательном напр жении на выходе усилител  1 открыт второй ключ 7, пьезодвигатель 14 зар жаетс  отрицательными импульсами по цепи: обща  шина - ключ 7 - вертиль 11 - вторична  обмотка трансформатора 13 - дроссель 15 - пьезодвигатель 14 - обща  шина.

Дл  определени  КПД и анализа быстродействи  устройства запишем уравнени  дл  токов зар да и напр жений на пьезодвигателе в процессе работы устройства. Рассмотрим случай положительного сигнала на выходе усилител  1 (). При этом напр жение на пьезодвигателе в середине (п+1}-го такта (при изменении знака импульса и т на вторичной обмотке по- вьапающего трансформатора 13 )

,

°.Л Ь№: sinut, (2)

,i

со

посто нна  бательного

времени контура

коле- послеR г довательно включенных г, R, L;

активное сопротивление цепи зар да пьезодвига- тел  14, включающее в себ  сопротивление дроссел  15, первого ключа 6 и второго вентил  9; суммарное сопротивление вторичной обмотки трансформатора 13 и приведенных к вторичной обмотке сопротивлени  первичной

Ток в ко.нце (т1+1)-го такта определ етс  в соответствии с выражением:

-и(п+

2 -Л„

sinu)t| +

10

I (п+ ) -1--- -е

+Ig(n+ d)e (cosut.- - sintdtj. (6)

3 Z U

L С (л

I LC

При этом параметры d ,ш имеют другое значение, чем в выражени х (З) и (4), так как . Второе слагаемое в выражении (5), соответствующее раз- обмотки повьппающего траис- g р ду емкости пьезодвигател  14 на форматора 13 и выходных цепь R и L, равно нулю, так как вентили 8 и 9 наход тс  в закрытом состо нии . По этой же причине первое слагаемое в выражении (6) также рав- 2Q но нулю, разр дный ток отсутствует. Поэтому Выражени  (5) и (6) можно упростить:

сопротивлений эмиттерных повторителей 22 и 23; индуктивность дроссел  15;

ем1сость пьезодвигател  14;

частота свободных R,

(Н+г)

колебаний в цепи г L, С;

1а(п) - ТОК, протекающий через

пьезодвигатель 14 в конце п-го такта.

Ток через пьезодвигатель в середине такта

т / 4. М- ит-и(п) -Л„ . I.(n+-s-j 2:-f 31П:Л„ +

Л +Iq(n)e (cosut..- -, sinuit..).

7 Ц) и

25

, К- Л (п+ )е

I (n+l)Uq(n+ i)+ J---±-1- sinwty

и

(7)

30

1„(п+1)1„(п+ i)e (costot - - sintot )

7tf fc(i)

(8) (3)

Как видно из выражений (7) и (8) зар д емкости пьезодвигател  14 происходит и во второй половине такта. 35 Эпюры зар да емкости пьезодвигател  в (п+1)-м такте показаны на фиг. 2.

В середине (n+1)-ro такта в дросселе 15 накапливаетс  энерги  маг- нитйого пол 

W.p

Ll (n+ )

7

(4)

13669894

Ток в ко.нце (т1+1)-го такта определ етс  в соответствии с выражением:

-и(п+

2 -Л„

sinu)t| +

0

I (п+ ) -1--- -е

+Ig(n+ d)e (cosut.- - sintdtj. (6)

3 Z U

При этом параметры d ,ш имеют дру гое значение, чем в выражени х (З) и (4), так как . Второе слагаемо в выражении (5), соответствующее ра g р ду емкости пьезодвигател  14 на цепь R и L, равно нулю, так как вен тили 8 и 9 наход тс  в закрытом сос то нии. По этой же причине первое слагаемое в выражении (6) также рав- Q но нулю, разр дный ток отсутствует. Поэтому Выражени  (5) и (6) можно упростить:

, К- Л (п+ )е

I (n+l)Uq(n+ i)+ J---±-1- sinwty

и

(7)

30

1„(п+1)1„(п+ i)e (costot - - sintot )

7tf fc(i)

(8)Как видно из выражений (7) и (8) зар д емкости пьезодвигател  14 происходит и во второй половине такта. Эпюры зар да емкости пьезодвигател  в (п+1)-м такте показаны на фиг. 2.

При выполнении услови  процесс зар да прекращаетс , напр жение на пьезодвигателе запоминаетс :

(9)

и,к,к,(и,)

Во вторую половину (п+1)-го такта импульс -U через второй вентиль 9 не проходит, зар д пьезодвигател  14 происходит за счет энергии магнит ного пол  (4), накопленной дросселем 15, по цепи: дроссель 15 - пьезодвигатель 14 - первый ключ 6 - первый вентиль 8.

Напр жение на пьезодвигателе в конце (п+1)-го такта

и(п+1)и(п+ :)-Ug(n+ cf sinwti +u)cosu)t| to

или

Т т -ISllSlт т

°

(10)

т.е. напр жение U- в установивщемс  режиме пропорционально задающему напр жению Uj,, а выражение (Ю) эквивалентно уравнению линейного усилител  с коэффициентом передачи , охваченного отрицательной обратной св зью с коэффициентом К п.

При отрицательном сигнале U,, усилител  1 в управлении пьезодвигателем 14 участвуют третий вентиль 10, четвертый вентиль 11, второй ключ 7, дроссель 15. Процесс зар да аналогичен описанному вьщ1е, выражени  (2) - (Ю) справедливы и в этом случае.

По сравнению с прототипом устройство управлени  пьезодвигателем имеет больший средний ток зар да за счет использовани  дл  зар да во второй половине такта энергии, запасенной дросселем в первой половине такта, что приводит к увеличению быстродействи  пьезопривода в целом. Средний ток зар да

т l и .

ср 5K;t;

ж (11)

и превышает ток зар да прототипа в два раза.

КПД .устройства равен отношению энергии, запасенной пьезодвнгателем

1

,

100%

(T) -2

100%

CHM/JtR(t).r(t))

При выполнении условий ,. г «-О коэффициент полезного действи  устройства 1- 100%,

Таким образом, предлагаемое устроство управлени , построенное вышеописанным образом, позвол ет повысить КПД устройства и увеличить быстродействие пьезопривода. ,. Фо рмула изобретени 

Устройство управлени  пьезодвигателем , содержащее первый ключ и второй ключ, управл ющий вход которого соединен с выходом инвертора, последовательно соединенные сзгмматор, усилитель , амплитудно-импульсный преобразователь , накопительнь й элемент, выход которого соединен с первым выводом первичной обмотки трансформатора , у которого второй вывод первичной обмотки соединен с нулевой шиной и первым входом пьезодвигател , второй вход которого соединен с входом делител , выход которого соединен с вторым входом сумматора, о т- личающеес  тем, что, с цепью повышени  быстродействи , дополWg , к сумме Wg и энергии, рассе нной на активных элементах устройства,WR. Энерги , запасенна  пьезодвигате-| лем в произвольный момент времени Т 7 0: .

w, 1.

(12)

а энерги , рассе нна  на активных элементах схемы за это не врем :

т

W R(t)+r(t))dt, (13) к Jч

о

откуда выражение дл  коэффициента полезного действи  ч устройства имеет вид:

(T) -2

100%

JtR(t).r(t))

нительно введены компаратор, первый, второй, третий и четвертый выпр мительные элементы и реактивный элемент , причем вход компаратора соединен с выходом усилител , а выход - с входом инвертора и управл ющим входом первого-ключа, информационный вход которого соединен с общей пшной и информационным входом второго ключа , а выход - с положительными входами первого и второго выпр мительных элементов, выход второго ключа соединен с отрицательными входами третьего и четвертвго выпр мительных элементов , отрицательный -вход первого

выпр мительного элемента соединен с положительным входом третьего выпр мительного элемента, первым выводом вторичной обмотки трмнсформатора и через реактивный элемент - с вторым

входом пьезодвигател , отрицательный вход второго выпр мительного элемеи- та соединен с вторым выводом вторичной обмотки трансформатора и положительным входом четвертого вьшр ми-.

тельного элемента.

п.

Ug(n))

mi

Claims (1)

1. Формула изобретения Устройство управления пьезодвигателем, содержащее первый ключ и второй ключ, управляющий вход которого соединен с выходом инвертора, последовательно соединенные сумматор, усилитель, амплитудно-импульсный преобразователь, накопительный элемент, выход которого соединен с первым выводом первичной обмотки трансформатора, у которого второй вывод первичной обмотки соединен с нулевой шиной й первым входом пьезодвигателя, второй вход которого соединен с входом делителя, выход которого соединен с вторым входом сумматора, о тличающееся тем, что, с цепью повышения быстродействия, дополнительно введены компаратор, первый, второй, третий и четвертый выпрямительные элементы и реактивный элемент, причем вход компаратора соединен с выходом усилителя, а выход ³⁰ с входом инвертора и управляющим входом первого· ключа, информационный вход которого соединен с общей шиной и информационным входом второго ключа, а выход - с положительными входа35 ми первого и второго выпрямительных элементов, выход второго ключа соединен с отрицательными входами третьего и четвертвго выпрямительных элементов , отрицательный вход первого 40 выпрямительного элемента соединен с положительным входом третьего выпрямительного элемента, первым выводом вторичной обмотки трмнсформатора и через реактивный элемент - с вторым 45 входом пьезодвигателя, отрицательный вход второго выпрямительного элемента соединен с вторым выводом вторичной обмотки трансформатора и положительным входом четвертого выпрями-.

   50 тельного элемента.

   Фиг. 2