SU1737407A1

SU1737407A1 - Устройство управлени пьезодвигателем

Info

Publication number: SU1737407A1
Application number: SU904851466A
Authority: SU
Inventors: Александр Сергеевич Дмитриев; Александр Юльевич Лукичев; Виктор Юрьевич Трубников
Original assignee: Московский институт электронной техники
Priority date: 1990-07-13
Filing date: 1990-07-13
Publication date: 1992-05-30

Abstract

Изобретение управлени пьезодвигате- лем может быть использовано в прецизион- ных системах микроперемещений, например, в экспериментальной медицине, в технологическом оборудовании. Устройство позвол ет при разр де пьезодвигател сохранить его энергию, что обеспечивает повышение КПД устройства. При разр де пьезодвигател 15 происходит периодическое открывание одного из ключей 27 или 28. В моменты, когда один из ключей открыт , энерги электрического пол пьеэод- вигател 15 преобразуетс в энергию магнитного пол первичной обмотки второго трансформатора 16. При запирании ключа возникают экстратоки размыкани , которые навод т в первичной обмотке второго трансформатора 16 противо-ЭДС самоиндукции . Эта противо-ЭДС, наведенна в первичной обмотке трансформатора 16, передаетс им через выпр митель 17 в накопительный элемент источника посто нного напр жени 18. Энерги , запасенна накопительным элементом при разр де пьезодвигател 15, в дальнейшем используетс при его зар де. 3 ил. Ј

Description

VI

СлЭ VI О

VI

Изобретение относитс к автоматике и может быть использовано при разработке и создании систем управлени с пьезоэлектрическими двигател ми.

Известны устройства дл управлени пьезодвигател ми.

Регул тор перемещени пьезодвигате- л содержит генератор, устройство сравнени и трехпозиционный релейный усилитель, делитель и последовательно соединенные источник напр жени , первый ключ и четыре ключа, соединенные в мосто- вую схему, одна из диагоналей которого вл етс выходом регул тора, усилитель зар да, подключенный к выходу изолированной пьезопластины составного пьезод- вигател , причем выход усилител зар да подключен к третьему входу устройства сравнени .

Процесс перезар да пьезодвигател при работе устройства носит апериодический характер. Перезар д пьезодвигател с емкостью С от нул до напр жени V сопровождаетс накоплением им энергии:

We

CV

, при этом на активных элементах устройства тер етс такое же количество энергии, т.е. теоретический коэффициент полезного действи устройства при зар де пьезодвигател составл ет 50%.

Разр д сопровождаетс полной потерей энергии на активных элементах устройства , запасенной пьезодвигателем во врем зар да. Это сводит к нулю коэффициент полезного устройства при разр де пьезодвигател .

Устройство управлени пьезодвигателем содержит генератор, инвертор, источники посто нного напр жени , первый и второй выпр мители, последовательно включенные первый делитель, сумматор, усилитель, три последовательно включенных ключа, общие точки которых через первый и второй накопительные элементы соединены соответственно с первым и вторым трансформаторами, параллельно первому и третьему ключам включены соответственно первый и второй эмиттер- ные повторители.

Наличие смещающих источников в цепи пьезодвигател приводит к увеличению потерь энергии при его зар де. Теоретический коэффициент полезного действи устройства при зар де пьезодвигател составл ет 25%. При разр де пьезодвигател энерги , запасенна в нем, полностью тер етс , что сводит к нулю коэффициент полезного действи устройстве при разр дке.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому вл етс устройство управлени пьезодвигателем, содержащее последовательно включенные сумматор,

усилитель, амплитудно-импульсный преобразователь , первый выход которого соединен с первым входом преобразовател напр жени , а второй выход - с общей шиной преобразовател напр жени , делите0 л и пьезодвигател , выход преобразовател напр жени через реактивный элемент соединен с входом пьезод- вигател и через делитель - с инвертирующим входом сумматора, неин5 вертирующий вход которого вл етс входом устройства, а выход - через усилитель соединен с входом компаратора, выход которого соединен с первым переключающим входом преобразовател напр жени и че0 рез инвертор - с вторым переключающим входом преобразовател напр жени .

При зар де пьезодвигател до определенного напр жени не происходит потери энергии на активных элементах устройства,

5 так как токоограничивающим элементом устройства вл етс реактивный элемент, который в процессе зар да периодически запасает энергию и передает в пьезодвига- тель. Теоретический коэффициент полезно0 го действи устройства при зар де пьезодвигател составл ет 100%. Однако при разр де пьезодвигател энерги , запасенна в нем, полностью тер етс на активных элементах устройства. Потери энергии

5 при разр де равны потребленной в процессе зар да устройством энергии от источника питани . Коэффициент полезного действи устройства при разр де пьезодвигател , так же как и у известных, равен нулю. Практиче0 ский коэффициент полезного действи не превышает 65%.

Цель изобретени - повышение коэффициента полезного действи устройства управлени пьезодвигателем.

5 Поставленна цель достигаетс тем, что в устройство управлени пьезодвигателем, содержащее инвертор, амплитудно-импульсный преобразователь, первый выход которого соединен с первым входом преобразовател напр жени , а второй вы0 ход - с общей шиной преобразовател напр жени , делител и пьезодвигател . вход которого через делитель соединен с инвертирующим входом сумматора, неинвертирующий вход которого вл етс входом

5 устройства, а выход - через усилитель соединен с входом первого компаратора допол- нительно введены трансформатор/ выпр митель, второй компаратор, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. ключ, блок определени модул , широтно-импульсный модул тор , элемент ИЛИ и коммутатор, причем выход первого компаратора соединен с управл ющим входом коммутатора и первым входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход которого через второй компаратор соединен с выходом делител , а выход - через инвертор с первым входом элемента ИЛИ и управл ющим входом ключа , информационный вход которого соединен с входом блока определени модул и выходом усилител , а выход - с первым входом амплитудно-импульсного преобразовател , второй вход которого соединен с первым выходом выпр мител , а третий выход - со стробирующим входом широтно- импульсного модул тора, информационный вход которого соединен с выходом блока определени модул , а выход -. с вторым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен с информационным входом коммутатора , первый и второй выходы, которого соединены соответственно с первым и вторым переключающими входами преобразовател напр жени , выход которого через первичную обмотку трансформатора соединен с входом делител , вторична обмотка трансформатора соединена с первым и вторым входами выпр мител , второй выход которого соединен с общей шиной.

Введение последовательно включенных трансформатора, выпр мител и определенным образом соединенных блока определени модул , широтно-импульсного модул тора, элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, элемент ИЛИ, коммутатора, второго компаратора, позвол ет повысить коэффициент полезного действи управлени пье- зодвигателем при разр де пьезодвигател за счет предотвращени потерь энергии. Разр д пьезодвигател осуществл етс через первичную обмотку трансформатора, котора вл етс реактивной нагрузкой це-. пи перезар да. При этом энерги , накопленна пьезодвигателем, через трансформатор, выпр митель передаетс в накопительный элемент (конденсатор), наход щийс на выходе источника посто нного напр жени , и в дальнейшем используетс дл зар да пьезодвигател , тем самым не происходит потерь энергии. Таким образом, в отличие от устройств, у которых при разр де пьезодвигател запасенна энерги полностью тер етс в виде нагрева активных элементов устройства, введение новой совокупности элементов позвол ет избежать потерь энергии, что повышает коэффициент полезного действи устройства.

На фиг, 1 показана структурна схема устройства управлени пьезодвигателем; на фиг. 2 - временные диаграммы.по сн ющие работы устройства, на фиг. 3 - вариант выполнени источника посто нного напр же- 5 ни 18.

Устройство управлени пьезодвигателем содержит делитель 1, сумматор 2, усилитель 3, первый 4 и второй 5 компараторы, элементе ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, инвертор

0 7, ключ 8, блок определени модул 9 со статической характеристикой 11вых tUexl (ивых - напр жение на выходе блока определени модул , UBX - на его входе), широтно-импульсный модул тор 10, элемент ИЛИ

5 11, коммутатор 12, амплитудно-импульсный преобразователь 13, преобразователь 14 напр жени , пьезодвигатель 15, трансформатор 16 и выпр митель 17.

Амплитудно-импульсный преобразова0 тель 13 содержит источник 18 посто нного напр жени , делитель 19, модул тор 20, генератор 21, сумматор 22, первый 23 и второй 24 эмиттерные повторители.

Преобразователь 14 напр жени содер5 жит накопительный элемент 25, трансформатор 26, первый 27 и второй 28 ключи, первый 29, второй 30, третий 31 и четвертый 32 выпр мительные элементы.

Сигнал с выхода делител 1 поступает,

0 на вход второго компаратора 5 и на инвертирующий вход сумматора 2, на неинвертирующий вход которого, вл ющийс входом устройства, поступает задающий сигнал. Сигнал с выхода сумматора 2 поступает на

5 вход усилител 3. Сигнал с выхода усилител 3 поступает на вход первого компаратора 4, через нелинейный элемент 9 на вход широтно-импульсного модул тора 10 и через последовательно включенные ключ 8, амп0 литудно-импульсный преобразователь 13, преобразователь напр жени 14, первичную обмотку трансформатора 16 на вход делител 1 и вход пьезодвигател 15, вл ющийс выходом устройства, обща шина

5 пьезодвигател 15 соединена с общей шиной делител 1, преобразовател 14 напр жени ,вторымвыходом амплитудно-импульсного преобразовател 13, вторым выходом выпр мител 17, пер0 вый и второй вход которого соединен с вторичной обмоткой трансформатора 16, а первый выход - с вторым входом амплитудно-импульсного преобразовател 13.

Сигнал с выхода первого компаратора 4

5 поступает на управл ющий вход коммутатора 12 и первый вход элемента 6 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ,на второй вход которого поступает сигнал с второго компаратора 5. Выход элемента 6 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ

соединен через инвертор 7 с управл ющим входом ключа 8 и первым входом элемента 11 ИЛИ, на второй вход которого приходит сигнал с широтно-импульсного модул тора 10. Стробирующий вход широтно-импульсного модул тора 10 соединен с третьим выходом амплитудно-импульсного преобразовател 13. Сигнал с выхода элемента ИЛИ 11 поступает на информационный вход коммутатора 12, первый и второй выходы которого соеди- нены соответственно с первым и вторым .переключающими входами преобразовател 14 напр жени .

В качестве блока определени модул , модул тора в предлагаемом устройстве уп- равлени пьезодвигателем могут быть использованы устройства.

Устройство работает следующим образом .

На неинвертирующий вход сумматора 2 поступает задающий сигнал Do, на инвенти- рующий вход - подаваемый на пьезодвига- тель 15 выходной сигнал устройство, прошедший через делитель 1 с коэффициентом передачи Kg. Выходной сигнал U2 (фиг. 2 а) сумматора 2 устанавливаетс усилителем 3, имеющим коэффициент усилени Ку, и поступает на входы ключа 8, нелинейного элемента 9 и первого компаратора 4, на выходе которого формируетс сигнал (фиг. 2 б) лог. 1 при положительном сигнале на выходе усилител 3 и лог. О - при отрицательном сигнале. На вход второго компаратора 5 через делитель 1 поступает сигнал с выхода устройства. На выходе второго ком- паратора 5 формируетс сигнал (фиг. 2, в) лог. 1 при положительном сигнале на выходе устройства и сигнал лог. О - при отрицательном сигнале.

Коммутатор 12 работает следующим об- разом.

При подаче на его управл ющий вход сигнала лог. 1 сигнал с информационного входа проходит на первый выход, при подаче сигнала лог. О - на второй выход.

При зар де пьезодвигател от нул до некоторого положительного напр жени (участок ti t t2, фиг. 2) на выходах первого и второго компараторов 4 и 5 формируютс сигналы лог. Г . На выходе элемента 6 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ формируетс сигнал лог. О (фиг. 2 и), соответственно на выходе инвертора 7 - сигнал лог. Г, который вы- зыэает по вление сигнала лог. 1 на выходе элемента ИЛИ 11 и открывание ключа 8. На управл ющий вход коммутатора 12 поступает сигнал лог. Г, поэтому с выхода элемента ИЛИ 11 сигнал лог. Г поступает на парами (переключающий вход преобразовател 14 напр жени (вход ключа 27, участок

ti t t2, фиг. 2 ж), вызыва его открывание. Сигнал с выхода усилител 3 поступает на вход модул тора 20, на управл ющий вход которого поступают импульсы с генератора 21 (фиг. 2 г). Длительность импульсов tu генератора 21 равна половине периода следовани . На выходе модул тора 20 формируетс сигнал КУ1)2, если на управл ющем входе находитс импульс генератора 21 и сигнал - KyU2 при отсутствии управл ющего импульса. С «выхода модул тора 20 импульсы с амплитудой поступают на вход сумматора 22, в котором они суммируютс с сигналом делител 19, равным половине питающего напр жени , вырабатываемого источником 18 посто нного напр жени . Пройд через усилитель тока - эмиттерные повторители 23 и 14, сигнал поступает на первый вход преобразовател 14 напр жени .

Входной сигнал преобразовател 14 напр жени через накопительный элемент 24 (участок ti t t2. фиг. 2 д) поступает на первичную обмотку трансформатора 12, имеющего коэффициент трансформации Кц. Счита , что коэффициент передачи эмиттерных повторителей 23 и 24 равен единице , получим значение амплитуды импульсов на вторичной обмотке первого трансформатора 26

Ky(Uo-Kgl)g).(1)

Однако пьезодвигатель 15 зар жаетс только положительными импульсами UT, так как открыт только ключ 27. В этом случае пьезодвигатель зар жаетс по цепи: обща шина - ключ 27 - второй выпр мительный элемент 30 - вторична обмотка трансформатора 26 - первична обмотка трансформатора 16 - пьезодвигатель 15 - обща шина. При отрицательном импульсе на вторичной обмотке трансформатора 26 зар д пьезодвигател продолжаетс за счет энергии магнитного пол , накопленной первичной обмоткой второго трансформатора 16, по цепи: первична обмотка трансформатора 16 - пьезодвигатель 15 - ключ 27 - первый выпр мительный элемент 29.

При зар де пьезодвигател от нул до некоторого отрицательного напр жени (участок t ta, фиг. 2) на выходах первого и второго компараторов 4 и 5, элемента 6 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ формируютс сигналы лог. О, а на выходах инвертора 7, элемента ИЛИ 11 - сигналы лог. 1, ключ 8 открыт. При этом пьезодвигатель зар жаетс только отрицательными импульсами UT, так как открыт только ключ 28 по цепи: обща шина - ключ 28 - четвертый выпр мительный элемент 32 - вторична обмотка трансформатоpa 26 - первична обмотка трансформатора 16 - пьезодвигатель 15 - обща шина. При положительных импульсах зар д продолжаетс по цепи: первична обмотка трансформатора 16 - пьезодвигатель 15 - ключ 28 - третий выпр мительный элемент 31.

При выполнении услови Ug UT процесс зар да прекращаетс , напр жение на пьезодвигателе фиксируетс

Ug КуКТ1 (Uo - Kg Ug)(2)

ИЛИ

КуКц

Ug 1 + Ку KTl Kg U°

(3)

т.е. напр жение Ug в установившемс режиме пропорционально задающему напр жению Uo, а выражение (3) эквивалентно уравнению линейного усилител с коэффициентом передачи охваченного отрицательной обратной св зью с коэффициентом.

При зар де пьезодвигател энерги , потребл ема от источника 18 посто нного на,- пр жени , передаетс с потер ми, обусловленными потер ми напр жени на активных составл ющих сопротивлений первичной обмотки трансформатора 16, ключей 27 и 28, одного из выпр мительных элементов, вторичной обмотки трансформатора 26. Данные сопротивлени могут быть уменьшены путем рационального выбора элементов схемы. Их минимальные значени не ограничены. Поэтому при стремлении их к нулевому значению потери энергии при зар де пьезодвигател также стрем тс к нулю. Это свидетельстзует о высоком коэффициенте полезного действи устройства при зар де пьезодвигател . При зар де пьезодвигател 15 максимальное допустимое напр жение, подаваемое на вход амплитудно-импульсного преобразовател 13, дл

его работы в линейном режиме составл ет± -п

(Е - напр жение источника 18 посто нного напр жени . При этом на его выходе формируютс импульсы амплитудой - V3, где

Va - падение напр жени на эмиттерном повторителе. Соответственно на первичную обмотку трансформатора 16 поступают импульсы амплитудой К у V3) Кц VR, где

VR - падение напр жени на активных элементах цепи зар да пьезодвигател . Дл того чтобы трансформатор 16 при зар де пьезодвигател 15 представл л собой чистый дроссель, его вторична обмотка должна быть не нагружена, т.е. выпр мленное напр жение вторичной обмотки трансформатора 16 должно быть меньше напр жени

источника 18 посто нного напр жени . Поэтому должно выполн тьс неравенство

(| - V8) KT1-VR KT2 КВ Е.(4)

где Кт2 - коэффициент трансформации трансформатора 16;

Кв - коэффициент передачи выпр мител 17,

Неравенство (4) позвол ет определить Кмакс максимальный коэффициент трансформации трансформатора 16

(5)

(f - V3) KTI - VR KB

15 При разр де пьезодвигател из некоторого положительного напр жени до нул (участок t2 t 13, фиг. 2} сигналы на выходах первого и второго компараторов 4 и 5 не совпадают друг с другом, что ведет к по в20 лению на выходе элемента 6 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ сигнала логической единицы. При этом сигнал логического нул с выхода инвертора 7 поступает на первый вход элемента 11 ИЛИ и на управл ющий вход ключа

25 8, запира его. На выходе широтно-импуль- сного модул тора 10 формируютс импульсы (фиг, 2 е) посто нной частоты, что обеспечиваетс подачей на его стробирую- щий вход импульсов с выхода генератора

30 21, и длительностью, пропорциональной амплитуде модул выходного сигнала усилител 3, получаемого на выходе нелинейного элемента 10. В этот момент на управл ющий вход коммутатора 12 подаетс сигнал

35 логического нул . Поэтому импульсы с выхода широтно-импульсного модул тора, пройд через элемент ИЛИ 11 поступают на второй переключающий вход преобразовател 14 напр жени (управл ющий вход

40 ключа 27 участок tz t ta, фиг. 2 з). Это обеспечивает периодическое открывание ключа 28 и разр д пьезодвигател 15 по цепи: пьезодвигатель 15- первична обмотка трансформатора 16 - третий выпр ми45 тельный элемент 31 -ключ 28-обща шина. При разр де пьезодвигател из некоторого отрицательного напр жени до нул (участок t ti, фиг. 2) на выходах элемента 6 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и первого компарэ50 тора 4 формируютс сигналы лог. ед., а на выходе второго компаратора 5 сигнал логического нул . При этом импульсы с выхода широтно-импульсного модул тора 10, пройд через элемент ИЛИ 11 и коммутатор 12.

55 поступают на первый переключающий вход преобразовател 14 напр жени (управл ющий вход ключа 27 участок, фиг. 2 ж). Разр д пьезодвигател 15 осуществл етс по цепи: пьезодвигатель 15-первична обмотка второго трансформатора 16 - первый выпр мительный элемент 29 - ключ 27 - обща шина. При выполнении услови Ug - UT процесс разр да прекращаетс , напр жение на пьезодвигателе фиксируетс

Ug - Kg Km (Uo - Kg Ug)(6)

или

-lAfaH.W

где Km - коэффициент пропорциональности напр жение-скважность широтно-импульс- ного модул тора 10.

Если выбрать Km Kn , то устройство при разр де представл ет собой также усилитель с коэффициентом передачи Ку Кц охваченный отрицательной обратной св зью с коэффициентом Kg.

При разр де пьезодвигател 15 происходит периодическое открывание одного из ключей 27 или 28. В моменты, когда один из ключей открыт, энерги электрического пол пьезодвигател 15 преобразуетс в энергию магнитного пол первичной обмотки второго трансформатора 16. При запирании ключа возникают экстратоки размыкани , которые навод т в первичной обмотке трансформатора 16 противо-ЭДС самоиндукции . Эта противо-ЭДС, наведенна в первичной обмотке трансформатора 16, передаетс через его вторичную обмотку и выпр митель 17 в конденсатор, наход щийс на выходе источника 18 посто нного напр жени (фиг. 3). Энерги , запасенна в конденсаторе блока 18 при разр де пьезодвигател 15, в дальнейшем используетс при его зар де. Таким образом, полный цикл зар да - разр да пьезодвигател 15 представл ет собой преобразование энергии источника 18 в энергию зар да пьезодвигател и обратное преобразование энергии зар да пьезодвигател (при его разр де) в энергию зар да конденсатора, включенного на выходе источника. Источник 18 и пьезодвигатель 15 как бы обмениваютс энергией. При уменьшении активных сопротивлений цепей преобразовател 14 напр жени , второго трансформатора 16 и выпр мител 17 потери в процессе обмена энергией снижаютс и в пределе стрем тс к нулю. Это свидетельствует о высоком коэффициенте полезного действи устройства, который в пределе стремитс к 100%. Коэффициент полезного действи известного устройства не превышает 65%.

Предлагаемое устройство управлени пьезодвигателем испытано при управлении пьеэодвигателем емкостью 1 мкф и имеет следующий технические характеристики: входное напр жение ±5 В; выходное напр

жение + 300 В; средний ток зар да пьезодвигател 0,3 А; практический коэффициент полезного действи 86%.

Экономический эффект от применени

предлагаемого устройства управлени пьезодвигателем обусловлен большим коэффициентом полезного действи , что приводит к уменьшению затрат на электроэнергию при использовании устройства с одновременным снижением мэссогабаритных показателей разработанного оборудовани .

Claims

Формула изобретени Устройство управлени пьезодвигателем , содержащее инвертор, амплитудно-импульсный преобразователь, первый выход которого соединен с первым входом преобразовател напр жени , второй выход - с общей шиной, к которой подсоединены преобразователь напр жени , делитель и пьезодвигатель , вход которого через делитель соединен с инвертирующим входом сумматора , неинвертирующий вход которого вл етс входом устройства, выход через

усилитель соединен с входом первого компаратора , отличающеес тем, что, с целью повышени КПД устройства, в него дополнительно введены трансформатор, выпр митель, второй компаратор, элемент

ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, ключ, блок определени модул , широтно-импульсный модул тор , элемент ИЛИ и коммутатор, причем выход первого компаратора соединен с управл ющим входом коммутатора и первым

входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход которого через второй компаратор соединен с выходом делител , а выход через инвертор - с первым входом элемента ИЛИ и управл ющим входом ключа, информационный вход которого соединен с входом блока определени модул и выходом усилител , а выход - с первым входом амплитудно-импульсного преобразовател , второй вход которого соединен с первым

выходом выпр мител , а третий выход - со стробирующим входом широтно-импульс- ного модул тора, информационный вход которого соединен с выходом блока определени модул , а выход - с вторым

входом элемента ИЛИ, выход которого соединен с информационным входом коммутатора , первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым переключающими входами преобразовател напр жени , выход которого через первичную обмотку трансформатора соединен с входом делител , вторична обмотка трансформатора соединена с первым и вторым входами выпр мител , второй выход которого соединен с общей шиной.

в

Ч nr LI

грпппппппппппппппппппппппппппп

э

ЯП И П1ПППППППП II I ПППППППГ1ПППП

I ИОПП П

I

и

|ИЯПП11Е

I ДППППППГТ

I

л

4УППППП .

CufloEou

ff1/Xr#&f OpritЈf#fCp

#OCMOJWt/o26

напр жени te

Сеть

nepeMeAWtt, toottcf

Выпр ги/тельный

MOCHi

Накопительный элемент

Ъ-.

I

Фиг. З