SU913482A1 - Устройство управления пьезоэлектрическим двигателем i - Google Patents

Description

Изобретение относится к пьезоэлектронике, а именно к устройствам управления пьезоэлектрическими двигателям* (ПЭД) и может быть использовано в установках различного назначения, где перспективно применение пьезодвигателей, например в устройствах . магнитной записи - воспроизведения звука, изображения, цифровой информации и т.д.

Известно устройство управления и стабилизации скорости ПЭД, которое включает регуляторы частоты и амплитуды возбуждающего напряжения и блоки, осуществляющие перекрестные связи между частотным и амплитудным каналами управления, а также элементы, выявляющие переход рабочей точки на нерабочий склон резонансной характеристики скорость - частота и обеспечивающие принудительное возвращение рабочей точки на рабочий склон этой характеристики (1].

Недостатками этого устройства являются необходимость тщательного подбора параметров блоков, осуществляющих перекрестные связи между частотным и амплитудным каналами управления, с целью обеспечения устойчивости и приемлемого качества пере2

ходного процесса, а также требование повышенной точности к элементам узлов, выявляющих переход рабочей точ5 ки на нерабочий склон характеристики скорость - частота. Кроме того, недостатком этого устройства является сложность систем* управления, вызванная необходимостью иметь элементы

Ю Регулировки как частоты, так и амплитуды возбуждающего напряжения, а также элементы, осуществляющие перекрестные связи между частотным и амплитудным каналами регулирования.

Известно также устройство управ.ления ПЭД, содержащее датчик скорости, генератор эталонной частоты, четыре формирователя импульсов, блок вычитания частот, два фазовых детек_₀ тора, два корректирующих устройства, ^1X3 усилитель мощности, управляемый генератор электрических колебаний, датчик тока возбуждения пьезорезонатора и устройство сравнения, причем датчик скорости через один из фор25 мироаателей соединен с одним из

входов блока вычитания частоты,другой вход которого через второй формирователь соединен с генератором

эталонной частоты, выход блока вы—

30 :читания частот через один вход пер3

913482

4

вого фазового детектора соединен с входом первого корректирующего устройства, другой вход первого фазового детектора соединен с выходом второго формирователя, управляемый генератор через усилитель мощности соединен с пьезореэонатором двигателя и входом третьего формирователя, датчик тока соединен с выходом четвертого формирователя, а выходы обоих формирователей подключены к двум входам второго фазового детектора, выход последнего соединен с одним из входов устройства сравнения,другой вход которого предназначен для подачи сигнала'заданной фазы, а вы- 15 ход соединен со вторым корректирующим устройством [2].

Недостатком известного устройства является относительная сложность, связанная с необходимостью управления одновременно амплитудой и частотой возбуждающего напряжения. Для управления амплитудой используется модулятор, регулирующий напряжение питания конечного?каскада усилителя мощности, реализуемый, как правило, мощным проходным транзистором, установленным на радиаторе и включенном последовательно в Цепь питающего напряжения. Кроме того, применение усилителя мощности с модулятором существенно снижает КПД устройства, поскольку он потребляет до 90% общей мощности, при одновременном снижении надежности устройства.

Целью изобретения является упрощение устройства, повышение его КПД и надежности.

Цель достигается тем, что устройство управления ПЭД, содержащее датчик скорости, генератор'эталонной частоты, четыре формирователя импульсов, блок вычитания частот, два фазовых детектора, два корректирующих устройства, усилитель мощности, управляеьый генератор электрических колебаний, датчик тока возбуждения пьезорезонатора и устройство сравнения, причем датчик скорости через один из формирователей ι соединен с одним из входов блока вычитания частот, другой вход которого через второй формирователь соединен с генератором эталонной частоты, выход . блока вычитания частот через один вход первого фазового детектора соединен с входом первого корректирующего устройства, другой вход первого фазового детектора соединен с выходом второго формирователя, управляемый генератор через усилитель мощности соединен с пьезореэонатором двигателя и входом третьего формирователя, датчик тока соединен с входом четвертого формирователя, а выходы обоих формирователей подклю10

20

чены к двум входам второго фазового детектора, выход последнего соединен с одним из входов устройства сравнения, другой вход которого предназначен для подач» сигнала заданной фазы, а выход соединен со вторым корректирующим устройством, содержит дополнительно пороговое устройство и двухканальный переключатель аналоговых сигналов, при этом ко входу порогового устройства подключен выход устройства сравнения, а выход порогового устройства соединен с управняющим входом переключателя аналоговых сигналов, вход первого канала которого подключен к выходу первого корректирующего устройства, вход второго канала - к выходу второго корректирующего устройства, а выход - ко входу управляемого генератора.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - характеристики пьезодвигателя, иллюстрирующие его работу и представляющие зависимости тока возбуждения 1, угла сдвига фаз Δψ напряжения и тока возбуждения, а также скорости η пьезодвигателя, от частоты, снятые для ряда фиксированных значений момента нагрузки М и амплитуды А надряжения возбуждения. Характеристики ΔΥ =р(£) пересекают ось абсцисс на частотах резонанса £р_с характеристик ток возбуждения - частота. Линия л^Д^ре есть геометрическое место точек на фазовых характеристиках, соответствующих резонансным частотам £рс характеристик скорость - частота.

Устройство содержит пьезодвигатель Г, пьеэореэонатор (ПР) которого питается от усилителя мощности 2.

Вход усилителя мощности подключен к управляемому генератору (УГ) 3. Последовательно с ПР двигателя включен измерительный резистор К, являющийся датчиком сигнала, пропорционального току ПР. Этот сигнал преобразуется с помощью формирователя 4 в последовательность прямоугольных импульсов. Аналогичную функцию выполняет Формирователь 5 по отношению к выходи силу напряжению усилителя 2, т.е. напряжению возбуждения ПР. Выходные сигналы формирователей 4 и 5 поступают на входы фазового детектора (ФД^ ) 6, выполненного, например, на основе логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Выходное напряжение ФД, , пропорциональное разности фазовых углов напряжения и тока возбуиздения, подается на один из входов схемы сравнения (сумматора) 7, на другой вход которого.подается напряжение, пропорциональное значению разности фазовых углов - Δ Чрс г

соответствующей точке раздела право65 го и левого склонов характеристик

25

30

35

40

45

50

55

60

5

913482

6

скорость - частота. Таким образом, на выходе схекы сравнения 7 формируется сигнал, пропорциональный текущему отклонению фазового угла от заданного значения (фазовый сигнал ошибки). Этот сигнал преобразуется в управляющий динамическим формирователем - корректирующим устройством 8, выход которого соединен с _х входом первого канала переключателя 9 аналоговых сигналов. С валом гьезодвигателя 1 связан импульсный датчик обратной связи (датчик скорости) Ю, частота выходного напряжения которого пропорциональна скорости вращения пьеэодвигателя. Сигнал с выхода датчика обратной связи преобразуется в последовательность прямоугольных иьетульсов с помощью формирователя 11. Аналогичную функцию выполняет форнмрователь 12 для напряжения генератора эталонной частоты 13 задания скорости. Сигналы формирователей 11 и 12 поступают на блок 14 вычитания частот, вырабатывающий последовательность прямоугольных импульсов напряжения, скважность которых пропорциональна разности фазовых углов входных сигналов блока. Сигналы блока 14 и формирователя 12 воздействуют на входы фазового детектора (ФД_г) 15 (выполненного, например, на базе интегратора с запоминающей емкостью). Выходное напряжение ФД^, пропорциональное. интегралу отклонения скорости двигателя от задания через динамический формирователь - корректирующее устройство 16, поступает на вход второго канала переключателя 9. Переключатель 9 подает на управляющий вход генератора 3 либо фазовый сигнал ошибки с выхода корректирующего устройства 8, либо сигнал ошибки по скорости с выхода корректирующего устройства 16 под воздействием управляющего сигнала с выхода порогового устройства 17, уровень Выходного напряжения которого меняется каждый раз при переходе через нуль напряжения на выходе схеьы сравнения 7. УГ 3, усилитель мощности 2 и пьезодвигатель 1 совместно с блоками 4-8 образуют фазо-частотный контур регулирования-, а совместно с блоками Ю-16 контур регулирования по отклонению скорости'.

Устройство работает следующим образом.

Пусть в качестве рабочего выбран правый склон характеристики скорость - частота. Предположим, что в исходном состояний нагрузочный момент равен М₄, а рабочая точка находится в положении 18.1 (фиг.2). При этом фазовый сигнал ошибки ΛΦ положителен и равен δΦ-δΦ^ , а знак выходного напряжения схемы

1сравнения 7 таков, что пороговое устройство 17 устанавливается в состояние, при котором переключатель 9 пропускает на управляющий вход генератора 3 сигнал с корректирующего 5 устройства 16 и блокирует фазовый сигнал ошибки с выхода корректирующего устройства 8. Выходное напряжение корректирующего устройства 16 поддерживает соответствующую рабо{0 чей точке частоту £у напряжения возбуждения. Амплитуда напряжения возбуждения не регулируется и определяется параметрами генератора 3 и усилителя мощности 2, сохраняя примерно постоянное значение.

Пусть имеет место скачкообразное изменение нагрузочного момента до значения М-з> М₄. Непосредственно после этого изменения фазовый сигнал ошибки, оставаясь положительным, 20 стремится к величине ДФа, а рабочая точка - в положение 18.2. Так как знак фазового сигнала ошибки сохраняется, состояние переключателя 9 не изменяется. При этом контур ре25 гулирования по отклонению скорости производит отработку сформированного ФД_С 15 и корректирующим устройством 16 сигнала рассогласования по скорости вследствие того, что рабочая зд точка остается на рабочем склоне соответствующих характеристик скоростьчастота. По окончании переходного процесса устанавливается новое значение £3. рабочей частоты, паложительное значение АФэфаэового сигнала ⁵ ошибки, а рабочая точка оказывается вблизи положения 19.1 (фиг. 2).

Предположим, что в исходном состоянии рабочая точка находится в положении 19.1, и происходит скачко40 образный сброс нагрузки до значения М₄ . Непосредственно после сброса нагрузки рабочая точка стремится занять положение 19.2 (т.е. перейти на нерабочий склон характеристики 45 скорость - частота), а фазовый

сигнал ошибки стать отрицательным и равным дфд . Если бы в это время продолжалась работа контура регулирования по отклонению скорости,

50- произошел бы срыв стабилизации скорости вследствие нарушения динами<ческой устойчивости системы в результате изменения знака обратной связи, вызванного переходом рабочей точки на нерабочий склон характерис55 тики скорость - частота. Однако

изменение фазового угла ошибки происходит со скоростью, определяемой только переходными процессами в пьезореэонаторе, т.е., значительно 60 быстрее появления отклонения скорости, связанного, кроме того, с инерционностями ротора и нагрузки.

По этой причине в самом начале переходного процесса, когда скорость

65 практически еще не успевает изменить7

913482

8

ся, фазовый сигнал ошибки становится отрицательным, в результате чего срабатывает пороговое устройство 17 и переключатель 9 подан на управляющий вход генератора 3 выходной сигнал корректирующего устройства 8 и .5 блокирует сигнал устройства 16. Под действием выходного сигнала кбрректирующего устройства 8 растет частота, стремясь достигнуть значения £, резонансной частоты соответст- 10 вующей характеристики скорость частота и тем самым свести к нулю фазовый сигнал ошибки. Параметры корректирующего устройства 8 подобраны таким образом, что переходный процесс изменения частоты происходит с перерегулированием. Как только частота превышает значение £3 (в результате перерегулирования), фазовый сигнал ошибки становится положи20

45

тельным и переключатель 9 подсоединяет управляющий вход генератора 3 к выходу устройства 16, т.е. снова замыкает контур регулирования по отклонению скоросуги и размыкает фаэовый контур. Во время работы фазового контура скорость стремится увеличиться вследствие роста рабочей частоты. Постоянные времени выходного фильтра ФДз 6 и корректирующего устройства 8 фазового контура подобраны ’θ 'так, что сдвиг частоты при его работе происходит значительно быстрее отклонения скорости. Этого легко добиться, не нарушая динамическую устойчивость фазового контура, так 35

как процесс изменения скорости значительно более инерционен, чем процесс изменения фазового сигнала ошибки. Поскольку частота питания пьезорезонатора на несколько порядков до

выше частот колебаний скорости, постоянная времени выходного фильтра ФД₄ 6 может быть сделана достаточно малой при незначительных пульсациях. Высокое быстродействие фазового кон тура принципиально необходимо для предотвращения больших колебаний скорости. В момент срабатывания переключателя 9 рабочая частота меньше требуемого значения £4, но больше " резонансной частоты £^. По этой при- 50 чине система обладает динамической устойчивостью. Если в этот момент отклонение скорости Ап > 0, то формируемый корректирующим устройством 16 сигнал, стремясь уменьшить откло- 55 нения скорости от задания, увеличивает рабочую частоту. Следовательно (фиг. 2), фазовый сигнал ошибки остается положительным, а контур регулирования по отклонению скорое- 60 ти замкнутым. Переходный процесс заканчивается, когда рабочая точка оказывается в положении 18,1. Если -начальное отклонение скорости Дη <0. то выходной сигнал устройства 16 55

уменьшает рабочую частоту и, возможно, она оказывается меньше резонансной частоты Вследствие этого фазовый сигнал ошибки снова становится отрицательным, происходит пов-¹ торное замыкание фазового контура и сдвиг частоты в результате его работы до значения несколько большего £3, а затем новое размыкание фазового и замыкание контура регулирования по отклонению скорости, как описано выше.

Многократное срабатывание переключателя 9 происходит до тех пор, пока отклонение скорости остается отрицательным. Так как рабочая частота в таком режиме поддерживается вблизи резонансного значения для соответствующей характеристики скорость - частота, скорость нарастает, и в тот момент, когда Ап становится равным нулю, повторные срабатывания переключателя прекращаются и происходит замыкание контура регулирования по отклонению скорости. При этом под действием сигнала корректирующего устройства 16 устанавливается значение (ц частоты возбуждения, а рабочая точка оказывается в положении 18.1. Режим многократного срабатывания переключателя 9 не приводит к повышенным колебаниям скорости вследствие большого быстродействия фазового контура. Качество переходного процесса практически определяется параметрами контура регулирования по отклонению скорости. Выбор правого или левого склона характеристики скорость - частота не имеет принципиального значения. Различия в функционировании системы в том и другом случаях заключаются лишь в том, что эффекты, ранее наблюдавшиеся при сбросе нагрузки, имеют место при ее увеличении и наоборот.

По сравнению с известным данное устройство обеспечивает стабильность скорости вращения пьезодвигателя на уровне 0,1% для средней и 0,01% для мгновенной скорости, уменьшает требования к точности измерения скорости на (20-30%), упрощает система управления в результате отказа от управления амплитудой напряженности возбуждения, улучшает качество переходного процесса как результат использования частотного способа управления скоростью, а также увеличивает КПД и надежность система в результате отказа от управления амплитудой напряжения возбуждения.

Claims (2)

1. Формула изобретения

   Устройство управления пьезоэлектрическим двигателем, содержащее датчик скорости, генератор эталонной

   9

   913482

   10

   частоты, четыре формирователя импульсов, блок вычитания частот, два фазовых детектора, два корректирующих устройства, усилитель мощности, управляекый генератор электрических колебаний, датчик тока возбуждения пьезорезонатора и устройство сравнения, причем датчик скорости через один из формирователей соединен с одним из входов блока вычитания частот, другой вход которого через второй формирователь соединен с генератором эталонной частоты, выход блока вычитания частот через один вход первого фазового детектора соединен с входом первого корректирующего устройства, другой вход первого фазового детектора соединен с выходом второго формирователя, управляемый генератор через усилитель мощности соединен с пьезореэонатором двигателя и входом третьего формирователя, датчик тока соединен с выходом четвертого фор»дарователя, а выходы обоих формирователей подключены к двум входам второго фазового детектора, выход последнего соединен с одним из входов устройства сравнения, другой вход которого предназначен для подачи сигнала заданной фазы, а выход соединен с вторым корректирующим устройством, о т л ич ающ е еся тем, что, с целью

   5 повышения КПД и надежности устройства, оно содержит дополнительно пороговое устройство и двухканальный переключатель аналоговых сигналов, при этом к входу порогового устрой10 ства подключен выход устройства

   сравнения, а выход порогового устройства соединен с управляющим входом переключателя аналоговых сигналов, вход первого канала которого подклю15 чен к выходу первого корректирующего устройства, вход второго канала - к выходу второго корректирующего устройства, а выход - к входу управляемого генератора.
2. 2θ