Способ управления стрикционным преобразователем

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СТРИКЦИОННЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ, заключающийся в формировании продольного управляющего поля на преобразователе в зависимости от требуемого перемещения, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД преобразователя, дополнительно формируют поперечное управляющее поле, отстающее во времени на /2 относительно продольного управляющего.

Изобретение относится к электротехнике, автоматике и ультразвуковой технике и может быть использовано в силовых преобразователях микроперемещений, электроакустических преобразователях, шаговых устройствах.
Известен способ управления пьезомагнитным стержнем шагового двигателя, заключающийся в формировании величины импульса управляющего воздействия в обмотке стержня в зависимости от требуемого шага перемещения.
Недостаток такого способа заключается в присутствии остаточных деформаций в низком КПД из-за потерь на гистерезис, вихревые токи и низкая выходная мощность преобразователя.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ управления пьезопреобразователем шагового двигателя, заключающийся в формировании величины напряжения на пьезопреобразователе в зависимости от требуемого шага перемещения.
Этот способ управления обладает низким КПД из-за наличия высоких потерь на гистерезис и невысокой выходной мощностью преобразователя.
Цель изобретения - повышение КПД преобразователя.
Поставленная цель достигается тем, что формируют дополнительное поперечное управляющее поле, отстающее во времени на /2 относительно продольного управляющего поля.
Способ основан на следующем. Правило четных эффектов Акулова для стрикционного материала можно представить в виде:
= - _{a п}, где _п - стрикционная деформация в направлении приложенного поля;
- механическая деформация в направлении, перпендикулярном, направлению приложенного поля;
_a= - 1 - коэффициент Пуассона стрикционного материала, находящегося под влиянием (электрического или магнитного) поля;
E_a=E/(1-K_м²) - модуль упругости в направлении приложенного поля;
- модуль упругости в направлении, перпендикулярном направлению приложенного поля;
E - модуль упругости, измеренный в том же направлении, что и E_a, но без наличия поля;
K_м² - коэффициент магнитомеханической связи.
Для магнитострикционного сплава 49КФ E_a=2,1 10¹¹H/м²,E=1,7 10¹¹H/м²,
=0,7 10¹¹H/м²
(H=1000A/м)
_a=0,5.
Будем считать направление, в котором происходит перемещение, продольным, а перпендикулярное ему - поперечным.
С помощью поперечного управляющего поля можно обеспечить следующее условие _r, в котором поле, приложенное в поперечном направлении к стрикционному элементу, осуществляющему продольное прецизионное перемещение, создает в продольном направлении относительную стрикционную деформацию , величина которой перекрывает остаточные продольные деформации _r после снятия продольного поля. При = _r устраняется механический гистерезис за счет снятия остаточных деформаций до нуля, а при > _r увеличивается выходная мощность преобразователя. Это ведет к повышению КПД.
=
P =P_мех+P_г+P_эл, где P - суммарные потери;
P₂ - полезная выходная мощность;
P_мех - механические потери (вязкое трение среды, трение в опорах);
P_эл- электические потери,
P_эл 0;
P_г - потери на гистерезис, определяемые площадью механической петли, которые уменьшаются за счет снятия остаточных деформаций поперечным полем.
Нелинейность такой механической характеристики можно уменьшить сжатием или растяжением стрикционного элемента в зависимости от знака его продольной стрикционной деформации. На полученной таким способом = _r , линеаризованной механической характеристике стрикционного элемента можно осуществлять линейный режим работы, при котором форма выходного перемещения не будет искажаться под влиянием гистерезиса и не зависеть от частоты управляющего воздействия.
Полезная мощность P₂ для магнитострикционных устройств пропорциональна магнитострикционной силе F_м и величине перемещения
P₂= где F_дин=F_м-F_y-F_д+F_c - динамическое усилие;
t - время перемещения;
F_y - сила упругости;
F_д - демпфирующее усилие;
F_c - поджимающее (растягивающее) усилие.
При действии продольного и поперечного магнитных полей, сдвинутых на /2
F_M^*=(d_M+ _ad_M)E_a S H, где d_M - продольный пьезомагнитный модуль;
_a d_M - поперечный пьезомагнитный модуль;
S= S_прод= S_поп - площади сечений магнитострикционного элемента в продольном и поперечном направлениях;
H=H_прод=H_поп - продольная и поперечная напряженности магнитных полей.
Для сплава 49КФ _a =0,5, тогда
F_M^*= 1,5d_M E_a S H= 1,5 F_M и магнитострикционное перемещение будет равно ^*=1,5 . Если F_c=0, тогда полезная мощность
P₂^*=(F_M^*-F_y-F_д) ^*/t а два раза больше полезной мощности P₂ от действия на магнитострикционный элемент только продольного магнитного поля. Если F_c 0, то ^** 2 , F_M^** 2 F_M и тогда полезная мощность P₂^** будет в четыре раза больше полезной мощности P₂. Способ управления, когда > _r, позволяет в полном объеме использовать существующие возможности стрикционного элемента, осуществляющего продольные перемещения.
На фиг. 1 изображен один из вариантов устройства, реализующего способ управления; на фиг. 2 - разрез магнитострикционного преобразователя; на фиг. 3 - продольная развертка намагничивающей системы; на фиг. 4 - графики зависимостей U_прод=f( t) и U_поп=f( t), совмещенные угловые зависимости продольного и поперечного электрических полей: _прод =f(U_пр) и _поп=f(U_поп), совмещенные зависимости петель электромеханического гистерезиса пьезоэлемента в продольном (APMBRNA - штрих) и поперечном (A^'P^'M^'B^'R^'N^'A^' - штрихпунктир) направлениях: _прод=f( t) угловая зависимость продольной механической деформации, полученная отражением зависимостей U_прод=f( t) и U_поп= f( t) от результирующей продольной электромеханической кривой ОАОВО; ОА^'OB^'O - результирующая поперечная электромеханическая кривая; на фиг. 5 - зависимость при синусоидальном управлении и снятии остаточных деформаций H_прод= f( t) и H_поп=f( t), совмещенные временные зависимости продольной и поперечной напряженностей магнитного поля; _прод=f(H_прод) и _поп=f(H_поп), совмещенные зависимости петель механического гистерезиса магнитострикционного элемента в продольном (AECDEFA - штрих) и поперечном (A^'E^'C^'D^'E^'F^'A^' - штрихпунктир) направлениях; _прод=f( t) - угловая зависимость продольной механической деформации, полученная отражением зависимостей H_прод=f( t) и H_поп=f( t)от результирующей продольной магнитомеханической кривой OAODO.
Устройство, реализующее способ управления (фиг. 1) магнитострикционным преобразователем, содержит управляющее устройство (ЭВМ) 1, ждущий генератор 2, линию задержки (фазовращатель) 3 на /2, ключи 4, блок сравнения и усилители мощности 5, продольную (цилиндрическую) обмотку 6 и поперечную (тороидальную) обмотку 7 магнитострикционного преобразователя. Магнитострикционный преобразователь по фиг. 2 и 3 состоит из магнитострикционного элемента 8, намагничивающей системы 9 с обмотками 6 и 7 и нагрузки 10. В такой конструкции намагничивающей системы от витков тороидальной и цилиндрической обмоток в соседних продольных рядах зубцов (например, ряд зубцов 11 и ряд зубцов 12, фиг. 3) создаются правовинтовые (или левовинтовые) и левовинтовые (или правовинтовые) знакопеременные магнитные потоки, которые в результате их некоторого сложения закручивание магнитострикционного элемента не дадут.
Устройство, реализующее способ управления, работает следующим образом.
По фронту запускающего импульса запускается ждущий генератор 2, настроенный на определенную частоту, гармонический сигнал которого поступает через ключ 4 в блок сравнения и усилителя мощности 5, а оттуда в цилиндрическую обмотку 6. Тот же сигнал с генератора 2, задержанный на /2 в линии задержки 3, проходит через свой ключ 4, блок 5 в тороидальную обмотку 7. Исходное состояние ключей 4 замкнутое. Блок 5 вырабатывает сигнал сравнения j двух управляющих воздействий, который совместно с сигналом обратной связи (например, с датчика перемещений, таймера) поступает в устройство 1, которое вырабатывает сигнал на отключение ключей 4 продольного и поперечного воздействий.
Способ управления стрикционными преобразователями состоит в следующем.
Под действием гармонического продольного управляющего поля и гармонического поперечного управляющего поля, отстающего на /2 от продольного поля, стрикционный элемент совершает продольные механические колебания. Если величина поперечного поля подобрана так, что достигается равенство = _r, то стрикционный элемент будет совершать колебания без механического гистерезиса. По фиг. 4 рабочая точка пьезоэлемента в продольном направлении перемещения будет совершать движение по петле OAOBO, а в поперечном направлении - по петле OA^'OB^'O. Для магнитострикционного элемента рабочая точка в продольном направлении будет совершать движение по петле OAODO, а в поперечном направлении - по петле O^'D^'O^'A^'O^'. Если же = _r, то увеличивается диапазон перемещения (продольного) за счет поперечной деформации стрикционного элемента и увеличивается полезная мощность преобразователя.
Гармонические колебания продольного и поперечного полей пьезоэлемента и магнитострикционного элемента прекращаются в момент времени, когда достигается равенство U_прод= U , U_прод= U . В момент снятия поперечного и продольного полей возникают свободные колебания поперечной и продольной деформаций, противоположных по знаку согласно правилу Акулова, при этом максимумы перерегулирований продольной _II и поперечной свободных колебаний будут связаны соотношением = - .
Полностью активно задемпфировать продольный переходный процесс, соблюдая вышеприведенные соотношения, можно лишь при условии равенства продольной и поперечной частот свободных колебаний ( _M= _прод= _поп):
_М= _прод= = = _поп где m_прод= S_прод l_м - масса магнитострикционного элемента - трубки в продольном направлении;
m_поп= S_поп2 r_ср - масса стрикционного элемента в поперечном направлении;
r_ср - средний радиус стрикционного элемента;
- плотность стрикционного элемента;
l_м - длина стрикционного элемента;
K - коэффициент упругости в поперечном направлении;
K - коэффициент упругости в продольном направлении.
Из соотношения равенства частот колебаний следует r_ср= l_м.
Таким образом, предлагаемый способ управления стрикционным преобразователем позволяет уменьшить его потери на гистерезис и вихревые токи, а также повысить полезную мощность и диапазон перемещения, что приводит к повышению КПД преобразователя.
Изобретение относится к электротехнике, автоматике и ультразвуковой технике, может быть использовано в силовых преобразователях микроперемещений, электроакустических преобразователях, шаговых устройствах. Цель изобретения - повышение КПД преобразователя. Согласно изобретению, дополнительно к операции формирования продольного управляющего поля на преобразователе в зависимости от требуемого перемещения, формируют поперечное поле, которое отстоит во времени на /2 относительно продольного управляющего поля. Совокупность таких полей позволяет уменьшить потери преобразователя на гистерезис и вихревые токи, а также повысить полезную мощность. 5 ил.