Импульсный регулятор перемещения пъезодвигателя

(19 45 д С 05 В 11/2 СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР О делАм изОБРетений и ОткРцт ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ АТО юл,1ов, С.М арасовй инстит онин, А. Ю электроннои тех 8)ое свидетельство СССРС 05 В 11/16 (прототип)(56) 1. Авторск1023278, кл МУ СОИДЕТЕЛЬСТВУ ИМПУЛЬСНЫЙ РЕГУЛЯТОР ЕНИЯ ПЬЕЗОДВИГАТЕЛЯ по в.1023278, отличающийся тем, ью повышения точности регулянем дополнительно установлены блок двойного дифференцирования одключенный к выходу усилителя выходом через фильтр подключенвертому входу устройства сравне(54)(57)ПЕРЕМЕЩп,2 авт,счто, с цетора, вфильтр ивходом изаряда, аный к четния, 1133582Изобретение относится к релейным устройствам автоматического управления и может быть использовано для трехпозиционного регулирования пьезоэлектрических двигателей.По основному авт. св. )(о 1023278 известен импульсный регулятор перемещения пьезодвигателя, содержащий последовательносоедиНенные задатчик, устройство сравнения и трехпозиционный релейный усилитель,и последовательно соединенные источник на- Опряжения, первый ключ и четыре ключа,соединенные по мостовой схеме, одна из диагоналей которой соединена с входами пьезодвигателя и с входами делителя, а другая -с выходом первого ключа, управляющийвход которого соединен с первым выходомтрехпозиционного релейного усилителя, второй выход которого соединен с управляющими входами второго и тоетьего ключей мостовой схемы, а третий выход - с управляющими входами четвертого и пятого ключей 20мостовой схемы, выход делителя соединен свторым входом устройства сравнения, авыход генератора - с вторым входом трехпозиционного релейного усилителя, электрический выход изолированной пьезопластинысоставного пьезолвигзтеля соединен с входом усилителя заряа, выход котороп соединен с третьим входом устройства сравнения 1.Известный регулятор предназначен дляиспользования в системах автоматическогоуправления с ограниченным 1 изпззоном перемещения, однако при упругой н 1)грузке исПОЛНИтЕЛЬНОГО дВИГа Гспя ТОК;ГО рЕГуЛятОра его точность существенно снижается.Так, например, при упруой нагрузке исполнительного дви 1 згеля максимальный 35диапазон перемещенияЬ)П= дМ МБп, (1)где дзэ М,/В - пьезомодуль;11 - число пьезопластин пьезодви гателя;40Б 163 - амплитуда напряжения, подаваемого на пьезодвигатель,пьезодвигателя сужается,При этом рабочий диапазон перемещения 4 гп пьезодвигателя записывается в 45видеЬЬЮ 1.1 СдСи + С)1 ф (2)где Сд Нм - жесткоть пьезодвигателя;Сн Н/м - . жесткость упругой нагрузки.50Следовательно, в известном импульсномрегуляторе, где первоначальное переменипьезодвигателя пропорционально на;нию и соответствует выражению (1).кикает сшибкаьЕ ---- (3) 55при отработке перемещения д . Целью изобоетения является пОВып 1.1 ис точности регулятора при упругой нзгузДля д 1)стижения постзвлс иной цс-,:. г: чпулы ном регуляторе перемещения.ш; гателя дополнггельно устзнов,н 1 иьтр и блок двойного диффсреи 11 ир 1 взии,одом подключенн 11 й к выходу усилитГ, ,а 1)ядз, а выходом через филыр - - к четке)Гоч входу устройства сравнения.В ЭТОМ СЛуЧаЕ ПОВЫШаЕтея тОгпостЬ рЕ- гулятора в следящем режиме, так кзк на-. пряжение нз выходе устройства сравнения пропорционально перемещению нагрузки пои уменьшении коэффициента пссдачи делителя, и скомпенсированы возмупгзюшие факторы, возникающие из-за влияния жесткости и инерционности нагрузки.На чертеже представлена структурная схема импульсного регулятора перемещения пьсзодвигател я.Импульсный регулятор перемещении пьезодвигателя содержит уст ойство 1 сравнения, к выходу которого ио)1 клк)чен тр 1 хпози,1 онный релейный усиля- .1 2, ссгмпций нз последовательно сос енных ),сйнч) элемента 3 и релс 4 - 6, вторые входы,ле 46 соединены с выходом генератора 7, выход реле 4 соединен с управляющим входом первого ключа 8, вьход которого сое. динен с диз;ональю мост вой схемы 9, во Вторую диз 1 шзль мостовой схемы включен пьезодвигатель 10, источник 1 напряжения соединен с иг 11 зльным входом ключа 8, иричсм э.ектрические входы пьезодвигателя 10 соединены с входами делителя 12, выход которого соединен с вторым входом устройства 1 сравнения, мостовая схема 9 сос. тоит из второго 13, третьего 14, четверто го 15 и пятого 16 ключей, причем изолированная пьезопластина 7 жестко прикреп. лена к выходному торцу пьезодвигателя 11. электрический выход изолированной пьезопластины 17 соединен с входом усилителя 8 заряда, выход которого соединен с третьим входом устройства 1 сравнения и с входом блока 19 двойного дифференцирования, Выход которого подключен к входу фильтра 2)1), выход которого соединен с четвертым - дом устройства 1 сравнения, первый которого подключен к выходу зздатчикз 1Регулятор работает следу)ошим обрз Задающий сигнал с выхода зада Гчи :. через устройство 1 сравнения посту 11 с вход трехпозиционного релейного уси,.11 тс,1 я 2. В зависимости ОГ почирности зз).Г п 1 его сигнала при превыше 1 ии зоны 1)с";и с)вите,ьности релейного элемента 3 в цз 1)Гс: реле 5 или 6, а также реле 4.11 ри этом на вторые входы реле 4 поступают тактирующие импульсы с Ге:. ратора 7. Реле 4 обеспечивал в с 111: ствии с тзктирук)шими им 1 ульсз:;1)1ратора 7 вкл)оение ключа 8, которыйт, ысоким напряжением с источника 1 напряжения одну из 1 пагоалй мостовой схемы 9, в дргую.1 иагиаль включен пьезодвигатель 10.Реле 5 и 6, которые соединень с управляющими входами ключей 13- 6, включенных в противоположные плечи мостовой схемы, открывают в соответствии с тактирующими импульсами с генератора 7 ключи 3 1 14 или 15 и 16 (наример, ристоры, оптроны, транзисторы) в противоположных пле- О чах мостовой схемы 9, через которые происходит заряд емкости пьездвигателя 10.Следовательно, расин прение ил и сжатие пье:одвигателя 10 происходит в зависимости От полярности задающего сигнала, Деформация пьезодвигателя 10 вызывает деформацию изолированной пьезопластины 17, что приводит к появлению электрического напряжения на обкладках изолированной пьезопластины 17. Это напряжение усиливается усилителем 18 заряда и подается на 20 трсгий вход устройства 1 сравнения и на д , ка 19 двойного дифференцирования, ,х 1 к торого через фильтр 20 по,ключен к т чму входу устройствасравнения, В ка с;с фильтра 20 может быть применен , бой ысокочастотный фильтр. Г Ри этом на выходе устройства 1 сравнения формируется напряжение, пропорциональное отклосиио текущего перемещения пьезодвигагеля от заданного.30Изолированная пьезопластина 17 составного пьезодвигателя 10, являющаяся чувстител ьным элементом пьезодатчика, находится между пьезодвигателем 10 и механической нагрузкой. Следовательно, усилие Гд Н, воспринимаемое изолированной пьезо- З 5 пластиной, равно1 д(р) = врухн(р) + д С ха(р) (4) где Р - оператор Лапласа;40т Енг 1 - масса нагрузки;лс 1 М - перемещение нагрузки;Хд ЕМ - перемещение пьезодвигателяпри отсутствии упругой нагрузки;Са ЕНи - жесткость пьезодвигателя; 45Сн ЕН/м - жесткость упругой нагрузки.Перемещение нагрузки хм меньше, чем соответствующее перемещение Жц м при равном электрическом напряжении пьезо двигателя 10 при отсутствии упругой нагрузки, и определяется выражениема РСа+СнСд(Ч), получаем выражение для усилия, воспринимаемого пьезопластиной 17Гд (р) =- хн (р) (гпр - С) . (6)(8) Еуз = КуЕк,где Ку - коэффициент передачи усилителязаряда.Г 1 ри работе предлагаемого импульсного регулятора перемещения пьезодвигателя напряжение с обкладок изолированной пьезопластины 17, усиленное усилителем 18 заряда, поступает на вход блока 19 двойного дифференцирования с передаточной функциейд (Р) = Т (9) где Тес = - постоянная времени дифференциатора;п Екг 1 - масса нагрузки;СН/м в жесткос упругой нагрузки,Выходной сигнал блока 9 двойного дифференцирования поступает на вход фильтра 20 с передаточной функциейЬ (Р)1(10)Выходной сигнал фильтра 20 подается на четвертый вход устройства 1 сравнения. При этом выходной сигнал устройства 1 сравнения при упругой нагрузке на пьезодвигатель 10 равенЕс(Р) = -Ъ (Р) - -Ъ з(Р) + Е)з(Р) %(Р) Х Х Юу (р) - сои(р) = Е)з(р) -яуЫяХя(Р)1 ФР + Сй) тЪтР /о-а(Р) = -Ь(Р) - 1 ьхн(Р) - "обью(Р) (.11)- задающее напряжение;- коэффициент передачи корректирующего канала; где Е 7 з ЕИ Ку СВИС скИз выражения (6) видно, что усилие Гл Н, действующее на изолированную пезопластину 17, пропорционально перемещению и ускорению нагрузки, следовательно, напряжение ЕкВ с обкладок пьезопластины, использующееся как сигнал обратной связи и через усилитель 18 заряда подающеееся на третий вход устройства 1 сравнения, также пропорционально перемещению и ускорению нагрузки.ЯззГд 1 р) И,ЮХн(Р)(ОР +Си) к( р) --- д ------ и)Св Скгде с 1 зь ЕМ/61 - пьезомодуль;Ск ЕФ 1 - емкость изолированнойп ьезопл асти ны.Причем напряжение Буь В на выходе усилителя 18 заряда равно .1133582 Составитель Ю. Гладков Редактор В. Данко Техред И. Верес Заказ 9835/39 Тираж 863 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и от крытий 11303 о, Москва, Ж - 35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4Ко - коэффициентпередачи делителя;Уд 1 И - напряжение,подаваемое на пьезодвигатель с выхода импульсного усилителя.Следовательно, в предлагаемом импуль 10 сном регуляторе перемещения пьезодвигателя напряжение на выходе устройства 1 сравнения пропорционально перемещению нагрузки. В целом это повышает точность регулятора в следящем режиме при отслеживании требуемого перемещения, так как скомпенсированы возмущающие факторы из-за влияния упругости и инерционности нагрузки.Предложенный импульсный регулятор перемещения пьезодвигателя позволяет улуч шить точностные характеристики регулятора при упругой нагрузке, что в конечном итоге повышает точностные характеристики прецизионного пьезопривода.В настоящее время изготовлен лабораторный образец импульсного регулятора перемещения пьезодвигателя, который прошел лабораторные испытания.Технические характеристики регулятора: точность позиционирования пьезодвигателя 0,02 мкм; диапазон рабочих частот 30 0 - 1000 Гц; диапазон перемещения пьезодвигателя (-50) - (+50) мкм; диапазон входных напряжений (-1) - (+1) В; диапазон выходных напряжений (-300) - (+300) В.Экономический эффект изобретения проявляется при использовании импульсного 35 регулятора перемещения пьезодвигателя в автоматических системах фотографирования астрономических объектов в качестве прецизионного пьезопривода фотокассеты, отслеживающего флуктуации атмосферы, и 4 О составит более 100 тыс, руб. в год. Проблема компенсации флуктуаций атмосферы впер. вые поставлена академиком В, П. Линником и является одной из наиболее актуальных в астрономии.Решение проблемы отслеживания флуктуаций атмосферы позволит получить четкие снимки астрономических объектов. В настоящее время годен примерно один из ста снимков, сделанных вручную, что приводит к непроизводительной работе телескопа и обслуживающего персонала.Стоимость работы среднего зеркального телескопа 200 - 300 руб. в час. При работе телескопа в течение 8 ч в сутки потери за счет непроизводительного использования оборудования и получения негодных снимков составляют порядка 1 тыс. руб. Следовательно, при эксплуатации предлагаемого регулятора в телескопе в качестве прецизионного пьезопривода фотокассеты возможно получить экономию в результате сокращения потерь из-за непроизводительного использования оборудования более 100 тыс. руб в год с одновременным получением более качественных снимков астрономических объектов, несущих большое количество информации. Ожидаемый экономический эффект изобретения проявляется также при применении импульсно.о регулятора в системах управления гибкими зеркалами и в оборудовании микроэлектроники для рентгеновской и электронной литографии за счет повышения процента выхода годных изделий микроэлектроники, например микросхем за счет повышения точности позиционирования до 0,02 мкм.Предлагаемый импульсный регулятор перемещения пьезодвигателя по сравнению с известным имеет в 5 раз более высокую точность позиционирования, в 1,6 раз более широкую полосу пропускания и более чем в 1,5 раза более высокое быстродействие.