Пьезоэлектрический привод

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Соез Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 21.02. 79 (21) 2727058/18-25с присоединением заявки йо(5)м, к,зН 0141/10 С 11 В 15/40 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытийДата опубликования описания 23 . 12. 80 С. И. Гасс, В. В. Лавриненко и А. П. Ш ляренко(72) Авторы изобретения Киевский ордена Ленина политехнический-зщститутим. 50-летия Великой Октябрьской социалистической,революции(54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД Изобретение относится к приборостроению и предназначено для использования в аппаратуре магнитнойзаписи, в частности в качестве привода ведущего узла магнитофона.Известен привод лентопротяжныхмеханизмов, в котором используетсяпреобразование электрической энергии в механическое вращательное движение ротора с помощью пьезоэлектрического элемента и содержатся блокиуправления и стабилизации частотывращения поивода, Привод имеет термочувствительный элемент, с помощьюкоторого компенсируется неравномерность вращения ротора, связанная сизменениями температурных условий 11 .Недостатком данного привода является нестабильность вращения ро-,тора, вызванная, например изменением механической нагрузки на валу,Известен пъезоэлектрический привод, содержащий пъезоэлектрическийдвигатель, источник переменногоэлектрического напряжения. С цельюповышения стабильности работы вустройство введены преобразователь.Изменения тока в управляющий сигнал.,умножитель глубины модуляции и сумматор, Преобразователь изменения тока в управляющий сигнал подключенк пьезоэлектрическому двигателю и 5 к умножителю Глубины модуляции,выход которого соединен с одним извходов сумматора, подключенного вы- -ходом к пьезоэлектрическому двигателю, а другим входом - к источнику переменного электрического напряжения, управляющий вход которогосвязан с умножителем глубины модуляции и с преобразователем изменениятока в управляющий сигнал 2), 15 Однако, при длительной работепривода происходит значительноеизмен 1 зние средней частоты вращениядвигателя. Кроме того,при изменениитемпературы меняется ток через пье зоэлемент двигателя и частота вращения, Также нестабильна мгновеннаячастота вращения двигателя, связанная с эксцентриситетом ротора.Известно устройство, содержащее 25 пьезоэлектрический двигатель и преобразователь частоты вращения валадвигателя в частоту электрическогосигнала. Поичем, сигнал с -.реобразователя частоты вращения (датчика 30 скорости)поступает на частотный дискриминатор и через блок управления управляет напряжением питания пъезопреобразователя 33 .Однако это устройство не обеспечивает стабильности вращения, необходимой для использования этого устройства в качестве привода ведущего узла магнитофона высшего класса.Цель изобретения - уменьшение нестабильности мгновенной и средней частоты вращения пьезоэлектрического двигателя и упрощение устройства,Поставленная цель достигается тем, что пьезоэлектрический привод, содержащий пьезоэлектрический двигатель и преобразователь частоты вращения вала двигателя в частоту электрического сигнала, пропорциональную частоте вращения вала, снабжен усилителем мощности, вход которого соединен с выходом преобразователя частоты вращения вала, а выход подключен к пьезоэлектрическому двигателю.Кроме того, с целью обеспечения самозапуска, усилитель мощности охвачен положительной обратной связью, в цепь которой включено реле времени, подключенное к выходу преобразователя частоты вращения вала двигателя в частоту электрического сигнала.На фиг.1 представлена блок-схема устройства; на Фиг.2 - принципиальнаясхема.Пьезоэлектрический привод содержит усилитель 1 мощности, пьезоэлектрический двигатель 2, преобразователь 3 частоты вращения вала двигателя в частоту электрического сигнала. Для самоэапуска пьезоэлектрический привод снабжен реле 4 времени.Усилитель 1 мощности выполнен иа транзисторах 5 и 6 с сопрртивлением 7 смещения. К выходу усилителя мощности через электрический трансформатор 8 подключен пьезоэлектрический двигатель 2. Для обеспечения самоэапуска усилитель мощности снабжают элементами положительной обратной связи: емкостью 9, индуктивностью 10, сопротивлением 11, емкостью 12 и индуктивностью 13.Преобразователь 3 частоты вращения вала двигателя в частоту электрического сигнала содержит растровый диск, установленный на валу двигателя (не показан), оптронную пару 14 и 15 с токоограничивающими элементами 16 и 17 и усилитель 18 напряжения с элементами 19 и 20 смещения. Выход преобразователя 3 частоты вращения вала двигателя подключен ко входу усилителя 1 мощности.оДля самозапуска пьезоэлектрический привод снабжен реле 4 времени, которое включает сопротивление 21,емкость 22, реле 23фиг.2) и обеспечивает на время запуска пьезоэлектрического привода замыкание цепи положительной обратной связи усилителя1 мощности и отключение выхода преобразователя 3 частоты вращения вала двигателя. в частоту электрического сигнала от входа усилителя 1мощностиУстройство допускает применениетакже других преобразователей скоР рости вращения в частоту импульсов,например магнитных, с применениемдополнительно умножителя частоты.Кроме того, в качестве реле времени допускается применение бесконтакт 15 ных реле с транзисторными или другими полупроводниковыми ключами.Пьезоэлектрический привод работает следующим образом,При отсутствии в приводе реле 42 О времени и элементов 9-13 положительной обратной связи усилителя 1 мощности, после подключения к схеме напряжения питания от источника, валпьезоэлектрического двигателя 2 не25 вращается из-за ощ:утствия переменного напряжения на входе усилителя1 мощности, а следовательно и навходе пьезоэлектрического двигателя 2. Если принудительно, напримерс помощью бокового узла магнитофона, раскрутить вал пьезоэлектрического двигателя 2 со скоростьювыше номинальной, то растровый диск,установленный на валу пьезоэлектрического двигателя, начнет модулироЗ 5 вать световой поток в оптронной паре 14 и 15, В результате ток фотодиода 15 модулируется с частотой,равной произведению частоты вращениявала пьезоэлектрического двигателяЩо на количество растровых линий. Переменное напряжение снимается с резистора 17 и подается на вход усилителя 18 напряжения. Усиленноенапряжение подается на вход усилителя 1 мощности, которое усиливается по мощности и подается на пьезоэлектрический двигатель.Если прекратить принудительноевращение вала пьезоэлектрическогодвигателя 2, он начнет тормозитьсяиз-за трения в подшипниках и внешней нагрузки, а частота электрического сигнала на выходе усилителя18 начнет понижаться и приближатьсяк резонансной частоте пъезоэлемента55 пьезоэлектрического двигателя 2,Снижение частоты электрическогосигнала с выхода усилителя 18, аследовательно и торможение вала пьезоэлектрического двигателя 2 происхо 60 дит до некоторого значения частотыэлектрического сигнала на выходеусилителя 18 напряжения и на входепьезоэлектрического двигателя 2. Этозначение частоты электрического65 сигнала (рабочая точка) лежит в пре 790044делах правого склона резонанснойхара 1 теристики пьезоэлемента двига-,теля. Если под воздействием возмущающих факторов нал двигателя 2вращается с меньшей частотой, тоуменьшается частота электрическогосигнала на входе пьезоэлектрического днигателя, что приводит к увеличению амплитуды колебаний пьезоэлемента и увеличению частоты вращения вала до номинального значения,Аналогично,что при увеличениичастоты вращения вала, реакция привода направляется на уменьшение частоты до номинального уровня,Таким образом, устройство охначено отрицательной обратной связью, 35и частота вращения вала остаетсяпостоянной.При самозапуске пьезоэлектрического принода, после включенияисточника питания, через обмотку ре Оле 23 (фиг,2) протекает большойзарядный ток емкости 22, достаточный для срабатынания реле 23. Приэтом переключающий контакт 24 замыкает цепь положительной обратнойсвязи усилителя 1 мощности. Усилитель 1 мощности, охваченный положительной обратной связью, представляет собой автогенератор, гдечастотозадакщим элементом являетсяпьезоэлектрический двигатель 2.Переменное напряжение на электро"дах эммитер-коллектор транзисторов5 и б усилителя 1 мощности, сдвинутое на 180 О относительно напряженияна электродах эмиттер-база, подается на последовательный контур 9 и 10,настроенный на резонансную частотупьезоэлектрического двигателя 2.Напряжение с емкости 9 через резистор11, отстающее но Фазе на 90 оотноси". 4 Отельно напряяения на электродах эмиттер-коллектор транзисторов 5 и бподается на параллельный резонансныйконтур, настроенный иа резонанснуючастоту пьезоэлектрического двигателя 2. Параллельный резонансныйконтур состоит из емкости 12 и индуктивности 13,причем последовательнос индуктивностью включен вход усилителя 1 мощности. Такое включение 50входа усилителя 1 мощности в параллельном контуре позволяет получитьна входе усилителя 1 мощности напряжение, отстающее по Фазе на 90 О от"носительно напряжения на емкости 9и на 180 О относительно напряженияна электродах эмиттер-коллектортранзисторов, Такой сдвиг фаз определяет цепь обратной связи как положительную и баланс фаз у описывае.мого антогенератора выполняется,так. 60как сдвиг Фаз между напряжением навходе усилителя при разомкнутой цепи,обратной связи и напряжением на вы- .ходе цепи обратной связи равен нулю.Условие баланса амплитуд выполняет" 45 ся засчет выбора коэффициента уси"лия по току применяемых транзисторов,а также путем выбора элементов 11-13.При замыкании цепи положительнойобратной связи переключающим контактом 24, реле 23 производит самовозбуждение описанного автогенератора,частота генерации которого близкак резонансной частоте пьезоэлектрического двигателя 2, В результатевозбуждения двигателя, частота вращения его ротора повышается и установившееся значение ее, определяемоенапряжением питания привода, должнопревышать номинальную частоту вращения так, чтобы частота электрического сигнала на выходе преобразователя 3 частоты вращенич валадвигателя н,частоту электрическогосигнала превышала резонансную час"тоту пьезоэлектрического двигателя. При этом выход преобразователя 3 частоты вращения вала в частоту электрического сигнала отключен с помощью переключающего контакта 24 реле 23 от входа усилителямощности.По мере заряда емкости 22 реле4 времени, ток заряда уменьшаетсяи при некотором его значении срабатывает реле 23 и переключающийконтакт 24 занимает исходное полояение (фиг.2), подключая выход преобразователя 3 частоты вращения валадвигателя в частоту электрическогосигнала ко входу усилителя 1 мощности. Далее режим работы пьезоэлектрического привода соответствует устано"вившемуся, описанному виае. Времясрабатывания реле 4 времени определяется паспортными данными, применяемыми реле 23 и величиной элементов 21 и 22 и выбирается достаточчым для того, чтобы вал пьезоэлектрического двигателя 2 успевалразгоняться до максимальной частотывращения, превышающей номинальную.Испытания предлагаемого пьезоэлектрического привода показали,что при изменении напряжения питания пьезоэлектрического привода впределах 15-45 В, средняя частотавращения его изменяется не болеечем на + 0,5% относительно номинального значения, соответствующе"го напряжению питания 30 В, чтопри изменении температуры окружающей среды 20 оС - б 0 С, частота вращения пьезоэлектрического приводаизменяется не более, чем на + 0,3от номинального значения, что в указанных диапазонах изменения питающего напряжения и изменения температур, максимальный козэфициентнестабильности частоты вращения пьезоэлектрического привода не превышает значений + 0,01,Использование предлагаемого пьезоэлектрического привода обеспечи790044 ВНИИПИ Заказ 9046/52 Тираж 8 писное Филиал ППП "Патент", г. Ужгор 1. Проектная, 4 вает уменьшение нестабильности мгновенной и средней частоты вращенияпьезоэлектрического двигателя, ввиду глубокой отрицательной обратнойсвязи, в цепи которой отсутствуютинерционные элементы (интеграторы, дискриминаторы, умножители идр.), что повышает надежность пьезоэлектрических приводов и значительно снижает нестабильность параметроввращения пьезоэлектрических двигателей и устраняет необходимость разработки сложных систем автоматического регулирования частоты вращенияпьезоэлектрических двигателей длядостижения поставленных целей. Кроме того, устройство обладает максимальной функциональной и конструктивной простотой ввиду минимального количества функциональных блоков,Формула изобретения 1. Пьезоэлектрический привод, содержащий пьезоэлектрический двигатель и преобразователь частоты вращения вала двигателя в частоту электрического сигнала, пропорциональную частоте вращения вала, о т,л и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью упрощения устройства и уменьшения нестабильности мгновенной исредней частоты вращения, он снабженусилителем мощности, вход которогосоединен с выходом преобразователячастоты вращения вала, а выход подключен к пьезоэлектрическому двигателю,2.Пьезоэлектрический привод поп.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью обеспечения самозапуска, усилитель мощности охвачен положительной обратной связью, в цепькоторой включено реле времени, под 15 ключенное к выходу преобразователячастоты вращения вала двигателя вчастоту электрического сигнала. Источники информации, щ принятые во внимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССР Р 595785, кл. 0 11 В 15/40, 1976.2, Авторское свидетельство СССР 9 580580, кл. С 11 В 15/40, 1976.3, Авторское свидетельство СССРР 576599, кл. В 11 В 15/40, 1976