Устройство управления пъезодвигателем

(71) Московский институт электроннойтехники(56) Авторское свидетельство СССРВ 1023278, кл. 0 05 В 11/16, 1984.Авторское свидетельство СССРВ 1166057, кл. С 05 В 11/01, 1986.(57) Изобретение тике и может быт разработке и соз ления с пьеэоэле телями. Целью из повышение быстро АВЛЕНИЯ ПЬЕЗОДВИотносится нспольэо анни сист трнческнми бретения ействия.к автомаано при м управ- двнга- вляется тройство ГОСУДАРСТВЕННЫЙ. КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ь 1366989 А управления пьезодвигателем (ПД)может быть использовано в прецизионныхсистемах мнкроперемещений. Данноеустройство позволяет увеличить токзаряда ПД и тем самым повысить быстродействие пьезопривода с одновременным повышением коэфФициента полезного действия. В первую половину такта управления ПД заряжается поцепи: общая шина - ключ 6 - выпря"мительный элемент 9 - вторичная обмотка трансформатора 13 - реактивный элемент 15 - ПД 14 - общая шина.Заряд во второй половине такта управления происходит эа счет"энергии,накопленной дросселем в первой половине такта управления по цепи;элемент 15 - ПД 4 - ключ 6 - выпрямительный элемент 8. По окончаниипроцесса заряда ток отсутствует,напряжение на ПД запоминается. 2 ил,1366989 Изобретение относится к автоматике и может быть использовано при разработке и создании систем управления пьезодвигателями.Цель изобретения - повышение быстродействия устройства управления пьезодвигателем.На Фиг. 1 представлена структурная схема устройства управления пьезодвигателем; на Фиг, 2 - эпюры заряда емкости пьезодвигателя.Устройство управления пьезодвигателем содержит усилитель 1, сумматор 2, делитель 3, компаратор 4, инвертор 5, первый 6 и второй 7 ключи, первый. 8, второй 9, третий 10 и четвертый 11 выпрямительные элементы, например вентили, накопительный элемент 12, например конденсатор, повышающий трансформатор 13, пьезодвигатель 14, реактивный элемент 15, например дроссель и амплитудно-импуль" сный преобразователь 16.Амплитудно-импульсный преобразова тель содержит источник 17 постоянного напряжения, модулятор 18, генератор 19, сумматор 20, делитель 21, первый 22 и второй 23 эмиттерные повторители. 30Устройство работает следующим образом.На первый вход первого сумматора 2 поступает задающий сигнал П на второй вход - подаваемый на пьезодвигатель выходной сигнал Б устройства,5прошедший через делитель 3 с коэффициентом передачи К , Выходной сигналсумматора 2 усиливается усилителем 1, имеющим коэффициент усиления 4 О К, и поступает на входы модулятора 18 и компаратора 4, При положительном выходном сигнале 11 усилителя 1 компаратор 4 формирует управляющий сигнал, вызывающий открывание первого ключа 6. Второй ключ 7 открывает 45 ся в противоположной фазе относительно открывания первого ключа 6, так как управляется сигналом компаратора 4, прошедшим через инвертор 5. Гене" ратор 19 вырабатывает управляющие импульсы постоянной частоты, длительность импульса 1 равна половине пегде Б (и) - напряжение на пьезодвигателе 14 в конце и-го такта; риода следования. Эти импульсы иступают на управляющий вход модулятора18. На выходе модулятора 18 формируется сигнал Б, если на управляющемвходе находится импульс генератора 19и сигнал -П, при отсутствии управляющего импульса. С выхода модулятора18 импульсы + Бпоступают на входсумматора 20, в котором они суммируются с сигналом второго делителя 21,равным половине питающего напряжения,вырабатываемого источником 17 постоянного напряжения. Пройдя через уси"литель тока - эмиттерные повторители22 и 23, сигнал через конденсатор 12поступает на первичную обмотку повышающего трансформатора 13, имеющегокоэффициент передачи К . Считая, чтокоэффициент передачи эмиттерных повторителей 22 и 23 равен единице,амплитуда импульсов на вторичной обмотке повышающего трансформатора 13-К,К у(11 оПри напряжении Б 7 0 пьезодвигатель 14 заряжается только положительными импульсами 11, так как открыт толькопервый ключ 6. В этом случае пьеэодвигатель заряжается по цепи: общая шина - первый ключ 6 - второй вентиль 9 - вторичная обмотка трансформатора 13 - дроссель 15 - пьезодвигатель 14 - общая шина. При отрицательном напряжении на выходе усилителя 1 открыт второй ключ 7, пьезодвигатель 14 заряжается отрицательными импульсами по цепи: общая шина - ключ 7 - вертиль 11 - вторичная обмотка трансформатора 13 - дроссель 15 - пьезодвигатель 14 - общая пина. Для определения КПД и анализа быстродействия устройства запишем уравнения для токов заряда и напряжений на пьезодвигателе в процессе работы устройства. Рассмотрим случай положительного сигнала на выходе усилителя 1 (Б 70). При этом напряжение на пьезодвигателе в середине (и+1)-го такта при изменении знака импульса 11, на вторичной обмотке повышающего трансформатора 13)-Аосознай -дф 1(п)и и+ (2) 1 21Р В+г- постоянная времени колебательного контура после1366989 довательно включенныхг, В, Ь;активное сопротивлениецепи заряда пьезодвигателя 14, включающее в5себя сопротивление дросселя 15, первого ключа 6и второго вентиля 9;суммарное сопротивлениевторичной обмотки трансформатора 13 и приведенных к вторичной обмоткесопротивления первичнойобмотки повышающего транс форматора 13 и выходныхсопротивлений эмиттерныхповторителей 22 и 23;индуктивность дросселя 15;- емКость пьеэодвигателя 14; частота свободных 25 1 (и+1)=1 (и+ )е "(сояы, -- япь)С) 1 .Ае 30 (8)(9) КК,(Б, К 1) Во вторую половину (и+1)-го такта импульс -У через второй вентиль 9Тне проходит, заряд пьезодвигателя 45 14 происходит за счет энергии магнит-, ного поля (4), накопленной дросселем 15, по цепи: дроссель 15 - пьеэодвигатель 14 - первый ключ 6 - первый вентиль 8. 50 )-щеЦ (10)1+К,К Кт.е. напряжение Б в установившемся режиме пропорционально задающему напряжению У, а выражение (10) эквивалентно уравнению линейного усилителя с коэффициентом передачи КК охваченного отрицательной обратной связью с коэффициентом К.При отрицательном сигйале И усилителя 1 в управлении пьезодвигателем 14 участвуют третий вентиль 1 О, четвертый вентиль 11, второй ключ 7, дроссель 15. Процесс заряда аналогичен описанному выше, выражения (2)- (10) справедливы н в этом случае. г,уе 55 1, (и+ )ея 1 пыСВ середине (и+1)-го такта в дросселе 15 накапливается энергия магнитного поля Напряжение на пьеэодвигателе вконце (и+1)-го такта У(п+1)=) (и+ .)-У (ц+12 9Ьпы 1,+ысояое "+о 3 Ток в конце (и+1)-го такта определяется в соответствии с выражением: 1(и+ -.)е "(сояыя;,+ ) (6)2 ц При этом параметры 3,ю имеют другое значение, чем в выражениях (3) и (4), так как г=О. Второе слагаемое в выражении (5), соответствующее разряду емкости пьезодвигателя 14 на цепь В и Ь, равно нулю, так как вентили 8 и 9 находятся в закрытом состоянии. По этой же причине первое слагаемое в выражении (6) также равно нулю, разрядный ток отсутствует. Поэтому выражения (5) и (6) можно упростить: 1 .М1 (п+ )е1 (и+1) =У(п+,е)+ ----- " - япыСь (7) Как видно из выражений (7) и (8) заряд емкости пьезодвигателя 14 происходит и во второй половине такта. Эпюры заряда емкости пьезодвигателя в(п+1)-и такте показаны на фиг. 2.При выполнении условия 1) =Б, про т цесс заряда прекращается, напряжение на пьеэодвигателе запоминается:(12) 10 а энергия, рассеянная на активных элементах схемы за это же время: 15 1003 СТ 3 (фУ) 2+ В(1)+г(1) 1 (6) При выполнении условий В- О,. г коэффициент полезного действия устройства 1- 1002.Таким образом, предлагаемое устройство управления, построенное вышеописанным образом, позволяет повысить КПД устройства и увеличить быстродействие пьезопривода,Формула изобретенияУстройство управления пьезодвигателем, содержащее первый ключ и вто- З 5 рой ключ, управляющий вход которого соединен с выходом инвертора, последовательно соединенные сумматор, усилитель, амплитудно-импульсный преобразователь, накопительнйй элемент, 40 выход которого соединен с первым выводом первичной обмотки трансформа" тора, у которого второй вывод первичной обмотки соединен с нулевой шиной и первым входом пьезодвигателя, 45 второй вход которого соединен с входом делителя, выход которого соединен с вторым входом сумматора, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с цепью повышения быстродействия, допол По сравнению с прототипом устройство управления пьезодвигателем имеет больший средний ток заряда за счет использования для заряда во второй половине такта энергии, запасенной дросселем в первой половине такта, что приводит к увеличению быстродействия пьезопривода в целом. Средний ток заряда и превышает ток заряда прототипа вдва раза. КПЛ устройства равен отношению энергии, запасенной пьезодвигателемк сумме У и энергии, рассеяннойна активных элементах устройства,г 1.Энергия, запасенная пьезодвигате-лем в произвольный момент времениТ)0: и=ей )+г( Д 1 а, (13) о откуда выражение для коэффициента полезного действияустройства имеетВид е нительно введены компаратор, первый,второй, третий и четвертый выпрямительные элементы и реактивный элемент, причем вход компаратора соединен с выходом усилителя, а выход -с входом инвертора и управляющим входом первого ключа, информационныйвход которого соединен с общей шинойи информационным входом второго ключа, а выход - с положительными входами первого и второго выпрямительныхэлементов, выход второго ключа соединен с отрицательными входами третьего и четвертего выпрямительных элементов, отрицательный вход первоговыпрямительного элемента соединен сположительным входом третьего выпрямительного элемента, первым выводомвторичной обмотки трмнсформатора ичерез реактивный элемент - с вторымвходом пьезодвигателя, отрицательныйвход второго выпрямительного элемен"та соединен с вторым выводом вторичной обмотки трансформатора и положительным входом четвертого выпрями-.тельного элемента.6838/4 Тираж 866 Подл ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 035, Москва, Ж, Раушская наб., д.