Устройство управления пьезоэлектрическим двигателем

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советснив Социалистических Республик(22) Заявлено 280778 (21) 2658082/18-25 Н 01 ) 41/08 с присоединеиием заявки МВ -Государственный комитет СССР но делам изобретений и открытий.1(088.8) Опубликовано 230980.Бюллетень М 35 Дата опубликования описания 230980(71) Заявитель Ордена Ленина политехнический институт им. М, И, Калинина(54) УСТРОИСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИМДВИГАТЕЛЕМ 1Изобретение относится к пьезоэлектронике,а точнее к области управ ления пъезодвигателями, и может бйть использовано в установках различного назначения, где перспектив но применение пъезодвигателей, например, в устройствах магнитной записи-воспроизведения звука, изображения, цифровой информации и т.п,Известны различные устройства 10 стабилизации и управления скоростью (мгновенной и средней) электродвигателей постоянного и переменного тока 1.Наиболее совершенные и точные из этих устройств используют фазовый принцип регулирования (по разности фазовых углов сигналов генератора эталонной частоты и датчика скорости). При этом регулятор изменяет величину. питающего напряжения (двигатели постоянного тока) или воздействуют одновременно по каналам регулирования амплитуды и частоты переменного питающего напряжения. (двигатели пере менного тока).Однако эти устройства невозможно непосредственно применятьдля управления и стабилизации скорости пъезоэлектрических двигателей (ПЭД), что обусловлено слабо выраженной связью. между амплитудными и частотными характеристиками электрических двигателей, а также той их особенностью, что характеристики скорость-частота у них монотонны.Известно устройство управления пъезоэлектрическж двигателем,.содер. жащее пьезоэлектрический двигатель, датчик скорости, генератор эталонной частоты, формирователи импульсов, автогенератор, включающий усилитель мощности и пъезорезонатор двигателя, корректирующее устройство (2),Целью изобретения является првышение КПД и увеличение точности стабилизации скорости.Достигается это тем, что в устрой. ство введены блок вычитания частот, фазовый детектор, сумматор, два дополнительные корректирующие устройства, управитель частоты, ключ ана" логовых сигналовпороговое устройство и одновибратор, при этом выход блока вычитания частот соединен с входом фазового детектора, выход которого в свою очередь подключен к входам основного корректирующего устройства, а также порогового и первого дополнительного корректирующего устройства, причем выход последнего через ключ аналоговых сигналов соединен с управляющим входом управителячастоты, а выход порогового устройства через одновибратор - с управляющич входом упомянутого ключа;выход основного корректирующего устройства соединен с усилителем мощности через сумматор, другой вход которого через второе дополнительное корректирующее устройство соединен савтогенератором.На фиг. 1 представлена схема устройства управления (стабилизации) скоростью пъезодвигателя; на фиг. 2 - характеристика пъеэодвигателя, иллюстрирующая работу 15 устройства и представляющие зависимость тока питания и скорости пъезо. двигателя от частоты, снятые для ряда фиксированных значений нагрузочных моментов М и амплитуд питаю О щего напряжения А.Устройство содержит пъезодвигатель 1 пъезорезонатор (ПР) которого питается от усилителя мощности 2. Последовательно с ПР включен упра витель частоты 3 (в простейшем случае последовательный резонансный контур, перестраиваемый напряжением или током) . ПР двигателя 1, управитель частоты 3 и усилитель мощности 2 образуют петлю положительной обратной связи автогенератора синусоидальных колебаний, частотно-задающим элементом которого является система управитель частоты - ПР двигателя. Сигнал, подаваемый на управляющий ( верхн ий, см. фиг. 1) вход управителя частоты, позволяет перестраивать его резонансную частоту на 1-5%. При малых нагрузочных моментах, когда как, видно из фиг. 2, 40 добротность ПР велика, добротность системы управитель частоты - ПР определяется свойствами последнего. При изменениях сигнала на управляющем входе управителя частоты резонансная частота тока этой системы, а значит и частота автогенератора перестраивается в пределах 1-53 относительно резонансной частоты тока ПР. Этого достаточно, чтобы установить рабочую частоту дв игателя вблизи резонансной частоты соответствующей характеристики фскорость-частота в рабочем диапазоне нагрузочных моментов и амплитуд напряжения питания. Если нагруэочные моменты значительные ( М = М, см. фиг. 2)добротность ПР падает, а резонансная частота тока и добротность системы управитель частоты - ПРзадается свойствами управителя 60 частоты. Параметры последнего подобраны таким образом, что нормальная работа автогенератора продолжается и в этих условиях. С валом пъеэодвигателя 1 связан датчик обрат 65 ной связи 4, частота выходного напряжения которого пропорциональнаскорости вращения пъеэодвигателя.Сигнал с выхода датчика обратнойсвязи преобразуется в последовательность прямоугольных импульсовнапряжения с помощью формирователя5. Аналогичную функцию выполняетформирователь 6 для генератораэталонной частоты 7 задания скоро-.сти. Сигналы формирователей 5 и 6поступают на блок 8 вычитания частот,вырабатывающий последовательностьимпульсов, скважность которых пропорциональна разности фазовых угловвходных сигналов блока. Сигналы блока 8 и формирователя б воздействуютна входы фазового детектора 9, выполняемого на базе интегратора сзапоминающей емкостью, Выходное напряжение фазового детектора, пропорциональное интегралу отклоненияскорости двигателя от задания, черездинамический формирователь 10, реализующий пропорционально-дифференцирующее звено, и ключ аналоговыхсигналов 11 воздействует на управитель частоты 3, т.е. на частотувозбуждающего напряжения,а черезкорректирующее устройство 12 и сумматор 13 на усилитель мощности 2,изменяя амплитуду напряжения питания пъезодвигателя. Передаточнаяфункция корректирующего устройства12 выбрана в соответствии с требуемым законом управления (в данномслучае ПИ). На второй вход сумматора13 поступает сигнал с корректирующего устройства 14, выполненногона основе преобразователя частота-напряжениеи вырабатывающегосигнал, пропорциональный абсолютнойвеличине производной частоты автогенератора по времени. Пороговое устройство 15 представляет собой триггер Шмидта, Его вход соединен с выходом фазового детектора, а сигнал на его выходе появляется в момент, когда производная от выходного напряжения фазового детектора 9, т.е. скорость вращения пъезодвигателя, превысит по абсолютной величине заданный уровень. Сигнал порогового устройства 15 запускает одновибратор 16.формируемый на выходе одновибратора 16 импульс напряжения размыкает ключ 11, блокируя тем самым прохождение сигнала на управляющий вход управителя частоты. В результате рабочаячастота сдвигается в направлении частоты начальной настройки управителя частоты (т.е. частоты настройки уйравителя частоты при отсутствии сигнала на его верхнем входе). После окончания импульса на выходе одновибратора 16 ключ 11 снова замыкает контур управ- ления частотой.Рассмотрим как протекает процессотслеживания заданной скорости вращения при изменениях нагрузочногомомента. При малых нагрузочных моментах зависимость скорость-частота имеет резко выраженный резонансный характер. В этих условиях для нормального функционирования системы необходимо производить отслеживание рабочейточки в функции нагрузочного моментавблизи частоты, соответствующей максимальной скорости. При этом, рабочая точка должна находиться на заранее. выбранном склоне резонанснойхарактеристики скорость-частотаи не должна переходить на другойсклон, чтобы не нарушалась динамическая устойчивость системы в результате изменения знака обратной связи. в контуре регулирования по частоте.Пусть в исходном состоянии нагрузочный момент равен М, а рабочая точканаходится в положейии 11 (см.фиг, 2),Так как скорость вращенияблизка к заданной (Н а ), сигналына выходах порогового устройства 15и одновибратора 16 отсутствуют,(верхний) вход управителя частоты 3проходит сигнал с динамического формирователя 10, поддерживая соответствующую рабочей точке частотувозбуждающего напряжения. Одновременно сигнал с выхода корректирующегоустройства 12 задает требуемую амплитуду А возбуждающего напряжения.Ввиду того, что рабочая частота неменяется, сигнал на выходе дифференцирующего звена 14 отсутствует.При скачкообразном изменении нагру.зочного момента до значения М) Мсигнал рассогласования с выхода фазового детектора,формируеяяй корректирующими устройствами 10 и 12,стремитсяуменьшить частоту и увеличить амплитуду возбуждающего напряжения. При изменениях частоты на выходе корректирующего устройства 14 возникает сигнал,сдерживающий рост амплитуды воздуждающего напряжения.Так как корректирующее устройство 10 представляет собой пропорционально-дифференцирующее узвено, и частично под влияниемсигнала устройства 14 воздействиепо частоте опережает воздействиепо амплитуде. Таким образом наличие дополнительного корректирующегоустройства 10, является принципиально необходимым. В противном случаемогут возникнуть большие колебаниямгновенной скорости, так как из-засмещения резонансных частот при вариациях момента рабочая точка окажется глубоко внизу на склоне характеристики скорость-частота(например, в положении 11 нафиг. 2) . По окончании переходногойроцесса установятся новые значения, 5 амплитуды и частоты возбуждающего напряжения (Аи й соответственно, фиг. 2), а рабочая точка оажется в положении, близком к точке 2 вблизи резонанса соответствующей характеристики скорость-частота, аф не в положении, например,2 по той причине, что воздействие на амплитуду, вызванное изменением частоты и вырабатываемое дифференцирующим звеном 10 опережает воздействие на амплитуду, вызванное отклонением скорости и вырабатываемое корректирующим устройством 12. Таким образом введение дополнительного корректирующего устройства 14 обеспечивает положение рабочей точки вблизи резонансной частоты характеристики фскорость-частота, что является принципиально необходимым для увеличения КПД, а также по той причине, что некоторые типы пъезодвигателей начинают работать неустойчиво в результате параметрического возбуждения паразитных механических колебаний ПР, если рабочая частота далека от резонанса. Корректирующие устройства 1 0,12 и 14 рассчитаны так, чтобы во время переходного процесса сигналы на выходе фазового детектора 9 не превышали порог срабатывания устройства 15. Аналогичным образом работает система и в том случае, если новое значение нагрузочного момента столь велико, что резонансные свойства характеристики скорость- частота становятся слабо выраженными, Например при изменении нагрузочного момента до значения М (см. фиг. 2) рабочая точка из положения 1 перейдет в положение 3Предположим, что в исходном состоянии рабочая точка находится в положении2и происходит скачкообразный сброс нагрузки до значения М = М(. Непосредственно послесброса нагрузки скорость будет падать, а в ответ на этосигнал на выходе корректирующего устройства 10 стремится уменьшить рабочую частоту, что в свою, очередь будет способствовать уменьшению скорости. В результате сигнал рассогласования на выходе фазового детектора 9 превысит порог срабатывания устройства 15, сработает одновибратор 16 и ключ 11 блокирует прохождение сигнала корректирующего устройства 10 на управляющий вход управителя частоты 3, Настройка управителя частоты при отсутствии сигнала на управляющем входе выбрана таким образом, что рабочая частота автогенератора в этом случае оказывается больше й (см. фиг. 2) . Длитель 1 ность выходного импульса одновибратора пренебрежимо мала по сравнеНию с переходным процессом изменения скорости. Поэтому размыканиеключа 11 достаточно кратковременночтобы не приводить к заметным колебаниям скорости. После окончанияимпульса одновибратора 16 ключ 11замыкается, а процесс регулированибудет происходить также, как и врассмотренном ранее случае скачкообразного увеличения нагрузки. Приэтом сигнал на выходе устройства 14,появляющийся во время изменения рабочей частоты, будет способствоватьуменьшению амплитуды возбуждакаего напряжения, так что по окончании пе реходного процесса рабочая точка окажется в положении ф 1 ф.Порог срабатывания устройства 15 выбран несколько меньше уровня, соответствую щего допустимому отклонению скорости от задания. Описанное устройство без существенных изменений можно использовать в случае выбора в качестве рабочего левого склона хар-ктеристики скорость-частота, а также для управления скорости пъезодвигателей с любым другим взимным распо- ложением резонансных характеристикскорость-частота и ток пъезорезонатора-частота, Для этого необходимо лишь соответствующим образом задать частоту настройки управителя частоты при отсутствии сигнала на его управляющем входе, По. сравнению с известными устройствами предлагаемое устройство имеет следующие,технико-экономические преимущества(по результатам испытаний):повышение стабильности скорости вращения пъезодвигателя (с погрешностью на уровне 0,1% для средней скорости и 0,01 для мгновенной);расширение диапазона нагрузочных моментов, внутри которого сохраняется заданная стабильность скорости вращения (от Мхх до примерно Мкз);сохранение работоспособности в широком диапазоне изменения внешних условий (температура, влажность), а также в условиях изменения (на пример, в результате износа) таких внутренних параметров двигателя, .как усилие прижима, свойства пъезорезонатора 1увеличение КПД при работе двигателя в системе электропривода примерно на 15. Использование устройства позволит применить пъезодвигатель в качестве быстродействующего привода в установках разнообразного назначения, например в установках магнитной записи-воспроизведения, что позволит снизить их стоимость, уменьшить габариты, увеличить качество записи-воспроизведения, увеличить надежность.Формула изобретенияУстройство управления пъезоэлект.рическим двигателем, содержащеепъезоэлектрический двигатель, датчик скорости, генератор эталонной15 частоты, формирователи импульсов,автогенератор, включающий усилительмощности и пъезорезонатор двигателя, корректирующее устройство,о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, сЯо целью повышения КПД и- увеличения точности управления скоростью, в него введены блок вычитания частот, фазовый детектор, сумматор, два дополнительных корректирующих устройства, управитель частоты, ключ аналоговых сигналов,пороговое устройство и одновибратор,при этом выход блока вычитаниячастот соединен с входом фазовогодетектора, выход к орого в своюочередь подключ входам основногокорректирующего устройства, а также порогового и первого дополнительного корректирующего устройства,причем выход последнего через ключаналоговых сигналов соединен с управляющим входом управителя частоты,а выход порогового устройства черезодновибратор - с управляющим входомупомянутого ключа, выход основного40 корректирующего устройства соединенс усилителем мощности через сумматор, другой вход которого черезвторое дополнительное корректирующееустройство соединен с автогенератором.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Сандлер А.С., Сарбатов Р.С.Автоматическое частотное управлениео асинхронными двигателями. М.,"Энер-.гия" ,1974:, с. 34-158.2. Сб. фВибротехника. Научныетруды ВУЗов Литовской ССР, 1972,3/16/, с. 296-307 (прототип).765911 Фиг.Составитель В. Вавередактор Е. Гончар Техред М. Левицкая Корректор М.Де одписноР а 4/ оектная, 4 лиал ППП Патент жгород 6521/49 тираж 844ВНИИПИ Государственногпо делам изобретений113035, Москва, Ж, Ра комитет открыт и ская на