Пьезоэлектрический манипулятор с импульсным управлением

СОК)З СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 1)5 ЕНИЯ ИЕ ИЗО ОПИСА К АВТОРСКО ВИДЕТЕЛ ЬСТВУ 2 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Одесский политехнический институт(56) Воронцов М,А, и др. Экспериментальное исследование влияния гйстерезйсапьезоприводов на работу адаптивнойоптической системы апертурного зондирования. - Известия ВУЗов. Приборостроение, 1987, М 11, с,74-77.(57) Применение; для прецизионного позиционирования оптических волокон и технологических процессов производства микросхем, а также для адаптивной оптики, Сущность изобретения: пьезоэлектрический манипулятор содержит микроЭВМ 1, устройство 2 преобразования цифрового кода вовремейной ийтервал, состоящее из тактового генератора 3, двоичного счетчика 4, сумматоров 5, 6, а также буферные ключи 8, 9, 16, 17, резисторы 13, 14, 21, 22, инвертор 7, токовые ключи 10, 18, состоящие из высоковольтных транзисторов 12 и 20 соответственно, а также резисторов 11 и 19 соответственно, пьезоэлектрический элемент 15. 3 ил.Изобретение относится к станкостро. ению и робототехнике и может быть использовано в технологических процессах производства микросхем, в адаптивной оптике, для прецизионного позиционирования оптических волокон.Цель изобретения - упрощение пьезоэ-лектрического манипулятора,На фиг,1 изображена функциональная импульсным управлением; на фиг.2 - импульсный метод формирования напряжения на пьезоэлементе; на фиг.З - алгоритм управления позиционированием пьезоприводов, .Выход микроЭВМ 1 (фиг,1) подключен к входу устройства 2 преобразования цифрового кода во временной интервал, которое состоит из тактового генератора 3, двоично 20 го счетчика 4 и двух сумматоров 5 и 6. Тактовый генератор 3 подключен к счетному входу двоичного счетчика 4, выходы которого соединены с входами А сумматоров 5 и б,входы В которых подключены к порту ввода-вывода микроЭВМ 1, Выходом устройства 2 преобразования цифрового кода во временной интервал являются выходы переноса сумматоров 5 и.б, Выход переноса сумматора 5 соединен с вторым входом буферных ключей 8, 16, а выход переноса сум 30 матора б - с вторым входом буферных ключей 9, 17. Буферные ключи 8, 9, 16, 17 представляют собой логические элементы И-НЕ с открытым коллектором, Выходы буферных ключей 8 и 9 через резисторы 13 и . 14 подключены к эмиттеру высоковольтного транзистора 12 управляемого токового ключа 10, а выходы буферных ключей 16 и 17 через резисторы 21 и 22 подключены к эмиттеру высоковольтного транзистора 20 уп 40 равляемого токового ключа 18, Коллекторь транзисторов 12, 20 через резисторы 11, 19 соединены с высоковольтным источником питания. В ысоковольтные токовые ключи 10 и 18 собраны по схеме с общей базой, уп равление ими осуществляется по цепи эмиттера, а на базу подается фиксированный потенциал Ооп, Инвертор 7, представляющий собой логический элемент И-НЕ, яв 50 ляется коммутирующим устройством, его вход подключен к порту ввода-вывода микроЭВМ и первому входу буферных ключей 8и 9, а выход - к первому входу буферныхключей 16 и 17,Пьезоэлектрический элемент 15 представляет собой консольно закрепленныйбиморфный пьезоэлектрический элемент,являющийся приводом линейного переме щения, один его вывод соединен с коллектором транзистора 12 высоковольтного схема пьезоэлектрического манипулятора с 10 токового ключа 10, а другой с коллектором транзистора 20 высоковольтного токового . ключа 18,Устройство работает следующим образом.Биморфный пьезоэлектрический элемент 15 (ПЭ), укрепленный в корпусе манипулятора, является приводом линейного перемещения, С помощью микроЭВМ задается программа его перемещений,Управляющий цифровой код от микро- ЭВМ 1 (фиг.1) поступает на вход устройства преобразования цифрового кода во временной интервал 2, Рассмотрим подробно работу этого блока.На входы А сумматоров 5 и б поступает двоичное число со счетчика 4, а на входы В - двоичное число с выхода микроЭВМ 1, Когда сумма двух чисел, поступающих на информационные входы сумматора будет больше(2"-1), где и - число разрядов, в данном случае п=.4, сумматор будет переполнен и выход переноса сумматора перейдет из состояния "0" в состояние "1", в котором он будет находиться до переполнения счетчика 4. Так как счетчик имеет 4 разряда и с выхода микроЭВМ на каждый из сумматоров поступает 4-разрядный цифровой код, то каждый из этих узлов в отдельности не может переполнить 4-разрядный сумматор, Двоичное число на выходе счетчика 4 изменяется от 0 до (2"-1). При этом в зависимости от величийы двоичного числа на выходе микроЭВМ момент переполнения сумматора наступает раньше или позже, т.е, ширина импульса изменяется при перемещении передного фронта, а момент окончания импульса фиксирован и определяется моментом переполнения двоичного счетчика 4,Таким образом, на выходе переноса сумматоров формируется последовательность импульсов постоянного периода Т,=2" Т, где и - число двоичных разрядов счетчика 4, а Т - период следования импульсов тактового генератора 3, при этом длительность импульсов Ь определяется цифровым кодом микроЭВМ.Управляющий цифровой код от микро- ЭВМ поступает на входы В сумматоров 5 и б, причем четыре старших разряда поступают на сумматор 6, а четыре младших - на сумматор 5. При этом на выходе переноса сумматора б формируется последовательность импульсов, длительность которых при заданном периоде следования импульсов пропорциональна цифровому коду четырех старших разрядов микроЭВМ, а на выходе сумматора 5 - последовательность импульсов с длительностью, пропорциональной1749018 цифровому коду четы рех младших разрядовмикроЭВМ,Эти импульсы через соответствующиеэлементы И - НЕ с открытым коллектором 8,9., 16, 17 и токозадающие резисторы 13, 14, 521, 22 поступают на эмиттеры высоковольтных транзисторов 12, 20 токовых ключей 10,18 и управляют их работой,Из двух высоковольтных токовых ключей 10 и 18 всегда один находится в рабочем 10состоянии, другой заперт, Это определяется знаковым разрядом микроЭВМ. Если навыходе знакового разряда микроЭВМ "1",то на выходе инвертора 7 "0", тогда импульсы через буферные ключи 8 и 9 поступают 15на вход токового ключа 10 и управляют егоработой. При этом выходные транзисторыбуферных ключей 16, 17 заперты, ток эмиттера транзистора 20 отсутствует. следовательно, транзистор 20 заперт. Если на 20выходе микроЭВМ "0", тогда на выходе инвертора 7 "1", токовый ключ 18 являетсярабочим, а токовый ключ 10 заперт.Пьезоэлектрический элемент 15, подключенный к коллекторам транзисторов 25токовых ключей 10 и 18, обладает электри ческой емкостью Спэ, его заряд осуществляется, через открытый токовый ключпостоянным током при отрицательном управляющем импульсе на эмиттере транзистора рабочего токового ключа, разрядемкости осуществляется постоянно черезсопротивления 11 и 19.Импульсный метод формирования напряжения на пьезоэлементе представлен 35на фиг,2, Пусть на первом входе логическогоэлемента И - НЕ 1 (фиг,2 а) уровень единицы,а на первом входе логического элементаИ - НЕ 2 - уровень нуля, при этом токовыйключ на транзисторе ЧТ 1 является рабочим, а токовый ключ на транзисторе ЧТ 2заперт, На вторые входы элементов 1 и 2поступает последовательность импульсовзаданного периода То и длительностью ти,определенной микроЭВМ 45Ток открытого транзистора 1 о постоя- нен оэ ОоэОВМ 1+ 81(2 2 ЙМ о и 1 т Оэ = -2 Соэ(2) 50 Используем формулы для цз, цр и формулу для 1 р (1), тогда 1 о, Опэ .,-1 и --То55отсюда определяем величину постоянногонапряжения на пьезоэлементетиО., = 1 оя - ", (3)То 4 = 1 э =(Оэп - О Бэ)/Вэ = сопя,где 1 э- ток эмиттера транзистора ЧТ 1;06. - напряжение на эмиттерном переходе ЧТ 1.Когда транзистор ЧТ 1 открыт, ток 1 о распределяется между цепью резистора.й 1 и цепью 82, пьезоэлемент ВО, При этом токи в этих цепях равны, Таким образом, заряд емкости пьезоэлемента ВО Соэ осуществляется постоянным током 1 о/2 через открытый токовый ключ в течение времени Ь.Разряд емкости пьезоэлемента осуществляется постоянно в течение всего периода То ЧЕрЕЭ СОПрОтИВЛЕНИя В 1, й 2.При выборе достаточно высоой частоты управляющих импульсов Тог Т, т, где хэ - постоянная времени цепи заряда, тр - постоянная времени цепи разряда, напряжение на емкости Спэ возрастает постепенно (фиг.2 б), с приходом очередного импульса пьезоэлемент получает новую порцию заряда,Причем ток заряда 1 з постоянен и равен 1 о/2, а ток разряда 1 р определяется напряжением на пьезоэлементе ВО-Ооэ и сопротивлениями йь, В 2, через которые осуществляется разряд В начале процесса заряда емкость пьезоэлемента 1 р 1 э, так как определяется малым уровнем напряжения на пьезоэлементе Ооэ.Напряжение на пьезоэлементе за время действия одного импульса равно С приходом очередного ймпульса напряжение на пьезоэлемейте увеличивается и с ростом Опэ возрастает 1 р, определяемый по формуле (1), Ток разряда возрастает до тех пор, пока на пьезоэлементе не установится режим, при котором напряжение заряда Оз за период и напряжение разряда Ор за период не равны (фиг.2 б).В установившемся режимеЦэ = Рр1 о,где цз =1 з1 и = -Ь - заряд емкости пьезоэлемента при действии импульса 1 и;. с 1 р = 1 рТо - заРЯД, стекаюЩий с емкости пьезоэлемента во время его разряда Т,.Ок 1 = Еп 1 оср,Вк 1При импульсном характере тока ти 1 оср. - 1 о -Тогде 1 оср - среднее значение тока,ти-- коэффициент заполнения импульТо"0 сов;1, - токоткрытого транзистора ЧТ 1,Тогда постоянное напряжение на пье.зоэлементе равно 15 Опэ = Ок 2 Ок 1 = Еп тити- Еп 1 оВк 1 - ) =1 оВк 1Т.1 т. 20 Еи Опэ = 1 оВк -(4) Формула (4) соответствует формуле (3),Изменять величину напряжения на пьезоэлементе можно, изменяя длительность управляющего импульса Ь при заданном периоде следования уп равляющих им пульсов Т,.Для устройства (фиг.1) формула (4)имеет вид Вк 35 . Опэ =(1 оти + 1 о 1 и ) - к,То(5) где 1 о - определяется токозадающим резистором 14 или 22;1 о" - определяется токозадающим резистором 13 или 21,т и - длительность импульсов, формиру. емых на выходе сумматора 6, которая пропорциональна цифровому коду четырех старших разрядов микроЭВМ;т и - длительность импульсов, формируемых на выходе сумматора 5, которая пропорциональна цифровому коду четырех младших разрядов микроЭВМ;То - период следования импульсов; Вк - коллекторное сопротивление транзисторов. Резисторы 13, 21 в шестнадцать раз больше резисторов 14, 22, тогда ток 1 о в шестнадцать раз больше тока 1 о",Четыре старших разряда микроЭВМ поступают на входы В сумматора 6 и определяют 2"(где и - число разрядов сумматора, равное 4), т,е. 16 градаций длительности тигде -- коэффициент заполнения управляТоющих импульсов.Ток открытого транзистора 1 о для данной схемы - величина постоянная, тогда,как следует из (3) величиной напряжения напьезоэлементе можно управлять, изменяякоэффициент заполнения управляющих имтипульсов - , т,е, управлять чисто цифровыТоми методами за счет изменения среднеговремени открытого состояния токовогоключа.Влияние пульсаций напряжения(фиг,2 б) на точность перемещения пьезоэлемента мало, это обусловлено тем, что привыборе достаточно высокой частоты упРдВЛЯ 1 ОЩИХ ИМПуЛЬСОВТо Спэ(Вк 1 + Вк 2)То 1 Лр, где Спэ(Вк 1+Вк 2) - постоЯннаЯ вРемени разряда пьеэОэлемента, 1 р - частотаосновного резонанса ПЭ, амплитуда пульсаций на пьезоэлектрическом элементестановится пренебрежимо малой (десятыедоли процента), а частота пульсаций лежитмного выше частоты основного резонанса.Время установления напряжения напьезоэлементе тес, (фиг,2 б) мало и не оказывает существенного влияния на работу устройства,Анализ данной схемы можно провести. также на постоянном токе в установившемся режиме.Схему (фиг.2 а) представим в виде четырехплечего моста, двумя плечами которогоявляются внутренние сопротивления транзисторов /Т 1, чТ 2, а двумя другими - резисторы Вк 1, Вк 2. К одной диагонали мостаподключено напряжение источника питания Еп, а к другой - пьезоэлектрическийэлемент ВО, В исходном состоянии ключизаперты, плечи схемы симметричны (транЗИСтОрЫ ИдЕНтИЧНЫ, а Вк 1=Вк 2), тО НаЧаЛЬные токи покоя транзисторов одинаковы,При этом напряжения на коллекторах тран зисторов ЧТ 1, /Т 2 равны, поэтому разностьпотенциалов между коллекторами, т.е. напряжение на емкости пьезоэлектрическогоэлемента равно нулю, Пусть токовый ключна транзисторе ЧТ 1 является рабочим, а токовый ключ на транзисторе ЧТ 2 заперт, вустановившемся режиме емкость пьезоэле- .мента Спэ зарядилась до некоторого значения, тогда 1 э =О. При этом на коллекторезапертого транзистора /Т 2 без учета влияния начального тока покоя транзистора напряжение Ок 2 равно напряжению питанияЕп. На коллекторе рабочего транзистора1749018 В порт вывода микроЭВМ в соответствии с программой в определенной последовательности выводятся управляющие коды и осуществляется их временная задержка.5 Управляющий код включает в себя знаковыйразряд микроЭВМ, определяющий рабочий токовый ключ. Каждому управляющему коду- соответствует определенное положениепьезопривода, Таким образом осуществля ется позиционирование пьезопривода позаданной программе.(7) 15Ток 1 С," в 16 раз меньше тока 1 О, таким образом 4 младших разряда микроЭВМ определяют разбиение каждого уровня напряжения на пьезоэлементе на 16 подуровней. В результате получаем общее ко личество уровней выходного напряжения, равное 256. Введение в устройство двух высоковольтных токовых ключей (фиг,1) позволяет 25 увеличить максимальный диапазон перемещений биморфного пьезоэлемента (БПЭ) при заданном напряжении высоковольтного источника питания. Если токовый ключ 10 является рабочим, а токовый ключ 18 - за перт, то заряд емкости пьезоэлемента 15 осуществляется по цепи +Еп, резистор 19, пьезоэлемент 15, транзистор 12, резистор 13, 14, а разряд происходит постоянно через резисторы 11, 19, При этом на пьезоэлементе формируется напряжение указанной на фиг,1 (без скобок) полярности и величины, заданной микроЭВМ. При этом БПЭ отклонится на величину, определяемую этим напряжением. Если управление осуществ ляется токовым ключом 18, а токовый ключ 10 заперт, то сформированное на пьезоэлементе напряжение имеет противоположную полярность, и БПЭ отклонится от начального положения в противоположную сторону; Таким образом обеспечивается удвоенйе максимального диапазона перемещений при заданном напрякении источника питания,Приводится алгоритм управления позиционированием пьезопривода (фиг,З),импульса ти на выходе переноса сумматора 6, что определяет 16 градаций уровня напряжения на пьезоэлементе ВО Четыре младших разряда поступают на сумматор 5 и определяют 2", т,е. 16 градаций длительности импульса 1 И" на выходе переноса сумматора 5 Формула изобретения Пьезоэлектрический манипулятор с импульсным управленйем, содержащий пьезоэлектрический элемент, установленный в корпусе манипулятора, высоковольтный источник питания,микроЭВМ, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью упрощения устройства, в него введены тактовый генератор, двоичный счетчик, причем счетный вход двоичного счетчика подключен к выходу тактового генератора, два сумматора, входы А которых соединены с выходом двоичного счетчика, а входы В соединены с выходом микроЭВМ, инвертор, два высоковольтных токовыхключа, четыре буферных ключа, четыре резистора, причем вход инвертора подключен к выходу микроЭВМ и первому входу первого и второго буферных ключей, выход инвертора подключен к первому входу третьего и четвертого буферных ключей, выход переноса первого Сумматора соединен с вторым входом первого и третьего буферных ключей, а выход переноса второго сумматора соединен с вторым входом второго и четвертого буферных ключей, выходы первого и второго буферных ключей через резисторы подключены к эмиттеру транзистора первого высоковольтното токового ключа, коллектор которого соединен содним выводом пьезоэлектрического элемента и через коллекторное сопротивлениес высоковольтным источником питания, выходы третьего и четвертого буферных ключей через резисторы подключены к эмиттеру транзистора-второго высоковольтного токового ключа, коллектор которого соединен с другим выводом пьезоэлемента и через коллекторное сопротивление с высоковольтным источником питания,.Тираж Подписноетвенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 омбинат "Патент". г. Ужгород, ул.Гагарина, 101