Устройство управления пьезоэлектрическим двигателем

Устройство управления пьезоэлектрическим двигателем

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советснив

Социалистических

Республик (11) 765911

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (51)М. Кл. (22) Заявлено 280778 (21) 2658082/18-25

Н 01 L 41/08

1 с присоединеиием заявки ¹â€”

Государственный комитет

СССР яо делам изобретений и открытий (23) Приоритет (53) УДК 537. 228. .1(088.8) Опубликовано 230980.Бюллетень № 35

Дата опубликования описания 230980 (72) Авторы изобретения,A.A. Ерофеев, А.Н. Кирсяев, В.В. Андрущук, В.В. Андрущук и В.С. Лопатин (71) Заявитель

Ордена Ленина политехнический институт им. N. И. Калинина (54) УСТРОИСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ

ДВИГАТЕЛЕМ

Изобретение относится к пьезоэлектронике,а точнее к области управ. ления пъезодвигателями, и может быть использовано в установках раз— личного назначения, где перспектив- 5 но применение пъезодвигателей, например, в устройствах магнитной записи-воспроизведения звука, изображения, цифровой информации и т.п.

Известны различные устройства 1Р стабилизации и управления скоростью (мгновенной и средней) электродвигателей постоянного и переменного тока (1) .

Наиболее совершенные и точные из этих устройств используют фазовыйпринцип 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- 25 менного тока) .

Однако эти устройства невозможно непосредственно применять для управления и стабилизации скорости пъезоэлектрических дв игателей (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 пъезоэлектрическ ил дв игателем, . содержащее пьезоэлектрический двигатель, датчик скорости, генератор эталонной частоты, формиров атели импульсов, автогенератор, включающий усилитель мощности и пъезорезонатор двигателя, корректирующее устройство f,2) .

Целью изобретения является првышение КПД и увеличение точности стаб илиз ации с корост и.

Достигается это тем, что в устройство введены блок вычитания частот, фазовый детектор, сумматор, дв а дополнительные корректирующие устрой« ства, управитель частоты, ключ ана" логовых сигналов,,пороговое 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 уст765 911 ройства, причем выход последнего через ключ аналоговых сигналов соединен с управляющим входом. Управителя частоты, а выход порогового устройства через одновибратор — c управляющим входом упомянутого ключа; выход основного корректирующего устройства соединен с усилителем мощности через сумматор, другой вход которого через второе дополнительное корректирующее устройство соединен с автогенератором.

На фиг. 1 представлена схема устройства управления (стабилизации) скоростью пъезодвигателяу на фиг. 2 — характеристика пъеэодв игателя, иллюстрирующая работу 15 устройства и представляющие зависимость тока питания и скорости пъезодвигателя оТ частоты, снятые для ряда фиксированных значений нагрузочных моментов М и амплитуд питаю- 2О щего напряжения A.

Устройство содержит пъезодвигатель 1, пъезорезонатор (ПР) которого питается от усилителя мощности 2.

Последовательно с ПР включен упра- 25 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, подав аемый 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 перестраив ается в пределах 1-53 относительно резонансной частоты тока ПР. Этого достаточно, чтобы установить рабочую частоту дв игателя вблизи резонансной частоты соответствующей характеристики скорость-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—

ПР задается свойствами управителя 6{) 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 напряженияия котoporo пропорциональна скорости вращения пъеэодвигателя.

Сигнал с выхода датчика обратной связи преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов напряжения с помощью формирователя

5. Аналогичную функцию выполняет формирователь 6 для генератора эталонной частоты 7 задания скоро-. сти. Сигналы формирователей 5 и 6 поступают на блок 8 вычитания частот, вырабатывающий последовательность импульсов, скважность которых пропорциональна разности фазовых углов входных сигналов блока. Сигналы блока 8 и формирователя 6 воздействуют на входы фазового детектора 9, выполняемого на базе интегратора с запоминающей емкостью. Выходное напряжение фазового детектора, пропорциональное интегралу отклонения скорости двигателя от задания, через динамический формирователь 10, реализующий пропорционально-дифференцирующее звено, и ключ аналоговых сигналов 11 воздействует на управитель частоты 3, т.е. на частоту возбуждающего напряжения, а через корректирующее устройство 12 и сумматор 13 на усилитель мощности 2, изменяя амплитуду напряжения питания пъезодвигателя. Передаточная функция корректирующего устройства

12 выбрана в соответствии с требуемым законом управления (в данном случае ПИ) . На второй вход сумматора

13 поступает сигнал с корректирующего устройства 14, выполненного на основе преобразователя частота-напряжение и вырабатывающего сигнал, пропорциональный абсолютной величине 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 рабочая частота 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.

765911

Рассмотрим к ак протек ает процесс отслеживания заданной скорости вращения при изменениях нагрузочного момента. При малых нагрузочных моментах зависимость скорость-частота имеет резко выраженный резонансный характер. В этих условиях для нормального функционирования системы необходимо производить отслеживание рабочей точки в функции нагрузочного момента вблизи частоты, соответствующей максимальной-скорости. При этом, рабочая точка должна находиться на заранее. выбранном склоне резонансной характеристики скорость-частота и не должна переходить на другой склон, чтобы не нарушалась динамическая устойчивость системы в результате изменения знака обратной связи . в контуре регулирования по частоте.

Пусть в исходном состоянии нагрузоч- 20 ный момент равен М, а рабочая точка находится в положейии 1 (см. фиг. 2) .Так как скорость вращения близка к заданной (VI ), сигналы на выходах порогового устройства 15 и одновибратора 1á отсутствуют, . ключ 11 замкнут и на управляющий (верхний) вход управителя частоты 3 проходит сигнал с динамического формирователя 10, поддерживая соответствующую рабочей точке частоту возбуждающего напряжения. Одновременно сигнал с выхода корректирующего устройства 12 задает требуемую амплитуду А возбуждающего напряжения.

Ввиду того, что рабочая частота не меняется, сигнал на выходе дифференцирующего звена 14 отсутствует.

При скачкообразном изменении нагрузочного момента до значения М > ) М сигнал рассогласования с выхода фазо- 40 вого детектора,формируемый корректирующими устройствами 10 и 12,стремится уменьшить частоту и увеличить амплитуду возбуждающего напряжения. При изменениях частоты на выходе корректирую- 45 щего устройства 14 возникает сигнал, сдерживающий рост амплитуды воздуждающего напряжения.Так как корректирующее устройство 10 представляет собой пропорционально-дифференцирующее звено, и частично под влиянием сигнала устройства 14 воздействие по частоте опережает воздействие по амплитуде. Таким образом наличие дополнительного корректирующего устройства 10, является принципиально необходимым. В противном случае могут возникнуть большие колебания мгновенной скорости, так как из-за смещения резонансных частот при вариациях момента рабочая точка ока- 60 жется глубоко внизу на склоне характеристики скорость-частота (например, в положении 1 на фиг. 2) .. По окончании переходного йроцесса установятся новые значения, амплитуды и частоты возбуждающего напряжения (A z u f > соответственно, фиг. 2), а рабочая точка о <ажется в положении, близком к точке 2 вблизи резонанса соответс-.вующей харак— теристики скорость-частота, а 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 скорость-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 10,12 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 скоростьчастота становятся слабо выраженными. Например„ при изменении нагрузочного момента до значения М g (см. фиг. 2) рабочая точка из положения 1 перейдет в положение 3

Предположим, что в исходном состоянии рабочая точка находится в положении 2 и происходит скачкообразный сброс нагрузки до значения

М = М . Непосредственно после сброса нагрузки скорость будет падать, а в ответ на это сигнал на выходе корректирующего устройства 10 стремится уменьшить рабочую частоту, что в свою, очередь будет способствовать уменьшению скорости. В результате сигнал рассогласов ания 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 f< (см. фиг. 2) . Длитель1ность выходного импульса одновибратора пренебрежимо мала по сравнеНию с переходным процессом измене765 911 ния скорости. Поэтому размыкание ключа 11 достаточно кратковременно чтобы не приводить к заметным колебаниям скорости. После окончания импульса одновибратора 16 ключ ll замыкается, а процесс регулировани будет происходить также, как и в рассмотренном ранее случае скачкооб разного увеличения нагрузки. При этом сигнал на выходе устройства 14, появляющийся во время изменения рабочей частоты, будет способствовать уменьшению амплитуды возбуждакюцего напряжения, так что по окончании пе реходного процесса рабочая точка окажется в положении 1 .Порог сра батывания 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 характеристик скорость-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 пъезорезонатора1 увеличение КПД при работе двигаlòåëÿ 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 изобретения

Устройство управления пъезоэлектрическим двигателем, содержащее пъезоэлектрический двигатель, датчик скорости, генератор эталонной частоты, формирователи импульсов, автогенератор, включающий усилитель мощности и пъезорезонатор двигателя, корректирующее устройство,о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с

gO целью повышения КПД и увеличения точности управления скоро стью, в него введены блок вычитания частот, фазовый детектор, сумматор, два дополнительных корректи рующих устройства, управитель частоты, ключ аналоговых сигналов, пороговое устройство и одновибратор, при этом выход блока вычитания частот соединен с входом фазового детектора, выход к oporo в свою очередь подключ входам основного корректирующего устройства, а также порогового и первого дополнительного корректирующего устройства, причем выход последнего через ключ аналоговых сигналов соединен с управляющим входом управителя частоты, а выход порогового устройства через одновибратор - с управляющим входом упомянутого ключа, выход основного

4() корректирующего устройства соединен с усилителем мощности через сумматор, другой вход которого через второе дополнительное корректирующее устройство соединен с автогенератором

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Сандлер A.Ñ., Сарбатов P.Ñ.

Автоматическое частотное управление © асинхронными двигателями. M.,"Çíåð-. гия",1 974:, с . 34-1 58.

2. Сб. Вибротехника . Научные труды ВУЗов Литовской CCP 1972, 3/16/, с. 296-307 (прототип) .

765911

Фиг.!

"3" 1

Составитель В. Вавер

Редактор Е. Гончар Техред М. Левицкая Корректор М. Демчик

Зак аэ б 521/4 9 Тираж 844 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб. „д. 4/S Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4