Пьезоэлектрический привод

Полезная модель относится к приборостроению и может быть использована как линейный высокоточный привод в системах механики и адаптивной оптики. Задача, решаемая полезной моделью, заключается в повышении точности привода за счет введения параметрической обратной связи от свойств пьезоэлементов к параметрическим свойствам регулятора. Указанная задача решается тем, что в пьезоэлектрическом приводе, содержащем составной пьезопреобразователь, который выполнен в виде набора плоских пьезоэлементов, и механически соединен с датчиком положения, выход которого подключен к интегрирующему усилителю, выход которого через обратную связь подключен к электрическому вводу пьезоэлементов, по крайней мере, один из плоских пьезоэлементов электрически изолирован от других плоских пьезоэлементов набора и включен в обратную связь интегрирующего усилителя. 3 з.п. ф-лы, 2 илл.

Полезная модель относится к приборостроению и может быть использована как линейный высокоточный привод в системах механики и адаптивной оптики.

Известен пьезоэлектрический привод [патент ЕР 0464443 А1, дата публ. 1992-01-08, кл. F02D 1/02; F02D 41/20; F02M 51/00; H01L 41/00; H01L 41/09] клапана впрыска топлива двигателя внутреннего сгорания, в котором пьезоэлектрический исполнительный элемент подключен к конденсатору через зарядную катушку и тиристор, управляющий электрод которого подключен к устройству управления, которое содержит датчик напряжения на пьезоэлементе в виде резистивного делителя, и пропорционально-интегральный регулятор.

Недостатком аналога является низкая точность привода, так как привод замкнут не по выходному сигналу, которым является перемещение, а по напряжению на пьезоэлектрическом исполнительном элементе. Такой привод имеет повышенное быстродействие и меньший расход энергии, но точность его позиционирования низкая.

Известен также пьезоэлектрический привод [патент US 4843293 (А), дата публ. 1989-06-27, кл. G05B 19/19; H01L 41/00, фиг.7], выбранный за прототип и содержащий составной пьезопреобразователь, выполненный в виде набора плоских пьезоэлементов, и механически связанный с датчиком положения, который подключен к интегрирующему усилителю, выход которого через обратную связь подключен к электрическому вводу пьезоэлементов.

Недостатком прототипа является низкая точность из-за больших динамических ошибок в переходных процессах. Это связано с тем, что стержень из пьезоэлементов обладает значительной электрической емкостью, что приводит к возрастанию электрической постоянной времени системы пьезодвигатель - усилитель мощности, а следовательно, и инерционности системы. Регулятор в виде интегрирующего усилителя не улучшает динамику переходного процесса, поскольку переходный процесс имеет колебательный характер. В этом случае управляющее воздействие, вырабатываемое интегральным регулятором, имеет малую величину, так как интегралы от положительных и отрицательных полуволн сигнала ошибки взаимно компенсируют друг друга.

Также неприятной особенностью высокоэффективной пьезоэлектрической керамики является нестабильность параметров. Это связано как с необратимыми процессами (временные химические и структурные изменения), так и с обратимыми процессами (нестабильность доменной структуры вследствие частичной временной деполяризации). Поэтому меняются и параметры эквивалентной динамической модели, описывающей разомкнутый пьезопривод, в частности, постоянные времени. Интегральный регулятор, имеющий неизменную постоянную времени, работает неэффективно, т.е. не полностью компенсирует максимальную постоянную времени разомкнутого привода.

Задача, решаемая полезной моделью, заключается в повышении точности привода за счет введения параметрической обратной связи от свойств пьезоэлементов к параметрическим свойствам регулятора.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном пьезоэлектрическом приводе, содержащем составной пьезопреобразователь, который выполнен в виде набора плоских пьезоэлементов, и механически связан с датчиком положения, выход которого подключен к интегрирующему усилителю, выход которого через обратную связь подключен к электрическому вводу пьезоэлементов, по крайней мере, один из плоских пьезоэлементов электрически изолирован от других плоских пьезоэлементов набора и включен в обратную связь интегрирующего усилителя.

Кроме того, пьезоэлектрический привод по п.2, отличающийся тем, что электрическая изоляция между плоскими пьезоэлементами выполнена в виде, по крайней мере, одного пьезоэлемента, не подключенного к электрическому вводу набора пьезоэлементов.

Кроме того, пьезоэлектрический привод по п.3, отличающийся тем, что параллельно интегрирующему усилителю подключен пропорциональный регулятор, а обратная связь выполнена в виде последовательно соединенных сумматора и высоковольтного усилителя.

Кроме того, пьезоэлектрический привод по п.4, отличающийся тем, что датчик положения выполнен в виде последовательно соединенных индуктивного датчика и усилителя рассогласования.

По сравнению с прототипом полезная модель имеет новую совокупность существенных признаков, т.е. отвечает критерию новизны.

Сущность полезной модели заключается в том, что по сравнению с прототипом изменяется закон регулирования в замкнутом приводе. Вместо интегрального регулятора появляется пропорционально-интегральный или ПИ-регулятор, реализующий изодромный закон регулирования. Пропорциональная часть хорошо уменьшает динамическую ошибку, а интегральная - установившуюся. Но, кроме этого, в законе регулирования появляется параметрическое управление, изменяющее постоянную времени изодрома. Закон регулирования становится адаптивным, подстраивающимся к изменяющимся параметрам пьезокерамики.

Известна процедура линеаризации нелинейных характеристик пьезокерамики [Патент DE 102004019052 (А1), дата публ. 2004-12-16], в которой для линеаризации характеристики нагрузки в виде пьезоэлемента, включенного в выходную цепь инвертирующего усилителя, в обратную связь этого же усилителя включается второй пьезоэлемент с нелинейной характеристикой.

Однако в заявляемом решении оба пьезоэлемента, как нагрузочный, так и в обратной связи, конструктивно включены в единый пьезостолбик, т.е. подвергаются единым механическим воздействиям, и пьезоэлемент в обратной связи интегрирующего усилителя работает на основе прямого пьезоэффекта как датчик усилия. Кроме линеаризации характеристик, пьезоэлемент в обратной связи интегрирующего усилителя одновременно обеспечивает функцию интегрирования по положению в регуляторе замкнутого привода. Операция интегрирования обеспечивается соответствующими динамическими свойствами усилителя, его передаточной функцией как отношением емкостного сопротивления пьезоэлемента в обратной связи усилителя к активному сопротивлению на входе усилителя. А в патенте DE 102004019052 на входе усилителя включается также емкость, поэтому усилитель получается всего лишь пропорциональным.

По мнению авторов, приведенный анализ позволяет утверждать, что техническое решение для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена функциональная схема привода, а на фиг.2 изображена электрическая схема ПИ-регулятора.

Пьезоэлектрический привод (фиг.1) содержит составной преобразователь 1, выполненный в виде набора плоских пьезоэлементов, датчик положения 2, механически соединенный с преобразователем 1, выход датчика положения 2 подключен к интегрирующему усилителю 3 ПИ-регулятора 4, выход которого через высоковольтный усилитель 5 подключен к электрическому вводу пьезоэлементов.

ПИ-регулятор 4 (фиг.2) содержит параллельно подключенные на входы сумматора 6 пропорциональный регулятор 7 и интегрирующий усилитель 3, в обратную связь которого включен, по крайней мере, один 8 из пьезоэлементов набора, электрически изолированный от других пьезоэлементов набора, по крайней мере, одним 9 пьезоэлементом набора, не подключенным к электрическому вводу пьезоэлементов. Изолированный пьезоэлемент 8 имеет емкость С, резисторы R являются настроечными.

Обратная связь 10 образована последовательным соединением сумматора 6 и высоковольтного усилителя 5, а датчик положения 2 образован последовательным соединением индуктивного датчика 11 и усилителя рассогласования 12.

Пьезоэлектрический привод работает следующим образом. Входной сигнал подается на прямой вход усилителя рассогласования 12, на инвертирующий вход которого поступает сигнал обратной связи с индуктивного датчика 11. Выходное напряжение Ue усилителя рассогласования 12, пропорциональное сигналу ошибки по положению привода, поступает на ПИ-регулятор 4. Пи-регулятор 4 вырабатывает управляющее напряжение Uy для усиления по мощности, которое осуществляется высоковольтным усилителем 5. Высокое напряжение с усилителя 5 поступает на электрические входы пьезоэлементов пьезопреобразователя 1. Пьезопреобразователь 1 расширяется, преодолевает противодействие упругого элемента (на фиг.1 не показан) и перемещает толкатель и подвижную часть индуктивного датчика 11.

В случае изменения свойств пьезокерамики, например, изменения емкости пьезопреобразователя 1 при изменении температуры, изменяется соответствующим образом и емкость С изолированного пьезоэлемента 8, включенная в обратную связь интегрирующего усилителя 3. Изменяется постоянная времени изодрома ПИ-регулятора 4, компенсируя изменение свойств пьезокерамики.

Для изготовления пьезопреобразователя 1 используется пьезокерамика марки ЦТС-46, столбик набирается из 950 плоских пьезопластин, длина его 50 мм. Для операционных усилителей 3, 6, 7 используются микросхемы AD8541. Мощность, развиваемая высоковольтным усилителем 5, порядка 1 Вт.

Заявляемая совокупность признаков позволяет создать пьезоэлектрический привод, который уверенно работает в динамическом и статическом режимах с разрешением, определяемым индуктивным датчиком 11, порядка 0.01 мкм.

1. Пьезоэлектрический привод, содержащий составной пьезопреобразователь, который выполнен в виде набора плоских пьезоэлементов и механически соединен с датчиком положения, выход которого подключен к интегрирующему усилителю, выход которого через обратную связь подключен к электрическому вводу пьезоэлементов, отличающийся тем, что, по крайней мере, один из плоских пьезоэлементов электрически изолирован от других плоских пьезоэлементов набора и включен в обратную связь интегрирующего усилителя.

2. Пьезоэлектрический привод по п.1, отличающийся тем, что электрическая изоляция между плоскими пьезоэлементами выполнена в виде, по крайней мере, одного пьезоэлемента, не подключенного к электрическому вводу пьезоэлементов.

3. Пьезоэлектрический привод по п.2, отличающийся тем, что параллельно интегрирующему усилителю подключен пропорциональный регулятор, а обратная связь выполнена в виде последовательно соединенных сумматора и высоковольного усилителя.

4. Пьезоэлектрический привод по п.3, отличающийся тем, что датчик положения выполнен в виде последовательно соединенных индуктивного датчика и усилителя рассогласования.