Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современного состояния разработок и исследований в области создания ИИУС для прецизионного позиционирования объектов точного приборостроения. Постановка задач исследования 12
1.1 Анализ принципов построения исполнительных механизмов систем управления для нано- и микроперемещений. Классификация пьезодвигателей 12
1.2 Анализ тенденций развития пьезоактюаторов и пьезодвигателей 29
1.3 Анализ современного состояния разработок пьезодвигателей и пьезоактюаторов 35
1.4 Анализ современного состояния разработок датчиков нано- и микроперемещений 42
1.5 Анализ принципов построения, методик расчёта самочувствительных пьезоактюаторов и пьезодвигателей и методов управления ими 50
1.6 Результаты и выводы по главе 53
2 Теоретические исследования функционирования ИИУС высокоточного позиционирования на основе дорезонансных пьезоэлектрических актюаторов 55
2.1 Структурная схема разработанной системы управления для прецизионного позиционирования 55
2.2 Исследование ИИУС для прецизионного позиционирования с применением саморегулируемого пакетного пьезоэлектрического актюатора 56
2.3 Исследования изгибно-натяжных (усиливающих) пьезоэлектрических актюаторов
2.3.1 Функция преобразования изгибно-натяжных (усиливающих) пьезоэлектрических актюаторов 66
2.3.2 Разработка нового технического решения усиливающего пьезоэлектрического актюатора 68
2.3.3 Разработка и исследование дифференциального усиливающего пьезоэлектрического актюатора 73
2.3.4 Разработка и исследование системы управления прецизионного позиционирования на основе саморегулируемого усиливающего пьезоэлектрического актюатора с тензорезистивными элементами 76
2.4 Результаты и выводы по главе 80
3 Теоретические исследования функционирования систем управления точного позиционирования на основе резонансных пьезоэлектрических двигателей 82
3.1 Структурная схема системы управления многофункционального тестового устройства 82
3.2 Функция преобразования резонансных пьезоэлектрических двигателей 82
3.3 Разработка и исследование саморегулируемого ультразвукового пьезоэлектрического двигателя с амплитудно-частотной регулировкой 85
3.4 Разработка системы управления саморегулируемыми ультразвуковыми пьезоэлектрическими двигателями с тензорезистивными и ПВДФ-элементами 91
3.5 Постановка задач исследования параметров колебательных движений статора УЗПД для оптимальной установки чувствительных элементов 97
3.6 Результаты и выводы по главе 98
4 Методика анализа работоспособности элементов пьезоэлектрических актюаторов 99
4.1 Анализ методов компьютерного моделирования основных свойств пьезоэлектрических актюаторов 99
4.2 Построение компьютерной модели для исследования передаточных характеристик пьезоактюаторов и пьезодвигателей
4.2.1 Моделирование упругой рамки саморегулируемого усиливающего пьезоэлектрического актюатора 103
4.2.2 Моделирование управляющей цепи пакетного саморегулируемого пьезоэлектрического актюатора 106
4.2.3 Моделирование статора саморегулируемого УЗПД 109
4.3 Анализ передаточных характеристик пьезоактюаторов и пьезодвигателей на
основе их компьютерных моделей 111
4.3.1 Анализ передаточной характеристики усиливающего пьезоэлектрического актюатора 111
4.3.2 Анализ передаточной характеристики схемы управления пакетным саморегулируемым пьезоэлектрическим актюатором 112
4.3.3 Анализ передаточной характеристики статора саморегулируемого УЗПД 113
4.4 Установление связей и закономерностей между параметрами упругих элементов
пьезоактюаторов и пьезодвигателей 114
4.4.1 Установление связей и закономерностей между параметрами упругих элементов усиливающих пьезоактюаторов 114
4.4.2 Установление связей и закономерностей между параметрами упругих элементов УЗПД 118
4.5 Определение оптимальных соотношений между параметрами упругих элементов
пьезоактюаторов и пьезодвигателей 119
4.5.1 Определение оптимальных соотношений между параметрами упругих
элементов усиливающих пьезоэлектрических актюаторов 119 4.5.2 Определение оптимальных соотношений между параметрами упругих
элементов УЗПД 124
4.6 Выработка рекомендаций по использованию разработанной методики анализа с применением систем автоматизированного проектирования при создании пьезоэлектрических актюаторов 124
4.7 Результаты и выводы по главе 126
5 Практическая реализация и экспериментальное исследование саморегулируемых пьезоактюаторов и пьезодвигателей 128
5.1 Техническое решения усиливающего пьезоактюатора 128
5.2 Техническое решение саморегулируемого пакетного пьезоактюатора 133
5.3 Технические решения саморегулируемых ультразвуковых пьезодвигателей 136
5.4 Результаты и выводы по главе 138
Заключение 140
Список сокращений и условных обозначений 143
Список литературы
- Анализ современного состояния разработок пьезодвигателей и пьезоактюаторов
- Исследование ИИУС для прецизионного позиционирования с применением саморегулируемого пакетного пьезоэлектрического актюатора
- Разработка и исследование саморегулируемого ультразвукового пьезоэлектрического двигателя с амплитудно-частотной регулировкой
- Установление связей и закономерностей между параметрами упругих элементов усиливающих пьезоактюаторов
Введение к работе
Актуальность темы. Важным направлением развития современной техники является совершенствование технических средств в точном приборостроении. В качестве сдерживающих факторов развития отечественного точного приборостроения можно назвать отсутствие отечественного производственного и тестового оборудования, высокие цены и узкую специализацию импортного.
Основой оборудования с микро- и нанометровым разрешением являются информационно-измерительные и управляющие системы для позиционирования рабочего органа с применением двигателей, актюаторов, измерителей перемещения.
Анализ существующих разработок производителей систем позиционирования показывает, что перспективным направлением создания информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС) для микро- и наноперемещений являются ИИУС с применением пьезоэлектрических ак-тюаторов (пьезоактюаторов) и пьезоэлектрических двигателей (пьезодвига-телей).
Перспективной задачей является оптимизация конструкций этих устройств для достижения более высоких эксплуатационных характеристик – точности позиционирования, линейности, скорости, диапазона перемещения, нагрузочного усилия (момента вращения).
Для создания информационно-измерительных и управляющих систем с применением пьезоактюаторов и пьезодвигателей с улучшенными техническими характеристиками необходимы теоретические и экспериментальные исследования функционирования их составных элементов, что позволит установить закономерности влияния их конструктивных и схемотехнических параметров на эксплуатационные характеристики.
Известны публикации по теоретическим основам пьезоактюаторов таких авторов, как А. Г. Амельченко, С. М. Афонин, В. А. Васильев, В. С. Вишневский, А. Е. Вишнеков, В. Г. Никифоров, А. Е. Панич, А. Б. Смирнов, В. А. Чернов, Zhao Chunsheng, D. A. Henderson, F. Claeyssen, Thomas W. Secord и др.
Разработкой и производством пьезоактюаторов и пьезодвигателей за рубежом занимается большое количество фирм. Ведущие зарубежные фирмы в области пьезоактюаторов, пьезодвигателей и оборудования с нанометровым разрешением – Physik Instrumente, New Scale Technologies, Cedrat Technologies, Discovery Technology, Teradyne, Heidenhein, Renishaw, SUSS, JANIS, TAKAYA Corp., APC.
В России относительно немного организаций-разработчиков и производителей пьезоэлементов, пьезоактюаторов и пьезодвигателей, в том числе ОАО «НИИ "Элпа"» (г. Москва, Зеленоград), ООО «Аврора-Элма» (г. Волгоград), НКТБ «Пьезоприбор» ЮФУ (г. Ростов-на-Дону), ОАО «Прибой»
(г. Таганрог), ООО «ЗВЭК "Прогресс"» (г. Краснодар), Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, ООО «КОМНЕТ» (г. Воронеж) и ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт"» им. М. В. Проценко» (г. Заречный Пензенской обл.). Вместе с тем рынок пьезоактюаторов и пьезодвигателей – растущий и не насыщен отечественной продукцией.
Недостатком, сдерживающим практическое использование пьезоак-тюаторов, являются такие факторы, как гистерезис, ползучесть, последействие. Для компенсации их влияния на точность позиционирования применяются внешние датчики положения (датчики обратной связи) и программные средства, основанные на моделях пьезоактюаторов, представляющих собой математическое описание свойств материалов, поведения элементов и частей пьезоактюаторов.
Новым направлением в развитии пьезоприводов является создание саморегулируемых пьезоактюаторов и пьезодвигателей с использованием их собственных свойств для контроля их перемещения. Саморегулируемыми или самочувствительными (self-sensing) называются пьезоактюаторы и пьезодвигатели, которые одновременно выполняют две функции – исполнительного механизма (актюатора) и чувствительного элемента (датчика) в цепи обратной связи.
Следует отметить, что в существующих отечественных разработках и теоретических работах по пьезодвигателям и системам позиционирования практически не исследуются информационно-измерительные и управляющие системы с применением саморегулируемых пьезоактюаторов и пьезо-двигателей. Также недостаточно исследовано использование дорезонанс-ных и резонансных пьезоактюаторов и пьезодвигателей в системах прецизионного позиционирования точного приборостроения.
Таким образом, диссертационная работа, посвященная созданию новых управляющих систем с применением саморегулируемых пьезоактюа-торов и пьезодвигателей для точного приборостроения, представляется актуальной.
Цель диссертационной работы – совершенствование информационно-измерительных и управляющих систем на основе пьезоактюаторов и пьезодвигателей с улучшенными техническими характеристиками для прецизионного позиционирования в процессе производства и контроля параметров в точном приборостроении.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
– анализ современного состояния разработок и исследований в области создания ИИУС для прецизионного позиционирования объектов точного приборостроения и определение направлений их совершенствования;
– теоретическое исследование функционирования пьезоактюаторов и пьезодвигателей, измерительных преобразователей для ИИУС прецизионного позиционирования с целью улучшения их технических характеристик;
– разработка новых технических решений пьезоактюаторов и пье-зодвигателей, обладающих улучшенными техническими характеристиками для ИИУС прецизионного позиционирования;
– разработка новых структур ИИУС с применением саморегулируемых пьезоактюаторов и пьезодвигателей, обладающих улучшенными техническими характеристиками;
– разработка методики совершенствования пьезоактюаторов и пье-зодвигателей, обеспечивающей проектирование элементов систем управления для прецизионного позиционирования с улучшенными техническими характеристиками.
Объектом исследования являются элементы, устройства, части образцов информационно-измерительных и управляющих систем для прецизионного позиционирования с использованием пьезодвигателей, пьезоак-тюаторов, датчиков микро- и наноперемещений.
Предметом исследования являются теоретические и практические проблемы создания и совершенствования информационно-измерительных и управляющих систем на основе пьезодвигателей и пьезоактюаторов с улучшенными техническими характеристиками для прецизионного позиционирования.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились с применением современных систем автоматизированного проектирования и инженерного анализа, метода конечных элементов, теории механики деформируемого тела. Экспериментальные исследования метрологически обеспечены и проводились на экспериментальной базе ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт" им. М. В. Проценко» (г. Заречный Пензенской обл.).
Научная новизна работы:
-
Разработаны новая структура, схема и способ управления ИИУС прецизионного позиционирования на основе саморегулируемого пакетного пьезоактюатора с измерительными электродами, совмещенного с частотным измерительным преобразователем, обеспечивающие перемещение в диапазоне единиц микрон с точностью 0,4 %. Теоретически обоснована передаточная функция частотного измерительного преобразователя, устанавливающая связь между частотой его выходного сигнала и комплексным сопротивлением пьезоактюатора, используемого в качестве первичного преобразователя.
-
Предложены новые структуры саморегулируемых усиливающих пьезоактюаторов для систем управления прецизионного позиционирования, обеспечивающие увеличенный рабочий ход, нагрузочное усилие, повышенную точность перемещения (с разрешением десятки нанометров и величиной хода сотни микрометров). Теоретически получена передаточная функция усиливающего пьезоактюатора, устанавливающая связь между управляющим напряжением и перемещением его рабочего звена.
-
Разработаны новая структура, схема и способ управления скоростным приводом системы управления прецизионного позиционирования
с применением саморегулируемых ультразвуковых пьезодвигателей (УЗПД), отличающиеся использованием в качестве первичных преобразователей рабочих пьезоэлементов УЗПД для регулирования частоты управляющих сигналов.
4. Предложена методика совершенствования элементов пьезоактюа-торов и пьезодвигателей для ИИУС прецизионного позиционирования на основе компьютерных моделей, позволяющая оценивать работоспособность и оптимизировать их параметры с целью увеличения диапазона и повышения точности перемещения рабочего звена.
Практическая значимость:
-
Разработаны новые структуры пакетного пьезоактюатора, совмещенные с частотным измерительным преобразователем для ИИУС прецизионного позиционирования, обеспечивающие повышенную точность позиционирования и устойчивость к нестабильности источника питания.
-
Предложено новое техническое решение изгибно-натяжного (усиливающего) пьезоактюатора для системы управления прецизионного позиционирования, позволяющее увеличить диапазон перемещения в два раза и нагрузочное усилие в четыре раза по сравнению с известными аналогами, при использовании пьезоэлементов соответствующей длины.
-
Разработана схемотехническая реализация структуры системы управления прецизионного позиционирования с использованием саморегулируемых УЗПД, отличающаяся простотой конструкции и возможностью использования недорогой отечественной элементной базы.
-
Выработаны рекомендации по использованию разработанной методики совершенствования пьезоактюаторов и пьезодвигателей для ИИУС прецизионного позиционирования, которые могут быть использованы в инженерной практике.
На защиту выносятся:
-
Структура, схема и способ управления ИИУС прецизионного позиционирования на основе саморегулируемого пакетного пьезоактюатора с измерительными электродами, используемого в качестве первичного преобразователя, совмещенного с частотным измерительным преобразователем, устойчивым к нестабильности источника питания, обеспечивающие перемещение рабочего звена с повышенной точностью благодаря компенсации гистерезиса в системе управления. Теоретически обоснованная передаточная функция частотного измерительного преобразователя, устанавливающая связь между частотой его выходного сигнала и комплексным сопротивлением пьезоактюатора.
-
Новые структуры саморегулируемых усиливающих пьезоактюато-ров для систем управления прецизионного позиционирования, обеспечивающие увеличенный рабочий ход, необходимое нагрузочное усилие, повышенную точность перемещения (с разрешением десятки нанометров и величиной хода сотни микрометров). Теоретически полученная передаточная функция усиливающего пьезоактюатора, устанавливающая связь
между управляющим напряжением и перемещением его рабочего звена.
-
Структура, схема и способ управления скоростным приводом системы управления прецизионного позиционирования с применением саморегулируемых ультразвуковых пьезодвигателей (~60 кГц), отличающиеся использованием в качестве первичных преобразователей рабочих пьезо-элементов УЗПД для регулирования частоты управляющих сигналов, обеспечивающие компенсацию воздействия внешних дестабилизирующих факторов (температуры, нагрузки).
-
Методика совершенствования элементов пьезоактюаторов и пьезо-двигателей для ИИУС прецизионного позиционирования на основе компьютерных моделей, позволяющая оценивать работоспособность и оптимизировать их параметры с целью увеличения диапазона и повышения точности перемещения рабочего звена.
Реализация и внедрение результатов исследований. Диссертационная работа выполнялась в рамках Государственного задания Минобрнау-ки РФ на 2014–2016 гг., код проекта № 1267, НИР «Исследование принципов построения и особенностей функционирования прецизионных датчиков физических величин и актюаторов для систем управления, контроля и безопасности».
Результаты проведенных научных исследований были использованы Госкорпорацией Росатом при выполнении НИОКР ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт" им. М. В. Проценко».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись и обсуждались на международных, всероссийских и межвузовских научно-практических и научно-технических конференциях, семинарах, симпозиумах, электронных ресурсах: «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2013); «Опто-, нано-электроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2013); «Информационные технологии в науке и производстве (ИТНП-2013)» (Самара, 2013); «Волоконно-оптические, лазерные и нанотехнологии в наукоемком приборостроении» (Пенза, 2013); «Университетское образование (МКУО-2014)» (Пенза, 2014); «Надежность и качество» (Пенза, 2014–2015); ИНФО-2014 (Сочи, 2014); ИНФО-2015 (Сочи, 2015); «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2015); «Метрологическое обеспечение измерительных систем» (Пенза, 2015), «Современная техника и технологии» № 2, 2014 ( 2014/02/3057).
Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 24 статьях, среди которых 4 – в ведущих рецензируемых журналах из перечня ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения, списка используемой литературы и трех приложений. Она изложена на 169 страницах, включает 80 рисунков, 7 таблиц. Список литературы содержит 129 наименований. Приложения представлены на 12 страницах.
Анализ современного состояния разработок пьезодвигателей и пьезоактюаторов
Ведущими зарубежными производителями пьезоприводов для нано- и микроперемещений являются New Scale Technologies (NST, США), Physic In-strumente {PI, Германия), Cedrat Technologies, Discovery Technology, SET, Teradyne, Heidenhein, Renishaw, SUSS, JANIS, TAKAYA Corp., Morgan Electro Ceramics, Piezo Kinetics, Piezo Systems, Piezomechanic, Ceram Tech, TRS Ceramics, Xinetics, Ceram Nort America, Ferroperm Groop, APC, в России - ОАО «НИИ «Элпа» (Россия).
Пьезоэлектрический эффект заключается в изменении линейных размеров отдельных материалов в электрическом, а пьезомагнитный - во внешнем магнитном поле. Оба пьезоэффекта обратимы. В пьезодвигателях используют обратный пьезоэффект, когда при приложении электрического или магнитного поля изменяются линейные размеры материала. Двигатели, основанные на пьезоэлектрическом эффекте более предпочтительны, поскольку не чувствительны к действию магнитных полей и имеют более широкую сферу применения.
Пьезоэффект наблюдается в кристаллах, не имеющих центра симметрии. Типичным пьезоэлектриком является кварц - a-Si02 (a-кварц), пьезоэлектрические свойства проявляются более чем у 1500 веществ. Пьезоэлектрическими свойствами обладает керамика: BaTiO3, РЬТЮ3, Pb[ZrxTi1-x]03 0 x 1 (PZT или ЦТС), KNbOз, ЬіМЮз, ЬіТаОз, Na2WQ3, ZnO, Ba2NaNb505, b2KNb5Oi5. В зави 14 симости от используемого пьезоэлектрического материала пьезодвигатели (актюаторы) могут быть пьезокристаллическими (на базе монокристаллов) и пьезокерамическими (на базе поликристаллов пьезокерамики). На практике пьезокерамические актюаторы нашли более широкое применение.
Выбор пьезоматериалов для пьезодвигателей осуществляют в основном по следующим параметрам: пьезомодуль в направлении рабочих деформаций, модуль Юнга, коэффициент электромеханической связи и механическая добротность. Они определяют диапазон перемещений, упругие и резонансные свойства, эффективность преобразования электрической энергии в механическую, степень затухания колебательных процессов.
При конструировании пьезодвигателей учитывают недостатки пьезоке-рамики: нелинейность, крип (creep – ползучесть) – запаздывание реакции на изменение величины управляющего поля, гистерезис – неоднозначность зависимости удлинения от направления изменения электрического поля (до 5 – 25 % в зависимости от материала). Для уменьшения влияния гистерезиса на точность позиционирования пьезодвигателем выбирают пьезоматериалы с 4 меньшим гистерезисом, а также применяют системы управления с датчиками положения и обратной связью.
Пьезоэлектрический двигатель (ПЭД) конструктивно состоит из корпуса, одного или нескольких пьезоактюаторов и различных элементов, поддерживающих их работу. Это могут быть элементы, обеспечивающие предварительное сжатие актюаторов, их тонкую настройку и юстировку, кинематическую связь с объектом управления и др. В конструкцию ПЭД могут быть встроены различные датчики ускорений, скоростей и перемещений вместе с их вторичными преобразователями [1]. Привод (актюатор) – общее название приборов, которые преобразуют входную энергию в механическую энергию. Пьезопривод (piezo actuator) – работает на обратном пьезоэффекте и преобразует электрическую энергию в механическую (напряжение и заряд в силу и движение) [2].
Существует большое разнообразие пьезодвигателей и пьезоактюато 15 ров, различающихся по частоте и напряжению управляющих сигналов, по характеру создаваемых перемещений, по принципу действия и др. В ходе работы исследованы принципы построения и перспективы усовершенствования пьезодвигателей и пьезоактюаторов для нано- и микроперемещений [3], [4], [5], [6], [7], [8]. Проведена их классификация, которая приведена на рисунке 1.
Пьезодвигатели (пьезоактюаторы), работающие на низких частотах управляющего сигнала (ниже их резонансной частоты) относятся к дорезо-нансным, а на высоких частотах (равных резонансным) – к резонансным. По характеру создаваемых перемещений пьезодвигатели могут быть линейные и роторные. В зависимости от величины напряжения питания пьезоактюаторы подразделяются на низковольтные (до 150 – 200 В) и высоковольтные (до 1000 В). Возможны два режима питания: однополярный и биполярный. Биполярный режим питания позволяет увеличить рабочий ход и усилие на 30%. По принципу действия пьезодвигатели можно разделить на следующие виды: ударного действия (вибродвигатели) (резонансные), деформационного действия (шаговые двигатели) и силового действия (силовые двигатели). В первом случае подвижная часть двигателя приводится под действием ударов, передаваемых от пьезоэлемента с частотой собственных колебаний (резонансной частотой). Во втором – подвижная часть последовательно перемещается с определённым шагом вследствие изменения напряжённо-деформированного состояния его элементов под действием пьезоэлементов. В третьем – силовое воздействие непосредственно (или через передаточное звено) передаётся на объект от пьезоэлемента, при этом осуществляются угловые или линейные перемещения в ограниченном диапазоне.
Исследование ИИУС для прецизионного позиционирования с применением саморегулируемого пакетного пьезоэлектрического актюатора
Устройство управления саморегулируемым пакетным пьезоэлектрическим актюатором работает следующим образом (рисунок 28). Сигнал управления пье-зоактюатором поступает на него от блока задания частоты через элемент сравнения, блок регулирования управляющего напряжения, блок формирования управляющего напряжения, усилитель напряжения. При пошаговом изменении постоянного электрического напряжения на обкладках пьезоактюатора (пьезоэлемен-тов) происходит его удлинение или сжатие (изменение линейных размеров), соответственно, осуществляется в ту или другую сторону перемещение подсоединённой к нему механической нагрузки. С изменением линейных размеров пьезоактю-атора пропорционально изменяется электрическая ёмкость между электродами измерительных конденсаторов (C1 и C4). Изменение емкостей измерительных конденсаторов C1 и C4 пьезоактюатора приводит к разбалансу мостовой измерительной цепи, в которую они включены. Двухэлементная мостовая измерительная цепь (из двух измерительных конденсаторов) компенсирует погрешности внешних воздействующих факторов и повышает точность измерения емкости.
Питание мостовой измерительной цепи осуществляется двухполярным напряжением питания типа «меандр» с выхода компаратора. В диагональ питания моста включены дополнительные резисторы Rд1 и Rд2, а к инвертирующему входу операционного усилителя ОУ1 интегратора подключён резистор R0 для задания начальной частоты при нулевом разбалансе моста.
Разбаланс мостовой измерительной цепи, с включенными в нее измерительными конденсаторами C1 и C4 пьезоактюатора, вызывает изменение частоты сигнала на выходе компаратора, который далее поступает на усилитель тока и затем на оптопару (служит для гальванической развязки). С выхода оптопары частотный сигнал поступает на блок задания частоты и элемент сравнения, который сравнивает этот сигнал с частотой сигнала, поступающего с блока задания частоты.
Блок задания частоты имеет два входа. На первый вход подаётся внешний сигнал управления (аналоговый или кодовый). На второй вход поступает частотный сигнал с выхода оптопары, который используется для установки начальной частоты выходного частотного сигнала блока задания частоты. Такая установка производится при включении питания, а также может быть осуществлена при каждом возврате пьезоактюатора в исходное состояние (нулевую точку или точку начала отсчёта). То есть по сигналу с выхода оптопары производится коррекция управляющего сигнала на выходе блока задания частоты (подстройка частоты начального управляющего сигнала с выхода блока задания частоты под начальную частоту сигнала с выхода интегратора).
При последующем изменении управляющего сигнала на блоке задания частоты сигнал с выхода оптопары не используется. Элемент сравнения выделяет разностный сигнал между управляющим сигналом от блока задания частоты и сигналом обратной связи, поступающей от оптопары.
Далее разностный сигнал с элемента сравнения подаётся на блок регулирования управляющего напряжения, на этот же блок подаётся сигнал с блока задания частоты. В блоке регулирования управляющего напряжения сигнал управления корректируется на величину, пропорциональную сигналу от элемента сравнения. Далее, с блока регулирования управляющего напряжения скорректированный сигнал поступает на блок формирования управляющего напряжения, который формирует аналоговый сигнал, поступающий на пьезоактюатор через усилитель напряжения.
Таким образом, в предлагаемом устройстве управления саморегулируемым линейным пьезоэлектрическим актюатором нелинейность зависимости его перемещения от управляющего напряжения, возникающая из-за гистерезиса, ползучести и последействия, устраняется путём коррекции частотного сигнала поступающего на блок регулирования управляющего напряжения на величину фактического отклонения частоты сигнала с выхода интегратора от частоты сигнала управления с блока задания частоты.
С помощью мостовой измерительной схемы изменение емкости пьезоактю-атора преобразуется в напряжение, подаваемое на вход интегратора (Инт) частотного измерительного преобразователя. На выходе частотного преобразователя генерируется сигнал прямоугольной формы типа «меандр» с частотой, пропорцио 63 нальной измеряемой деформации. Питание устройства осуществляется от двух-полярного источника постоянного электрического напряжения, не требующего особой стабилизации, так как электрическое питание емкостного моста ЕМ осуществляется напряжением с выхода ОУ2 частотного преобразователя, амплитуда которого не влияет на частоту выходного сигнала устройства.
В установившемся режиме работы устройства с выхода компаратора ОУ2 преобразователя следуют разнополярные импульсы амплитудой ±U0. Пусть в момент времени t0 произошла смена полярности выходного напряжения с –U0 на +U0. При этом напряжение на выходе интегратора (Инт) обусловлено положительным «скачком» напряжения с одной из вершин измерительной диагонали моста ЕМ, равным напряжение на выходе интегратора на интервале от to до t\, который равен половине периода (TJ2 = h- t0) колебаний выходного сигнала частотного преобразователя, будет увеличиваться до положительного порогового уровня компаратора (ОУ2), равного Ub0 (по формуле 13).
В момент (/і) равенства порога срабатывания и напряжения на выходе интегратора (Инт) вновь произойдет смена полярности выходного напряжения. При этом напряжение на выходе интегратора будет равно где йи ийо- соответственно сопротивления первого и второго резисторов интегратора Инт, Си - емкость конденсатора в цепи отрицательной обратной связи интегратора, Тк - период колебаний выходного сигнала.
Разработка и исследование саморегулируемого ультразвукового пьезоэлектрического двигателя с амплитудно-частотной регулировкой
Для пакетного саморегулируемого пьезоэлектрического актюатора с измерительными электродами основными составляющими элементами, с помощью которых можно влиять на его передаточную характеристику являются управляющая цепь, параметры пьезоэлементов и сформированных на них измерительных конденсаторов. Параметры пьезоэлементов и измерительных конденсаторов (количество и толщина слоев, площадь электродов) определяются конструктивными требованиями на пьезоэлектрический актюатор. А определить работоспособность и коэффициент преобразования (чувствительности) управляющей цепи можно путем проведения исследования с помощью построения ее компьютерной модели.
Для моделирования управляющей цепи многослойного (пакетного) саморегулируемого пьезоэлектрического актюатора построена ее компьютерная модель с использованием программы Micro-Cap. Определение параметров сигналов в узлах схемы управления проводилось с помощью функции анализа переходных процессов [123], [124].
Изменения в электрической цепи происходят в результате тех или иных переключений (коммутаций). Физически переходные процессы представляют собой процессы перехода от энергетического состояния до коммутации к энергетическому состоянию после коммутационному режиму. В момент начала переходного процесса происходит перераспределение энергии между индуктивными, емкостными элементами цепи и внешними источниками энергии, подключенными к цепи. При этом часть энергии преобразуется в другие виды энергий. Задача исследования переходных процессов заключается в определении закона отклонения токов и напряжений на участках цепи от их установившихся значений и продолжительность этих процессов. Анализ переходных процессов исследуемой электрической цепи проводится решением дифференциальных уравнений на основе законов Кирхгофа или метода контурных токов.
Электрическое состояние схемы после коммутации описывается линейным дифференциальным уравнением второго порядка, которое получено в результате дифференцирования II закона Кирхгофа для мгновенных значений токов и напряжений, а в качестве постоянных коэффициентов выступают параметры цепи или их комбинации:
Полное решение линейного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами находят в виде суммы частного решения неоднородного и общего решения соответствующего однородного уравнения.
Для исследования характеристик устройства управления пакетным саморегулируемым пьезоэлектрическим актюатором на практическом примере взят пье-зопакет из четырех слоев (восьми пьезоэлементов), которые состоят из пьезоэле-ментов, изготовленных из пьезокерамики ЦТС-19 в форме диска с размерами 15х0,5 мм (рисунок 76, 77). На одной их стороне нанесены серебряные электро 108 ды для подключения управляющего напряжения, а на противоположной стороне нанесены по два несоединенных серебряных электрода в виде двух половинных сегментов, образующие два конденсатора, у которых диэлектриком является пье-зокерамика.
Электрическая ёмкость измерительных конденсаторов в состоянии покоя (управляющее напряжение равно нулю) равна 2431 пкФ, а при подаче напряжения от –300 В до +300 В изменяется от 2423 пкФ до 2439 пкФ, при этом диапазон перемещения пьезоактюатора равен 1,7 мкм (±0,85 мкм) (рисунок 4.2).
Зависимость емкости измерительных конденсаторов от управляющего напряжения, подаваемого на пьезоактюатор Окно программы Micro-Cap со схемой управления саморегулируемым пьезоэлектрическим актюатором в его исходном состоянии (управляющее наряжение равно нулю) с измерительными электродами в режиме анализа переходных процессов приведено на рисунке 56.
В соответствии со структурной схемой саморегулируемого УЗПД (рисунок 43) его передаточная характеристика определяется коэффициентами преобразования (чувствительности) составляющих преобразователей – управляющей схемы и статора (системы пьезоэлементы–упругий неподвижный элемент). Для определения работоспособности и выходных эксплуатационных характеристик УЗПД требуется определить характеристики составляющих элементов. Эффективным методом определения характеристик статора является проведение компьютерного исследования методом конечных элементов [126], [126], [127], [128], [129].
Для исследования поведения статора с пьезоэлементами УЗПД и определения характера и величины изгибных перемещений его поверхности была построена его компьютерная модель с использованием программы COMSOL Multiphysics. Компьютерная модель статора представляет собой четырехгранную трубку с прикрепленными на ее поверхности пьезоэлементами.
Установление связей и закономерностей между параметрами упругих элементов усиливающих пьезоактюаторов
В первой конструкции в качестве источника сигнала обратной связи для регулировки частоты управляющих сигналов использованы рабочие пьезоэлементы УЗПД. В ходе испытаний устройства была подтверждена его работоспособность и правильность теоретических заключений. Определена зависимость амплитуды сигнала обратной связи макетного образца УЗПД от частоты сигнала, подаваемого на пьезоэлементы (рисунок 79).
График зависимости амплитуды сигнала обратной связи макетного образца УЗПД от частоты сигнала, подаваемого на пьезоэлементы
Во втором техническом решении системы управления УЗПД на два рабочих пьезоэлемента статора УЗПД с размерами 12х2х0,3 мм были установлены два тен-зорезистивных элемента сопротивлением 350 Ом на полиимидной пленке размером 7,2 х 2 мм, выполняющие функцию датчика сигнала обратной связи для регулирования частоты управляющих сигналов. Проведенные испытания так же подтвердили работоспособность такого устройства и правильность теоретических заключений. Преимуществом данной конструкции является возможность определения направления движения подвижной части УЗПД и высокая надежность.
На основе третьего технического решения системы управления УЗПД был изготовлен макетный образец, в котором функцию датчика сигнала обратной связи для регулирования частоты управляющих сигналов выполняют два полимерных пьезоэлектрических пленочных ПВДФ-элемента размером 7,2 х 2 мм, установленные на два рабочих пьезоэлемента с размерами 12х2х0,3 мм. Работоспособность устройства подтверждена в ходе испытаний. Преимуществом такой конструкции является возможность определения направления движения подвижной части УЗПД и отсутствие необходимости подавать отдельное питание на датчик обратной связи. Определена зависимость амплитуды сигнала обратной связи макетного образца УЗПД от частоты сигнала, подаваемого на пьезоэлементы (рисунок 80).
График зависимости амплитуды сигнала на выходе ПВДФ-элементов в зависимости от частоты сигнала, подаваемого на пьезоэлементы макетного образца УЗПД Предложенные технические решения саморегулируемых ультразвуковых пьезоэлектрических двигателей, новые структуры, схемы и способы управления ими имеют повышенную эффективность и надёжность работы, при этом упрощается конструкция, уменьшается трудоёмкость изготовления, повышается технологичность, улучшаются массогабаритные показатели устройства, снижается стоимость.
Акты внедрения разработанных систем управления высокоточными устройствами позиционирования на основе дорезонансных пьезоактюаторов и резонансных пьезодвигателей приведены в приложении В.
На основе разработанного нового технического решения усиливающего пьезоатюатора изготовлен его макетный образец, обеспечивающий улучшенные технические характеристики. Проведенные испытания изготовленного макетного образца подтвердили теоретические заключения. Сравнение его единичных показателей качества с зарубежными аналогами показало, что их характеристики находятся на одном уровне или незначительно уступают им. Преимуществом разработанного усиливающего пьезоатюатора является увеличенный диапазон перемещения (до 2 раз), нагрузочное усилие (до 5 раз), простота изготовления, малые габариты, низкая стоимость.
С использованием разработанного нового технического решения пакетного пьезоактюатора с измерительными электродами изготовлен его макетный образец. Его испытания подтвердили справедливость теоретических заключений и результатов компьютерного моделирования. Точность позиционирования без применения внешних датчиков обратной связи достигает 0,4%, что соответствует зарубежным аналогам, но при этом она обеспечивается достаточно простой схемой управления, не требующей дорогих прецизионных радиоэлементов. Такое техническое решение обладает высокой надежностью, технологичностью, инвариантностью к нестабильности источника питания, имеет малые габариты, низкую стоимость изготовления.
Изготовлен макетный образец нового технического решения саморегулируемого ультразвукового пьезоэлектрического двигателя с амплитудно-частотной регулировкой управляющих сигналов и схемы его управления. Проведенные испытания изготовленного макетного образца подтвердили справедливость данного принципа построения, разработанной схемы и способа управления с использованием рабочих пьезоэлементов УЗПД в качестве источника сигнала обратной связи, обеспечивающее эффективное управление при воздействии внешних факторов. Такое техническое решение имеет высокую надёжность, технологичность, простоту конструкции и возможность использования недорогой отечественной элементной базы.
Изготовлены макетные образцы новых технических решений саморегулируемых ультразвуковых пьезоэлектрических двигателей с интегрированными тензорезистивными и ПВДФ-элементами. Проведенные испытания изготовленных макетных образцов подтвердили эффективное управление при воздействии внешних факторов. Такое техническое решение позволяет дополнительно определять направление перемещения подвижного элемента УЗПД.