Исполнительный механизм микроперемещений

 

Изобретение относится к средствам автоматики и может использоваться для регулирования и поднастройки положения подвижных звеньев технологических и приборных систем. Исполнительный механизм микроперемещений содержит электромеханическое исполнительное устройство и блок управления. Электромеханическое исполнительное устройство выполнено в виде установленного в корпусе пьезопакета с подвижным штоком и соосным ему датчиком положения подвижного штока. Пьезопакет составлен из отдельных секций многослойных пьезоэлементов, изолированных друг от друга с помощью прокладок и снабженных датчиками положения отсчетной поверхности секции относительно ее базовой поверхности. Первая секция пьезоэлементов входит в основной контур регулирования положения подвижного штока и работает по сигна лу ошибки между задающим воздействием и сигналом обратной связи с датчика положения подвижного штока. Вторая и последующие секции пьезоэлементов образуют корректирующие контуры регулирования и служат для повышения качества регулирования основного контура, причем каждая последующая секция работает по сигналу ошибки положения отсчетной поверхности предыдущей секции пьезоэлементов. Для формирования корректирующих воздействий блок управления оснащен дополнительными дифференциальными и высоковольтными усилителями. Благодаря корректирующему действию вспомогательных секций пьезоэлементов значительно повышается запас устойчивости , а также статическая и динамическая точность регулирования положения подвижного штока основным контуром регулирования . сл с х| 09 Ю Ь. ч

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 05 0 3/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4846163/24 (22) 02.07.90 (46) 30,12.92. Бюл. N 48 (71) Московский институт приборостроения (72) tO,Ë. Николаев, А.Г. Ершов, В.M. Сапрыкин и А.В. Вишнеков (56) 1. Шачнев Ю.А, Автоматическое управ- ление точностью обработки при помощи пьеэокерамических исполнительных механизмов. — Технология производства. науйная организация труда и управления. 1979, N-б,,с. 18-20.

2. Авторское свидетельство СССР

N. 1427336, кл. G 05 0 3/00, 1987. (54) И С П 0Л Н И Т Е Л Ь Н Ы Й М Е ХА Н И 3 M . МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к средствам автоматики и может использоваться для регулирования и поднастройки положения подвижных звеньев технологических и приборных систем. Исполнительный механизм микроперемещений содержит электромеханическое исполнительное устройство и блок управления..3лектромеханическое испол нительное устройство выполнено в виде ус- тановленного в корпусе пьеэопакета с подвижным штоком и соосным ему датчи ком положения подвижного штока. ПьезоПредложенное устройство относится к средствам автоматики и может использоваться в качестве исполнительного механизма высокоточных микроперемещений для регулирования и поднастройки положениР подвижных звеньев технологических и приборных си<:тем, 5U, 1784949 А1 пакет составлен из отдельных секций многослойных пьезоэлементов, изолированных друг от друга с помощью прокладок и снабженных датчиками положения отсчетной поверхности секции относительно ее базовой поверхности. Первая секция пьезоэлементов входит в основной контур регулирования положения подвижного штока и работает по сигналу ошибки между задающим воздействием и сигналом обратной связи с датчика положения подвижного штока. Вторая и последующие секции пьезоэлементов образуют корректирующие контуры регулирования и служат для повышения качества регулирования основного контура, причем каждая последующая секция работает по сигналу ошибки положения отсчетной поверхности предыдущей секции (/) пьезоэлементов. Для формирования кор- ректирующих воздействий блок управления оснащен дополнительными дифференци- Я . альными и высоковольтными усилителями.

Благодаря корректирующему действию вспомогательных секций пьезоэлементов значительно повышается запас устойчивости, а также статическая и динамическая ©ф точность регулирования положения по- ф движного штока основным контуром регулирования. фь

Известен исполнительный механизм микроперемещений (1), состоящий из электромеханического исполнительного устройства, оснащенного пьезопакетом, и блока управления. Недостатками известного устройства являются нелинейность статической характеристики и нестабильность

1784949 микроперемещений из-за гистерезиса и ползучести пьеэокерамики, а также влияния инструментальных и внешних факторов:

Наиболее близким к изобретению техническим решением, выбранным, в качестве прототипа, является задатчик микроперемещений (2), в котором для повышения линейности и стабильности использован датчик положения подвижного штока задатчика, конструктивно встроенный в электромеханическое исполнительное устройство.

При этом управляющее напряжение на пьезопакет формируется пропорционально сигналу ошибки между задающим сигналом и сигналом с датчика положения подвижного штока. Для получения высокой линейности и стабильности необходимо, чтобы коэффициент усиления разомкнутой цепи задатчика микроперемещений составлял

40 — 69 дБ, Однако увеличение коэффициента усиления до требуемых значений связано со значительными трудностями обеспечения устойчивости и качества переходного процесса. Последнее объясняется тем, что основные инерционные звенья задатчика имеют примерно одинаковые постоянные времени, причем пьезопакет с подвим<ным штоком образует колебательное звено с большим значением показателя колебательности частотной характеристики. Дополнительное запаздывание в системе обусловлено также гистерезисной характеристикой пьезопакета, Таким образом, получение требуемых значений коэффициента усиления возможно лишь в области низких частот, что ограничивает частотный диапазон регулирования, Введение же воздействия по производной хотя и расширяет частотный диапазон регулирования, однако значительно снижает запас устойчивости.

Целью настоя щего изобретения я вляется повышение статической и динамической точности регулирования положения подвйжного штока исполнительного механизма микроперемещений.

Сущность изобретения заключается в следующем, Исполнительный механизм микроперемещений содержит электромеханическое исполнительное устройство, выполненное в виде установленного в корпусе пьезопакета с подвижным штоком или соосным ему датчиком положения подвижного штока, а также блок управления, включающий задатчик перемещения подвижного штока, дифференциальный усилитель сигнала ошибки положения подвижного штока. подключенный первым входом к выходу эадатчика перемещения подвижного штока, высоковольтный усилитель напряжения, вход которого подключен к выходу дифференциального усилителя сигнала ошибки положения подвижного штока, и измерительный преобразователь, связанный с датчиком положения подвижного штока и

5 подключенный выходом ко второму входу дифференциального усилителя сигнала ошибки положения подвижного штока, Поставленная цель изобретения достигается тем. что пьезопакет выполнен в виде

10 набора отдельных секций из многослойной пьеэокерамики, установленных последова- . тельно и изолированных друг от друга с помощью прокладок, Каждая секция пьезопакета, кроме последней. снабжена

15 датчиком положения отсчетной поверхно. сти секции относительно ее базовой поверхности, для чего неподвижный чувствительный элемент датчиков положения закреплен в основании секции, а подвижный чув20 ствительный элемент закреплен на прокладке, установленной на отсчетной поверхности секции, При этом выход высоковольтного усилителя напряжения подключен к обкладкам пьезоэлементов

25 первой секции пьезопакета. Таким образом,первая секция пьезопакета входит в основной контур регулирования положения подвижного штока и работает по ошибке между задающим воздействием и сигналом

30 с датчика положения подвижного штока., Вторая и последующие секции пьеэопакета служат для повышения качества регулирования основного контура, Для этого блок управления оснащен до35 полнительными измерительными преобразователями, каждый иэ которых связан с датчиком положения отсчетной поверхности соответствующей секции, т.е. первый дополнительный измерительный преобра40 эователь связан с датчиком положения отсчетной поверхности первой секции. второй дополнительный измерительный преобразователь —. с датчиком положения второй секции и так далее. Кроме того, блок управ45 ления оснащен дополнительными дифференциальными усилителями, к выходу каждого из которых подключен дополнительный высоковольтный усилитель напряжения, причем выход первого дополнитель50 ного высоковольтногоусилителя подключен к обкладкам пьезоэлементов. второй секции, выход второго дополнительного высоковольтного усилителя — к обкладкам пьезоэлементов третьей секции и т,д, с

55 подключением последнего дополнительного высоковольтного усилителя к обкладкам пьезоэлементов последней секции пьеэопакета. Первый вход первого дополнительного дифференциального усилителя подключен к выходу измерительного преобразователя

1784949 первой секции. а второй вход этого усилителя подключен к выходу дифференциального усилителя сигнала ошибки положения подвижного штока в основном контуре регулирования. Таким образом, на выходе первого .дополнительного дифференциального усилителя формируется сигнал ошибки первой секции, который отрабатывается пьезоэлементами второй секции, Второй дополнительный дифференциальный усилитель связан своими входами соответственно с выходом измерительного преобразователя второй секции и выходом первого дополнительного дифференциального усилителя. На его выходе формируется сигнал ошибки положения второй секции, который подается и отрабатывается пьезоэлементами третьей секции. Каждый последующий дополнительный дифференциальный усилитель формирует сигнал ошибки соответствующей секции, который отрабатывается пьезоэлементами следующей . секции.

Пьезоэлементы последней секции отрабатывают сигнал ошибки предпоследней секции.

Повышение статической точности регулирования положения подвижного штока исполнительного механизма связано с тем. что частичная линеаризация и стабилизация характеристик элементов исполнительного тракта основного контура регулирования (высоковольтный усилитель напряжения— первая секция пьезопакета) достигается корректирующим действием второй секции пьезопакета, работающей по ошибке положения первой секции. В свою очередь, ошибки положения второй секции корректируются с помощью третьей секции. Так как максимальная ошибка каждой секции иэ-за нелинейности и нестабильности составляет порядка О,ÇS (30%), где S — диапазон перемещений, то при наличии одной основной и одной корректирующей секции суммарная ошибка будет составлять уже 0,3 (0,33)=0,09 (9%), в случае двух корректирующих секций 0,3(0,09S)=0,027 (2,7%), в общем

ll случае yo = П y), где у — приведенная по .=1 грешность секции, уо — приведенная погрешность пьезопакета. Благодаря корректирующему действию вспомогательных секций коэффициент усиления разомкнутой цепи основного контура регулирования может быть значительно уменьшен, в частности для трехсекционного пьезопакета (один основной — два корректирующих) более чем в 10 раз. Это не только повышает запас устойчивости, но и улучшает качество переходного процесса

{снижение перерегулирования). Повышение динамической точности регулирования связано с тем, что наличие корректирующих секций обеспечивает, во-первых. частичную компенсацию инерционности, обусловлен-. ной емкостными свойствами пьезоэлементов (подьем АЧХ разомкнутой цепи основного контура регулирования), и, вовторых, уменьшение фазового сдвига из-за гистеризиса и влияния инерционности элементов. Это позволяет расширить частотный диапазон исполнительного механизма, уменьшить время переходного процесса без увеличения коэффициента усиления разомкнутой цепи основного контура регули10

15 рования. . На чертеже показан пример выполнения исполнительного механизма микроперемещений с трехсекционным пьезопакетом.

Он состоит из электромеханического исполнительного устройства и блока управления, Электромеханическое исполнительное устройство содержит трехсекционный пьезопакет, включающий первую 1, вторую

2 и третью 3 секции пьезоэлементов, изолиpoBBHHblx между собой прокладками 4 и 5, подвижный шток 6, датчик положения 7 подвижного штока, датчики положения 8. 9

30 отсчетной поверхности первой и второй секций соответственно, а также элементы корпуса 10. Блок управления включает задатчик перемещения 11 подвижного штока, измеpMTeJlbllblA преобразователь 12 сигнала с датчика положения подвижного штока, из35 мерительные преобразователи 13, 14 сигналов с датчиков поло>кения отсчетной поверхности первой и второй секций пьезоэлементов соответственно, дифференциальный усилитель 15 сигнала ошибки

40 положения подви>кного штока. дифференциальные усилители 16 и 17 сигналов ошибпервой и второй секций соответственно, высоковольтные усилители напряжения 18, 19

50 и 20 для каждой из секций пьезопакета.

Исполнительный механизм микроперемещений работает следующим образом.

Требуемое перемещение подвижного штока б задается с помощью задатчика 11, подключенного к одному из входов диффеpe i циал ь ного усилителя 15. На второй вход дифференциального усилителя .15 поступает сигнал измерительной информации с датчика положения подвижного штока 6, преобразованный измерительным преобразователем 12. В результате сравнения задающего и выходного сигналов на выходе дифференциального усилителя 15 формируется сигнал ошибки положения подвижного

25 ки положения отсчетной поверхности

1784949

8 штока, который усиливается высоковольтным усилителем напряжения 18 и отрабатывается пьезоэлементами первой секции пьезопакета. 1ак работает основной контур регулирования положения подвижного штока. Вторая и третья секции пьезопакета служатдля повышения качества регулирования основного контура, Последнее достигается использованием установленных в первой и второй секциях датчиков положения отсчетных поверхностей этих секций 8 и 9. Сигнал измерительной информации с датчика положения отсчетной поверхности первой сек ции 8 после преобразования измерительным преобразователем 13 поступает на один из входов дифференциального усилителя 16, на второй вход которого поступает выходной сигнал с дифференциального усилителя 15, являющийся задающим сигналом для первой секции. На выходе дифференциального усилителя 16 формируется сигнал ошибки положения отсчетной поверхности первой секции. который после усиления высоковольтным усилителем 19 подается для отработки на пьезоэлементы второй секции, В свою очередь, сигнал ошибки положения отсчетной поверхности второй секции, формируемый с помощью датчика

rion0>KeHMA 9, измерительного преобразователя 14 и дифференциального усилителя 17, подключенного одним из входов к выходу дифференциального усилителя 16. поступает для отработки на высоковольтный усили тель 20 и далее на пьезоэлементы третьей секции, Благодаря корректирующему действию пьезоэлементов второй и третьей секций значительно повышается запас устойчивости, а также статическая и динамическая точность регулирования положения подви>кного штока основным контуром регулирования.

Ф,,о р м у л а и з о б р е т е н и я

ЙСполнительный механизм микроперемещений, содержащий электромеханическое исполнительное устройство, выполненное в виде установленного в корпусе пьезопакета с подвижным штоком и соосным ему датчиком положения подои>кного штока, а также блок управления, включающий задатчик перемещения подвижного. штОка, дифферен циал ьн ый усилитель сиг-. нала ошибки положения подви>кного штока. подключенный первым входом к выходу задатчика перемещения подои>кного штока, высоковольтный усилитель напряжения, вход которого подключен к выходу дифференциального усилителя сигнала ошибки поло>кения подвижного штока, и измерительный преобразователь, связанный с датчиком положения подвижного штока и подключенный выходом к второму входу дифференциального усилителя сигнала

10 ошибки положения подвижного штока, о тдый из которых подключен входом к выходу соответствующего дбпопнитепьнага дифференциального усилителя, выход высоковольтного усилителя напряжения подключен к обкладкам пьезоэлементов первой секции пьезопакета, выход каждого дополнительного высоковольтного усилителя напряжения подключен к обкладкам пье45 зоэлементов каждой последующей секции пьезопакета, второй вход первого дополнительного дифференциального усилителя подключен к выходу дифференциального усилителя сигнала ошибки положения подоижнога штока, второй вход каждого последующего дополнительного дифференциального усилителя подключен к выходу предыдущего дополнительного дифференциального усилителя.

50 л и ч а и шийся тем, что, с целью повышения статической и динамической точности, пьезапакет выполнен в виде набора отдельных секций из многослойной пьезокерами15 ки, установленных последовательно и изолированных друг от друга с помощью прокладок причем каждая секция пьезопакета, кроме последней, снабжена датчиком пало>кения отсчетной поверхности секции

20 относительно ее базовой поверхности, при«ем неподвижный чувствительный элемент датчиков положения отсчетной поверхности секции закреплен на прокладке в основании секции, а подвижный чувствйтельный эле25 мент закреплен на прокладке, установлен-.. ной на отсчетной поверхности секции, блок управления оснащен дополнительными измерительными преобразователями, каждый из которых связан с датчиком поло>кения

30 отсчетной поверхности соотоетствующей секции, дополнительными дифференциальными усилителями, первый вход каждого из которых соединен с выходом соответстоующего дополнительного измерительного пре35 образователя, дополнительными высоковольтными усилителями напряжения, каж17S4949

Составитель Ю.Николаев

Редактор Т.Орловская Техред M.MoðãåHòàë Корректор О.Юрковецкая

Закаэ 4364 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35.. Раушская наб„4/5

Проиэводственно-иэдательский комбинат "Патент", г, Ужгород, уп.Гагарина. 101