Способ позиционного управления стрикционным механизмом

 

Изобретение относится к электротехнике и автоматике и может быть использовано в оптико-механических, электромеханических и электронных приборах. Цель изобретения - повышение динамической точности позиционирования. Цель достигается тем, что при максимальном быстродействии время регулирования положения нагрузки сокращается до T_м/2 ( T_м - период свободных колебаний стрикционного исполнительного механизма с нагрузкой) за счет поперечной деформации стрикционного исполнительного механизма в момент времени первого равенства нулю разностного сигнала от ступенчатого сигнала задания и измеренного сигнала выходной координаты с помощью поперечного управляющего воздействия, пропорционального максимальной величине разностного сигнала. Система, реализующая предлагаемый способ, содержит блок 1 задания, усилитель 2, стрикционный механизм 3, нагрузку 4, датчик 5 положения, усилитель 6 поперечной деформации и ключ 7. 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике и автоматике и может быть использовано при создании систем управления стрикционными исполнительными механизмами дискретного действия для прецизионных перемещений в оптико-механических, электромеханических и электронных приборах.

Известен способ построения системы управления, позволяющий задемпфировать исполнительный орган за период свободных колебаний Т_м = 20 π путем формирования управляющего воздействия по одному каналу управления [1] .

Недостаток способа заключен в невозможности задемпфировать исполнительный орган меньше, чем за 2 π .

Наиболее близким к заявляемому является способ управления пьезодвигателем, заключающийся в том, что измеряют действительное положение выходной координаты пьезодвигателя, определяют рассогласование между заданным и действительным положениями выходной координаты, формируют управляющее воздействие на пьезодвигатель в зависимости от рассогласования, при этом управляющее воздействие на пьезодвигатель формируют в дискретные моменты времени с интервалом, равным половине периода собственных колебаний пьезодвигателя, как сумму управляющего воздействия и величины рассогласования, соответствующей предыдущему моменту времени, и величины рассогласования, соответствующей текущему моменту времени [2] .

Недостаток способа управления также заключен в невозможности задемпфировать пьезодвигатель меньше, чем за 2 π .

Целью изобретения является повышение динамической точности позиционирования.

Цель достигается тем, что фиксируют максимальную величину разностного сигнала, пропорционально ей формируют поперечное управляющее воздействие и подают его на вход поперечной деформации стрикционного исполнительного механизма в момент первого равенства нулю разностного сигнала.

Для стрикционных материалов справедливо правило Акулова: λ_поп= -ν·λ_прод , где ν - коэффициент Пуассона стрикционного материала; λ_поп - поперечная стрикция; λ_прод - продольная стрикция. Из этой формулы следует, что при подаче ступени управляющего воздействия продольной деформации исполнительный механизм продольно удлиняется, а поперечно сокращается. При подаче ступени управляющего воздействия поперечной деформации исполнительный механизм поперечно удлиняется и сокращается продольно. Следовательно, существует возможность активно задемпфировать продольные свободные колебания исполнительного механизма путем возбуждения поперечной механической деформации стрикционного исполнительного механизма в момент времени первого равенства нулю разностного сигнала с помощью поперечного управляющего воздействия, пропорционального максимальной величине разностного (максимума сигнала рассогласования). При этом фазы свободных колебаний от продольной и поперечной механических деформаций сдвинуты относительно друг друга на половину периода продольных свободных колебаний и должны взаимокомпенсироваться. Однако полная взаимокомпенсация происходит тогда, когда постоянные времени колебаний стрикционного механизма в продольном и поперечном направлениях одинаковы: Т_мпоп = Т_мпрод. Для стрикционного механизма, описанного колебательным звеном второго порядка, это равенство соответствует равенству коэффициентов упругости в продольном и поперечном направлениях: E·S_прод/l_прод = G·S_поп/l_поп, где Е - продольный модуль упругости; G - поперечный модуль упругости; S_прод, S_поп, l_прод, l_поп - сечения и длины соответственно в продольном и поперечном направлениях.

На фиг. 1 представлен первый вариант устройства, реализующий предлагаемый способ; на фиг. 2 - временные диаграммы работы пьезомеханизма, поясняющие действие способа первого варианта устройства, где U_пр = f(t) - изменение ступени управляющего воздействия продольной механической деформации; U_расс = f(t) - изменение управляющего воздействия поперечной деформации; Δ_пр= f(U_пр) - статическая продольная электромеханическая характеристика пьезомеханизма; Δ_пр = f(t) - временная зависимость продольного перемещения нагрузки; Δ_поп = f(t) - временная зависимость поперечного перемещения нагрузки; Δ_поп = f(U_расс) - стическая поперечная электромеханическая характеристика пьезомеханизма; на фиг. 3 представлен второй вариант устройства, реализующий предлагаемый способ; на фиг. 4 - временные диаграммы магнитострикционного механизма, поясняющие действие способа второго варианта устройства, где Н_пр = f(t) - изменение ступени намагничивающего поля продольной механической деформации; Н_поп = f(t) - изменение импульса намагничивающего поля поперечной механической деформации; Δ_пр= f(H_пр) - продольная магнитомеханическая характеристика магнитострикционного механизма; Δ_поп = f(H_поп) - поперечная магнитомеханическая характеристика магнитострикционного механизма; Δ_пр= f(t) - продольная временная зависимость перемещения нагрузки; Δ_поп = f(t) - поперечная временная зависимость перемещения нагрузки.

В качестве стрикционного механизма на фиг. 2 может быть применен магнитострикционный механизм, а на фиг. 4 - пьезомеханизм.

Устройство позиционирования по фиг. 1 содержит блок 1 задания, усилитель 2, стрикционный механизм 3, нагрузку 4, датчик 5 положения, усилитель 6 поперечной деформации и ключ 7.

Устройство позиционирования по фиг. 3 содержит кроме описанных блоков ключ 8.

Работа каждого устройства включает в себя два этапа: этап тренировки и рабочий этап. На этапе тренировки фиксируют максимум разностного сигнала.

Блок 1 задания представляет собой программное устройство. Он включает в себя устройство управления (процессор), устройство определения экстремума, ЦАП, АЦП, сумматоры, регистры хранения, счетчики, компаратор. Однако алгоритм работы блока задания каждого устройства свой.

Устройство по фиг. 1 и 2 работает следующим образом.

Этап тренировки. Блок 1 задания формирует ступень заданного управляющего воздействия максимально возможной величины a_макс через ЦАП в канал продольного перемещения. В момент равенства нулю разностного сигнала или равенства сигналов заданного и действительного положения выходной координаты блок 1 задания формирует сигнал ν на переключение ключа 7 из положения V1 в положение V2, при этом сигнал рассогласования U_расс поступает через усилитель 6 поперечной деформации в канал поперечного перемещения. В блоке 1 происходит вычисление (a_макс-κ_макс)/a_макс≅ε, где κ_макс= a_макс+ζ_макс - максимальное отклонение сигнала действительного положения выходной координаты; ε- заданная точность вычисления; ζ - максимум рассогласования сигналов заданного и действительного положения выходной координаты. Ключ 7 переключается в положение V1, и ступень максимального заданного управляющего воздействия снимают. Если соотношение (1) не выполняется, то блок 1 задания дискретно изменяет коэффициент усиления усилителя 6 сигналом β и указанные ранее действия повторяются до выполнения соотношения (1).

Рабочий этап.

Пусть пьезомеханизм находится в устойчивом положении, соответствующем величине - Δ_m, при этом пьезомеханизм сжат отрицательным напряжением. В зависимости от требуемого перемещения нагрузки блок 1 задания формирует ступень управляющего воздействия а меньшей или равной по величине ступени а_макс. В момент равенства нулю разностного сигнала (момент времени t_с) блок 1 задания вырабатывает сигнал ν на переключение ключа 7 из положения V1 в положение V2. Выходной сигнал действительного положения выходной координаты, усиливаясь в усилителе 6, поступает на контактные пластины поперечной механической деформации. Происходит активное демпфирование свободных продольных колебаний (кривая в на фиг. 2). На фиг. 2 свободные колебания а происходят от ступени заданного управляющего воздействия продольной механической деформации, а свободные колебания б - от сигнала рассогласования поперечной механической деформации. По достижении нагрузок заданного положения Δ_m блок 1 задания снимает сигнал ν и ключ 7 возвращается в положение V1. Аналогично происходит возвращение нагрузки в исходное положение по прекращении действия ступени заданного управляющего воздействия продольной механической деформации длительности Т_им.

Приведенное устройство обладает универсальностью, так как позволяет демпфировать продольные свободные колебания стрикционного исполнительного механизма, работающего как на постоянную, так и на упругую нагрузку, за время Т_м/2.

Устройство по фиг. 3 и 4 работает следующим образом.

Этап тренировки.

Исходное положение ключей: ключ 7 находится в положении V1, ключ 8 - в положении V4. Блок 1 задания формирует ступень заданного управляющего воздействия максимально возможной величины а_макс через ЦАП и ключ 8 в канал продольного перемещения. Запоминаются в блоке задания величина максимума рассогласования ζ_1макс= κ_1макс-a_1макc заданного и действительного положения выходной координаты и интервал времени (Т_м/2 - t_c). Блок 1 задания формирует импульс δ на переключение ключа 8 в положение V3, формируя тем самым срез ступени управляющего воздействия продольной механической деформации. Запоминаются в блоке 1 задания величина максимума рассогласования ζ_2мкас= κ_2макс-a_2макс и интервал времени (Т_м/2 - t_c)₂. Блок задания формирует сигнал ν длительности (Т_м/2- t_c)₁ на коммутацию ключа 7 в положение V2 максимальной величины сигнала заданного а_макс, тем самым формируя импульс, который, усиливаясь, поступает в канал поперечной деформации стрикционного механизма. Сравнивают максимум рассогласования ζ_1макс с максимумом рассогласования ζ_1макс^I действительного положения выходной координаты от импульса, поданного в канал поперечной деформации. Если сигналы не равны, то блок 1 задания формирует сигнал β на дискретное изменение коэффициента усиления усилителя 6 и предыдущее действие повторяют до равенства ζ_1макс= ζ_1макс^I. Запоминают значение сигнала β_1макскоэффициента усиления усилителя 6. Блок 1 задания формирует сигнал νдлительности (Т_м/2 - t_c)₂ на коммутацию ключа 7 и положение V2 максимальной величины сигнала задания а_макс. Сравнивают максимум рассогласования ζ_2макс с максимумом рассогласования ζ_2макс^Iдействительного положения выходной координаты от импульса. Если сигналы не равны, то блок 1 задания формирует сигнал β на дискретное изменение коэффициента усиления усилителя 6 и предыдущее действие повторяют до равенства ζ_2макс= ζ_2макс^I . Запоминают значение β_2макс коэффициента усиления усилителя 6.

Рабочий этап.

Ключи 7 и 8 находятся в исходном положении V4 и V1. Пусть исходное положение магнитострикционного механизма соответствует рабочей точке О на зависимости Δ_пр = f(H_пр) (фиг. 4). Блок 1 задания формирует сигнал β_1макс и ступень управляющего воздействия a≅a_макс на обмотку продольного намагничивания. В момент времени t_c равенства сигнала заданного и действительного положения выходной координаты, характеризующего быстродействие достижения заданного перемещения, блок 1 задания формирует сигнал ν на коммутацию ключа 7 в положение V2 на время (T_м/2 - t_c)₁. Сформированный таким образом импульс величины а поступает на обмотку намагничивания, создающую поперечное магнитное поле. Происходит наложение свободных колебаний а и б на фиг. 4 от ступени и импульса и их взаимоуничтожение - в.

Процесс восстановления исходного положения магнитострикционного исполнительного механизма осуществляется следующим образом.

Блок 1 задания формирует сигнал β_2макс и импульс δна переключение ключа 8 в положение V3. В момент равенства нулю разностного сигнала блок задания формирует импульс ν на переключение ключа 7 в положение V2 на время (Т_м/2 - t_c)₂. В результате свободные колебания исполнительного механизма от действия среза ступени и импульса взаимокомпенсируются, а время регулирования уменьшается до Т_м/2.

Отличие интервала времени (Т_м/2 - t_c)₁ от (T_м/2 - t_c)₂ для магнитострикционного механизма обусловлено изменением его модуля упругости при намагничивании.

Таким образом, заявляемый способ повышает динамическую точность позиционирования нагрузки и обеспечивает максимально возможное время регулирования, равное половине периода Т_м/2 свободных продольных колебаний стрикционного механизма с нагрузкой.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЗИЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ СТРИКЦИОННЫМ МЕХАНИЗМОМ, заключающийся в формировании управляющего воздействия, создающего продольную механическую деформацию, пропорционально сигналу разности между ступенчатым задающим сигналом и измеренным значением текущего положения выходной координаты стрикционного механизма в дискретные моменты времени, отличающийся тем, что, с целью повышения динамической точности позиционирования в моменты равенства нулю сигнала разности дополнительно формируют управляющее воздействие, создающее поперечную механическую деформацию с интенсивностью, равной максимальной величине сигнала разности, и длительностью T_m/2, где T_m - период свободных колебаний стрикционного исполнительного механизма с нагрузкой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4