Пьезоэлектрический двигатель вращения - как элемент автоматических систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Коваленко, Валерий Анатольевич

• Коваленко, Валерий Анатольевич
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Коваленко, Валерий Анатольевич

Введение

1. Классификация пьезодвигателей и постановка задачи

2. Отличительные особенности пьезоэлектрических двигателей вращения

3. Конструкция и принцип действия пьезоэлектрических двигателей

вращения типа ПД

Глава 1. Основные свойства пьезоэлектрических резонаторов

1.1. Пьезоэффект и свойства пьезоэлектрических материалов

1.2. Основные характеристики, электромеханическая модель и

получение передаточной функции пьезопреобразователя

1.3. Идентификация параметров модели пьезоэлемента

1.4. Передаточная функция пьезоэлемента как звена с

амплитудной модуляцией

1.5. Способы стабилизации колебательной скорости пьезоэлемента

1.6. Выводы по главе 1

Глава 2. Основные характеристики, механическая модель и электрическая схема замещения механического преобразователя колебательного движения во вращательное

2.1. Упрощенная механическая модель преобразователя колебательного движения во вращательное

2.2. Электрическая схема замещения механического преобразователя колебательного движения во вращательное

2.3. Выводы по главе 2

Глава 3. Синтез модели (схемы замещения) пьезоэлектрических

двигателей вращения типа ПД

3.1. Экспериментальная установка для исследования мехатронных систем

3.2. Экспериментальные характеристики ПДВ

стр.

3.3. Синтез электромеханической модели ПДВ и идентификация ее параметров

3.4. Методика идентификации параметров схемы замещения пьезодвигателя

3.5. Выводы по Главе 3

Глава 4. Способы управления скоростью вращения ПДВ и их

схемотехнические реализации

4.1. Анализ способов управления скоростью пьезодвигателей

4.2. Схемотехнические решения. Реализация и синтез электронных

схем управления ПДВ

4.3. Экспериментальное исследование ПДВ в составе автоматических систем, замкнутых по положению и скорости

4.4. Выводы по главе 4

Заключение

Список литературы

Приложение 1. Программное обеспечение комплекса

для исследования мехатронных систем

Приложение 2. Электрическая принципиальная схема импульсного

устройства управления ПДВ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Пьезоэлектрический двигатель вращения - как элемент автоматических систем»

В ведение.

На современном этапе научно-технического прогресса разработаны новые технические средства, основанные на использовании известных физических явлений и эффектов. В частности к ним относятся пьезоэлектрические двигатели вращения (ПДВ) [1,2,3]. В литературе эти двигатели часто называются вибродвигателями [4,5] (в зарубежной литературе - ultrasonic motors (USMs) [6,7]). Это название охватывает широкий класс устройств, работа которых основана на принципе преобразования ультразвуковых колебаний в перемещение. Так как тип преобразователя может быть электромагнитным, электродинамическим, магнитострикционным и т.п., а в данной работе рассматриваются двигатели только с пьезоэлектрическими преобразователями, то в дальнейшем будем их называть пьезоэлектрическими двигателями.

Принцип действия пьезоэлектрических двигателей основан на использовании обратного пьезоэффекта. Как известно, прямой пьезоэлектрический эффект, открытый в 1880 г. Пьером и Жаком Кюри, заключается в возникновении на противоположных поверхностях твердого тела при его деформации (например, сжатии или растяжении) одинаковых по величине, но разноименных электрических зарядов, а обратный пьезоэффект - соответственно в возникновении механических деформаций при приложении сил электрического поля к пьезоэлектрикам. Число природных пьезоэлектрических материалов превышает тысячу, хотя используется очень небольшое число соединений.

Практическое применение пьезоэлектриков началось в годы первой мировой войны, когда французский физик Пьер Ланжевен (Langevin) показал, что кварцевые пластины могут быть приведены в колебание переменным электрическим полем, и предложил применить (в 1916 г.)

излучаемый при этом мощный ультразвук для подводной сигнализации и измерения глубин.

Следующим большим сдвигом было открытие Кэди У. : колеблющийся с резонансной частотой кварц оказывает на возбуждающее его переменное электрическое поле стабилизирующее действие [8]. Это послужило началом широкого использования кварца для генерации и фильтрации радиочастот.

Открытие в 1944-1945 гг. одновременно советскими, японскими, и американскими исследователями сегнетоэлектрических свойств у керамического титаната бария дало возможность применить пьезокерамические преобразователи. Специальной обработкой керамических пьезоматериалов и приданием определенной формы изделиям из них удается добиться направленных механических деформаций при организации электрического поля необходимого направления. Пьезокерамика из-за технологичности и низкой себестоимости изготовления быстро заменила пьезокристаллы во многих практических применениях. И, наконец, почти одновременное изобретение пьезодвигателей вращения в начале 1970-х: В.В. Лавриненко (в СССР), H.V. Barth (в США.), Toshiiku Sashida (в Японии) стало началом развития вибропривода. В дальнейшем зарубежные разработчики сосредоточили основное внимание на проектировании волновых пьезодвигателей (по причине принадлежащего им патента). Хотя в основу их работы положен принцип бегущей волны, отличающийся от принципа работы рассматриваемых в диссертации двигателей, но в них достаточно много общего. В СССР в основном велись разработки пьезодвигателей обычного типа. В настоящее время пьезодвигатели нашли свое практическое применение. В Японии в начале 80-х компании Canon, Matsushita, Sony, Nippon Kogaku и др. анонсировали о разработке волновых двигателей (travelling wave ultrasonic motor) для промышленности, а в 1987 компания Canon объявила об их использовании в фотокамерах серии EOS и EF для механизма автофокусировки (рис.0.1) [9-12].

Рис.0.2.

Американское космическое агентство NASA/JPL объявило о разработке высоко-моментных волновых пьезодвигателей вращения, предназначенных для использования в приводах манипулятора марсохода Mars Micro Lander (рис.0.2) [13].

Волновые пьезодвигатели нашли также применение в зарубежной военной промышленности. Так корпорация Aerotech (США) объявила об окончании первой фазы трех стадийного контракта с (Ballistic Missile Defense Organization (BMDO)) Организацией по противоракетной обороне США по разработке таких двигателей для применения в системах противоракетной обороны (ПРО) (SBIR - space-based interceptor rocket)

(http://www.acq.osd.mil/bmdo/bmdolink/html/). Aerotech разработала две различные подсистемы, основанные на использовании пьезодвигателей для применения в ракетной технике. Первая из них (flight control surface actuation system) система управления полетом ракет Tomahawk, вторая (safe/arm fusing device for missiles) система приведения в боевое действие заряда ракет (снятия с предохранителя). На рис. 0.3 изображен один из таких двигателей производящийся на заводе в Канзас Сити (DOE/AlliedSignal's Kansas City Plant (KCP)) (http://www.em.doe.gov/rtcl994/kcp.html).

Рис.0.3.

Существуют перспективы использования двигателей в оборудовании для создания полупроводников, в оптике, в устройствах предназначенных для работы в специальных и экстремальных средах, а также в бытовых электрических приборах (рис. 0.4). По оценкам западных экономистов общая сумма от продаж пьезодвигателей в 1998 году превысит 150 миллионов долларов. В МГТУ им. Н. Э. Баумана исследования по использованию пьезодвигателей обычного типа ведутся более десяти лет. Основное применение такие двигатели нашли в приводах оптических систем.

Рис.0.4.

1. Классификация пьезодвигателей и постановка задачи.

В простейшем варианте принцип действия пьезоэлектрического двигателя обычного типа можно объяснить следующим образом. Так, если из пьезокерамики изготовлен брусок с прямоугольным сечением, то при создании в нём электрического поля его длина увеличивается или уменьшается в зависимости от напряженности этого поля. При приложении к пьезоэлементу переменного электрического поля в нем возникает механическая бегущая волна. Амплитуда этой волны максимальна, если на длине пьезоэлемента укладывается целое число полуволн. Это условие выполняется для определенных частот возбуждения пьезопластины, названных резонансными или модами колебаний. На этих частотах амплитуды механического напряжения, колебательной скорости и перемещения максимальны.

1 2

Рис. 0.5

На рис. 0.5 показана простейшая конструкция двигателя. На обкладки пьезоэлемента 1 подается напряжение переменного тока, вызывающее перемещение толкателя 2. В течение времени удлинения пьезоэлемента 1

пластинка 2 толкает ротор 3, а во время сокращения - проскальзывает по ротору и он движется по инерции. Существует много конструкций пьезодвигателей, в основу которых положены различные принципы использования пьезоэффекта [1,2].

Рис.0.6.

Функционирование большинства из них можно представить обобщенной структурной схемой вибродвигателя, к подклассу которого относится пьезоэлектрический двигатель (рис.0.6) [4]. Генератор электрических колебаний 1 подключен к управляющему устройству 2,

осуществляющему соответственно с сигналом управления X)

преобразование электрического напряжения, поступающего на электроды электромеханического преобразователя (пьезоэлемента) 3. Сигнал управления Н((, X) может зависеть не только от времени, но и от координат и скоростей подвижного звена преобразователя 3. Электромеханический преобразователь 3 трансформирует электрическое напряжение в поступательные или крутильные колебания. Благодаря механическому преобразователю, построенному на механической нелинейности 4 (силе трения) в зоне контакта промежуточного упругого элемента 5 (с жесткостью С/) с подвижным звеном 6 (обладающего массой или моментом инерции), эти колебания преобразуются в перемещение. Промежуточный упругий элемент 5 может отсутствовать, но в этом случае, как правило, его функции выполняет сам электромеханический преобразователь 3, воспринимающий нагрузку по другой координате. Показанные обратные связи реализуются между: а) преобразователем 3 и генератором 1 для стабилизации колебаний при действии различных дестабилизирующих факторов: старения, температуры, и т.п.; б) преобразователем 3 и устройством управления 2 - для линеаризации и стабилизации регулировочных и механических характеристик; в) подвижным звеном 6 и устройством управления 2 - для стабилизации скорости и управления положением звена 6.

В соответствии с этой схемой пьезодвигатели можно разделить на следующие группы. 1. По виду нелинейности:

а) двигатели с косым соударением,

б) с фрикционной анизотропностью,

в) асимметрическими циклами колебаний,

г) с управляемою связью в контакте,

е) устройства с внешним моментом.

2. По виду движения: а) вращательного, б) поступательного и в) сложного движения.

3. По способу генерации колебаний:

а) резонансные,

б) широкополосные.

4. По режиму движения:

а) безударного движения, когда контакт между преобразователем и подвижным звеном не нарушается,

б) ударного движения, когда контакт нарушается,

в) движение со сжимаемой воздушной пленкой, резко снижающей момент или силу перемещения.

5. По характеру движения:

а) с непрерывным или колебательным движением подвижного звена,

б) шаговые, с регулируемой величиной и периодом повторения шага;

в) старт-стопные.

6. По способу управления скоростью подвижного звена:

а) с амплитудной модуляцией колебаний,

б) с частотной модуляцией колебаний;

в) с фазовой модуляцией колебаний;

г) со смешанной модуляцией (как совокупность вышеперечисленных);

д) с изменением параметров управляемой нелинейности.

7. По возможности изменения знака движения:

а) нереверсивные,

б) реверсивные с реверсом, осуществляемым изменением частоты, амплитуды или фазы питающего напряжения;

в) реверсивные с реверсом, осуществляемым переключением ступеней двигателя, т. е. по существу отдельными двигателями, объединенных кинематической связью;

- 12г) реверсивные с реверсом путем изменения силы упругого натяга в зоне контакта.

8. По синхронизму движения:

а) асинхронные,

б) синхронные.

Синхронизм может быть обеспечен введением внешних связей.

9. По наличию обратной связи:

а) разомкнутые,

б) замкнутые с обратной связью по положению, скорости, ускорению или силам, действующим в зоне контакта.

10. По размещению электромеханического преобразователя (пьезоэлемента):

а) с активным ротором - преобразователь находится в роторе,

б) с пассивным ротором - преобразователь размещается в статоре. Таким образом, пьезоэлектрический двигатель можно отнести к

классу мехатронных систем, так как его функционирование в отличие от обычных двигателей неосуществимо без электронной схемы управления, которая входит в состав двигателя и во многом определяет его свойства.

Следует отметить, что по сравнению с другими видами электрических двигателей пьезодвигатели вращения (ПДВ) обладают следующими отличительными особенностями [3].

• Отсутствие обмоток с медным проводом, простота и технологичность конструкции, относительная дешевизна конструкционных материалов позволяют получить недорогой и сравнительно надежный электродвигатель.

• В соответствии с принципом действия ПДВ, из-за механического контакта толкателей с внутренней поверхностью ротора этот двигатель является самотормозящимся, т.е. при снятии питающего напряжения его ротор остается в заторможенном состоянии.

• Для ПДВ характерны низкие значения номинальной частоты вращения (20...200 об/мин) и сравнительно большие значения момента нагрузки на валу двигателя (до 1,5 нм).

• Конструкция ПДВ позволяет сравнительно просто выполнить его в защищенном исполнении, позволяющем эксплуатировать двигатель в специальных средах.

• ПДВ обладают малыми постоянными времени разгона и торможения (от долей до нескольких миллисекунд).

• ПДВ потенциально обладают высокой точностью позиционирования.

Эти вышеперечисленные особенности открывают хорошие перспективы

для использования ПДВ в высокоточных автоматических системах, в частности в следящих безредукторных приводах. Но, вместе с тем, существующие модели недостаточно полно отражают физические явления, происходящие в двигателе. Кроме того, недостаточная изученность характеристик двигателя, неполная информация о его параметрах не позволяют разрабатывать качественные устройства управления, обеспечивающие заданные свойства, что сильно сдерживает широкое использование ПДВ.

При экспериментальном исследовании и изучении литературы было выяснено, что электромеханическая часть двигателя, включающая пьезоэлемент и механический преобразователь колебаний во вращательное движение, обладает нелинейными характеристиками, зависящими от многих факторов, таких как температура, внешний момент, напряжение питания и т.п., что сильно затрудняет их использование [1, 2, 4, 8]. Кроме того, характеристики двигателя существенно зависят от реализации электронного устройства управления и примененных в нем способов модуляции электрического сигнала. В связи с этим для получения удовлетворительных

характеристик двигателя необходима разработка специализированных схем управления скоростью ПДВ.

Таким образом, целью данной работы является разработка и исследование математической модели пьезоэлектрических двигателей вращения и методика проектирования устройств управления такими элементами для использования в автоматическом следящем приводе.

Устройства управления ПДВ должны обеспечить выполнение следующего требования:

• система "двигатель - устройство управления" должна обладать однозначными и стабильными характеристиками, близкими к линейным.

Данный подход позволяет строить следящие системы на его основе с помощью хорошо изученных классических методов теории линейных систем автоматического управления.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Уточнить основные характеристики ПДВ применительно к использованию их в автоматических системах.

• Разработать модель электромеханической части двигателя с точностью, требуемой для задачи синтеза устройства управления (это включает определение электрической схемы замещения и статических электромеханических характеристик).

• Определить способы управления, обеспечивающие однозначные и стабильные характеристики ПДВ, близкие к линейным. На основе этих способов создать и обосновать методы синтеза устройств управления ПДВ для использования двигателей в составе автоматических систем.

• Определить класс автоматических систем, в которых целесообразно применять ПДВ.

Поставленные задачи решены с использованием методов теории автоматического управления, теории электрических цепей, электроники, пьезотехники, механики, математического моделирования.

Научная новизна работы состоит:

■ в создании модели пьезодвигателей типа ПД, пригодной для практического применения и доступной для анализа;

■ в создании методики идентификации параметров модели пьезодвигателя;

■ в определении приемлемых способов управления скоростью пьезодвигателя, пригодных для использования в автоматических системах;

■ разработке аналогового и импульсного электронных регуляторов,

реализующих эти способы;

■ разработке цифровых и аналоговых корректирующих устройств,

предназначенных для использования двигателя в составе замкнутых по положению и скорости автоматических систем.

Практическая ценность заключается в создании методики построения устройств управления скоростью ПДВ, обеспечивающих использование таких двигателей в системах автоматического управления, в том числе, в безредукторных приводах высокой точности.

Реализация результатов работы.

Теоретические и практические результаты, полученные в работе, использованы в НИР "НИИ СМ", связанных с управлением поворотными устройствами систем телевизионного наблюдения мобильных роботов, и для создания "Универсального аппаратно-программного комплекса для исследования и испытания мехатронных систем разработанного на

кафедре СМ7 МГТУ им. Н.Э. Баумана совместно с Вуз-прибором и МГТУ-Станкин для использования, как для научно-исследовательских работ, так и для учебных целей (проведения лабораторного практикума по специальностям, связанных с мехатроникой).

Апробация работы проводилась при обсуждении диссертационной работы на семинарах и конференциях МГТУ им. Баумана, и на Международной выставке "Учебная техника 96" проходившей в Нижнем Новгороде, где выставлялся "Универсальный аппаратно-программный комплекс для исследования и испытания мехатронных систем", разработанный при участии автора.

2. Отличительные особенности пьезоэлектрических двигателей

вращения типа ПД.

В данной работе рассмотрены пьезодвигатели вращения на примере двигателей серии ПД (ПД-28, ПД-46). В табл. 1 приведены основные характеристики выпущенных в виде опытных серий пьезодвигателей вращения [14]. В соответствии с изложенной выше классификацией по п. 1-4 двигатель относится к пьезоэлектрическим двигателям вращательного движения безударного типа, с фрикционной анизотропностью контакта и резонансным возбуждением пьезоэлемента. Классификация по п. 5-9 определяется устройством управления. Нереверсивный двигатель строится по схеме с пассивным ротором, а реверсивный - включает в себя два двигателя, объединенных кинематической связью. Один, из них является двигателем с пассивным ротором, а другой - с активным ротором. На рис.0.7 и рис.0.8 показана конструкция и внешний вид реверсивного двигателя типа ПД-28.

Рис. 0.7.

•"«■г

Рис.0.8.

Таблица 1.

Пьезоэлектрические двигатели вращения.

Пьезодвигатель ПД-20 ПД-28 ПД-46 ПД-57

Номинальный момент, Нм 0.08 0.35 0.70 1.20

Максимальный момент, Нм 0.15 0.60 1.50 2.50

Скорость вращения, об/мин. 100 60 30 20

Напряжение питания, В 40 60 60 60

Ток потребления, А 0.1 0.1 0.2 0.3

Частота питающего напряжения, кГц 74...78 54...58 36...38 30...34

Размеры нереверсивного, мм 35x12 50x20 70x20 86x20

Размеры реверсивного, мм 37x20 52x40 72x40 90x40

В.З. Конструкция и принцип действия пьезодвигателей вращения типа ПД.

Конструкция нереверсивного двигателя, положенная в основу далее рассматриваемых типов двигателей, упрощенно изображена на рис.0.9. Это - двигатели называемые в литературе "пьезодвигателями с выступающими прокладками" - стальными упругими пластинками (лепестками - толкателями) 3 [1, 15]. Благодаря пластинкам, выполняющим роль промежуточного упругого элемента, жесткость которых много меньше жесткости пьезоэлемента (рис. 0.9), они относятся к стабильному типу двигателей [15], т.е. внешние факторы - такие как внешний момент и амплитуда питающего напряжения - сравнительно мало влияют на изменение резонансной частоты двигателя. Они обладают внешним ротором 1, внутри которого находится кольцевой цилиндрический статорный пьезоэлемент 2, закрепленный вдоль внутренней образующей с помощью акустически изолирующего материала.

Рис. 0.9.

По его внешней образующей закреплены упругие стальные пластинки -толкатели 3, установленные под определенным углом к внутренней поверхности ротора и находящиеся с ним в механическом контакте с некоторым прижатием. При подаче напряжения переменного тока на обкладки статорного пьезоэлемента его внешняя поверхность вместе с закрепленными на ней стальными толкателями начинает совершать колебания с частотой сигнала переменного тока.

При этом положительная полуволна сигнала увеличивает диаметр пьезоэлектрического статора и через толкатели поворачивает внешний ротор на некоторый угол. Отрицательная полуволна приводит к уменьшению диаметра, в результате чего стальные толкатели проскальзывают относительно внутренней поверхности ротора. Это обеспечивается соответствующей длиной стальных толкателей и их установкой под определенным углом. Для получения максимально возможных перемещений система, состоящая из пьезостатора со стальными толкателями, вводится в электромеханический резонанс путем выбора частоты питающего напряжения.

Изменяя размеры, материал и взаимное положение статорного пьезоэлемента, ротора и толкателей, удается получить пьезодвигатели с различными значениями максимального момента и частоты вращения.

В соответствии с обобщенной схемой вибропривода (рис.0.2) электромеханическую часть пьезодвигателя можно представить в виде двух взаимосвязанных частей - электромеханического генератора колебаний 3 (пьезоэлемент) и механического преобразователя колебаний в непрерывное вращательное движение. Механический преобразователь состоит из промежуточного упругого элемента 4 (упругих стальных пластинок) взаимодействующего через неуправляемую нелинейность 5 (силу сухого трения) с подвижным элементом 6 (ротором).

Так как двигатель является связанной электромеханической системой, то сначала было проведено изучение и исследование электромеханических характеристик сепаратного пьезоэлемента, затем - механического преобразователя, и в заключение - двигателя в целом.

Надо заметить, что исследование динамики механической части двигателя при его работе сопряжено с определенными трудностями, так как рабочие частоты составляют десятки килогерц, а перемещения пластинок -микроны. Поэтому многие параметры можно получить косвенным путем с использованием методов прямых электромеханических аналогий [16, 17], измеряя электрические величины и сопоставляя их механическим и обратно. При этом идея исследования основана на том, что электрические частотные характеристики пьезоэлемента двигателя зависят от параметров механической нагрузки. Зная параметры ненагруженного пьезоэлемента, а затем, определив параметры нагруженного пьезоэлемента в двигателе, можно определить импеданс нагрузки. Если известна структурная схема механической нагрузки и ее схема замещения, справедливая в окрестности рабочих частот, а также механические статические параметры двигателя, то можно определить недостающие параметры и получить схему замещения всего двигателя. Статические параметры определяются экспериментально или берутся из паспортных данных двигателя.

Электрические, регулировочные и электромеханические характеристики определялись на специальной экспериментальной установке, описанной в Главе 3, с применением частотного анализатора "8о1аг1гоп 1170"[18].

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Коваленко, Валерий Анатольевич

4.4. Выводы по Главе 4.

На основании экспериментов, и учитывая анализ упрощенной схемы замещения двигателя, можно сделать следующие выводы.

Наиболее приемлемыми способами для построения устройств управления ПДВ типа ПД являются амплитудный и амплитудно-фазовый способы управления. При амплитудном способе управления выбор рабочей точки (рабочей частоты) должен осуществляться на правом склоне частотной характеристики пьезоэлемента двигателя, полученной при работе ПДВ в зоне нечувствительности (рис. 3.7, 3.8). В этом случае статические характеристики двигателя подобны характеристикам двигателя постоянного тока. Недостаток такого способа - недоиспользование скоростных свойств двигателя и возможность ухудшения работы при изменении температуры двигателя (пьезоэлемента). Для полного использования скоростных свойств двигателя необходимо применение амплитудно-фазового способа управления. В узком температурном диапазоне (от +15 до + 45 °С) дополнительных компенсирующих устройств для двигателей данного типа и использовании этих способов управления не требуются. Для более широкого температурного диапазона необходимо вводить компенсацию ухода резонансной частоты двигателя. Т. к. температурно-частотная характеристика этих двигателей линейна (рис.3.22), то компенсация легко осуществима путем ввода сигнала о температуре корпуса двигателя и использовании задающего генератора управляемого напряжением (ГУН) (например, при использовании широко распространенного интегрального термочувствительного элемента с линейной характеристикой типа 1019ЕМ1, ЬМ235 и т.п., и микросхемы ФАПЧ КР1561ГГ1, содержащей ГУН).

Устройства управления, реализованные с аналоговым выходным каскадом, обладают низким КПД, так как работают на емкостную нагрузку. Такого недостатка лишены импульсные устройства управления. Схема такого устройства, предлагаемого автором, приводится в Приложении. Данные устройства управления позволяют на их основе создавать как аналоговые, так и цифровые следящие привода, в том числе и при использовании ПДВ в шаговом режиме.

Если полоса пропускания таких систем, замкнутых по положению, намного меньше механической резонансной частоты пьезодвигателя вращения (более чем в 5 раз) и осуществлена компенсация его зоны нечувствительности, то для синтеза такой системы оказывается достаточным представление двигателя со схемой управления в виде интегратора с ограничением. Способ компенсации зоны нечувствительности зависит от реализации замкнутой системы, в которой планируется использовать ПДВ. Для цифровых систем предпочтительнее использовать программную динамическую компенсацию зоны нечувствительности. В случае аналоговых систем компенсация легко осуществима в устройстве управления ПДВ, путем подачи напряжений смещения на обе ступени двигателя. Для систем с полосой пропускания, близкой к механической резонансной частоте, требуется более точное описание ПДВ. В этом случае необходимо кроме интегратора в передаточную функцию двигателя вводить звено, учитывающее механический резонанс. Получаемая передаточная функция будет описывать поведение двигателя для наихудшего случая (ведь наибольшая колебательность переходного процесса по скорости в двигателе наблюдается в зоне нечувствительности, что соответствует механическому резонансу). Синтез систем с полосой пропускания большей, чем частота механического резонанса, очень сложен, так как в этом случае необходим учет нестационарности ПДВ как объекта управления.

В виду малого КПД двигателей данного типа их использование в системах, замкнутых по скорости, неэффективно. Т.е. двигатель рекомендуется использовать в микромощном безредукторном следящем приводе, замкнутом по положению. При этом дополнительных обратных связей кроме главной не требуется. Точность систем, построенных на основе ПДВ, в основном определяется точностью и разрешающей способностью примененных датчиков обратной связи.

Заключение.

В диссертации решен комплекс проблем, связанный с математическим описанием основ принципа работы и построением устройств управления пьезоэлектрических двигателей вращения типа ПД пригодных для использования в составе следящих систем.

В ходе работы получены следующие новые научно-технические результаты.

1.Уточнена классификация ПДВ и определено местоположение в ней пьезодвигателей типа ПД.

2. Получены уточненные экспериментальные характеристики данных типов двигателей, многие из которых приводятся впервые.

3. Получена уточненная модель пьезоэлектрических двигателей типа ПД, пригодная для синтеза систем управления. Модель приводится в виде электрических схем замещения, что важно для проектирования электронных устройств управления и в виде структурных схем автоматического управления. Она раскрывает принцип работы ПДВ и отражает его основные закономерности, т.е. характер зависимости статических и динамических характеристик двигателя от рабочей частоты и позволяет провести анализ возможных способов управления скоростью ПДВ. Теоретический анализ модели выявил ее ближайший механический аналог, известный из теории нелинейных систем, - колебание массы на нелинейной мягкой пружине. Основное отличие от классического аналога - изменение коэффициента жесткости пружины в зависимости от амплитуды колебаний ограничено.

4. Разработана методика идентификации параметров модели ПДВ. Методика позволяет на основе экспериментальных и паспортных данных двигателя достаточно просто определить параметры схем замещения. При достаточно большом выпуске двигателей и условии накопления статистической информации по технологическому разбросу возможно получение параметров схем замещения с учетом вероятностных отклонений.

5. Выявлены основные параметры, влияющие на работу ПДВ. Ими являются факторы, влияющие на параметрическую резонансную частоту двигателя. Это следующие внешние факторы: температура, амплитуда питающего напряжения и нагрузочный момент. Внутренними факторами являются старение пьезокерамики и изменения силы трения, вызванные технологическими факторами, такими как, неодинаковая шероховатость поверхности, несоосности и т.п., а также механическим износом трущихся деталей. Было установлено, что основным дестабилизирующим фактором, усложняющим реализацию устройства управления, является температурный уход резонансной частоты ПДВ.

6. На основе анализа схем замещения ПДВ и экспериментальных характеристик определены способы управления пригодные для управления скоростью ПДВ. Было установлено, что для получения линейных регулировочных и жестких механических характеристик ПДВ возможно применение амплитудного способа управления. Выбор рабочей точки при использовании этого способа должен осуществляться на правом склоне частотной характеристики ПДВ, снятой при работе двигателя в зоне нечувствительности. Выбор рабочей точки на левом склоне этой частотной характеристики сопровождается неустойчивой работой. При эксплуатации двигателя в узком температурном диапазоне (от +15 до + 35 °С) дополнительных схем для компенсации теплового ухода резонансных характеристик не требуется. Для полного использования скоростных свойств двигателя необходимо применять более сложные амплитудно-фазовые методы управления скоростью ПДВ. Для использования двигателей в жестких температурных условиях, для сохранения их работоспособности необходимо принимать меры температурной компенсации ухода резонансной частоты ПДВ, например, использовать температурные датчики.

7. Разработаны электронные устройства управления, реализующие выше названные способы управления. Эти устройства были опробованы в составе автоматических систем, замкнутых по положению и скорости. Устройства управления выполнены в виде функционально законченных печатных узлов.

8. Для данных двигателей с вышеперечисленными устройствами управления определена их эквивалентная структурная схема, предназначенная для описания ПДВ в составе следящих систем. Если полоса пропускания таких систем, замкнутых по положению, намного меньше механической резонансной частоты пьезодвигателя вращения (более чем в 5 раз) и осуществлена компенсация его зоны нечувствительности, то для синтеза такой системы оказывается достаточным представление двигателя с такими устройствами управления в виде интегратора с ограничением.

Способ компенсации зоны нечувствительности зависит от реализации замкнутой системы, в которой планируется использовать ПДВ. Для цифровых систем предпочтительнее использовать программную динамическую компенсацию зоны нечувствительности. В случае аналоговых систем компенсация легко осуществима в устройстве управления ПДВ путем подачи напряжений смещения на обе ступени двигателя. Для систем с полосой пропускания, близкой к механической резонансной частоте, требуется более точное описание ПДВ. В этом случае необходимо кроме интегратора в передаточную функцию двигателя вводить звено, учитывающее механический резонанс. Получаемая передаточная функция будет описывать поведение двигателя для наихудшего случая (ведь наибольшая колебательность переходного процесса по скорости в двигателе наблюдается в зоне нечувствительности, что соответствует механическому резонансу). Синтез систем с полосой пропускания большей, чем частота механического резонанса очень сложен, так как в этом случае необходим учет нестационарности ПДВ, как объекта управления.

Рекомендации по использованию и внедрению ПДВ.

В виду низкого КПД двигателей данного типа их использование в системах замкнутых по скорости, неэффективно. Т.е. двигатель рекомендуется использовать в микромощном безредукторном следящем приводе, замкнутом по положению. При этом дополнительных обратных связей, кроме главной, не требуется. Точность систем, построенных на основе ПДВ, в большой мере определяется точностью и разрешающей способностью примененных датчиков обратной связи. Проведенные исследования показали высокую эффективность использования ПДВ в быстродействующих, безредукторных высокоточных микромощных следящих приводах, для управления малоинерционными объектами.

Теоретические и практические результаты, полученные в работе использованы в НИР "НИИ СМ", связанных с управлением поворотными устройствами систем телевизионного наблюдения мобильных роботов, и для создания "Универсального аппаратно-программного комплекса для исследования и испытания мехатронных систем ", разработанного на кафедре СМ7 МГТУ им. Н.Э. Баумана совместно с Вуз-прибором и МГТУ-Станкин. Внедрение подтверждается соответствующими актами.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Коваленко, Валерий Анатольевич, 1998 год

- 133 -Список литературы.

1. Лавриненко В.В., Карташев И.А., Вишневский В. С. Пьезоэлектрические двигатели. - М.: Энергия, 1980. - 110 с.

2. Ерофеев А. А. Пьезоэлектронные устройства автоматики. - Л.: Машиностроение, 1982. - 212 с.

3.Трофимов А. И. Пьезоэлектрические элементы автоматики. - Томск: Издательство ТПИ, 1980. - 94 с.

4. Бансевичус Р. Ю., Рагульскис К. М. Вибродвигатели. - Вильнюс: Мокслас, 1981. - 193 с.

5. Бансевичус Р. Ю., Рагульскис К. М. Вибрационные преобразователи движения. - Л.: Машиностроение, 1984. - 64 с.

6. Смажевская Е. Г., Фельдман Н. Б. Пьезоэлектрическая керамика. - М.: Советское Радио, 1971. - 200 с.

7. Кэди У. Пьезоэлектричество и его практические применения. - М.: Изд-во иностр. лит., 1949. - 720 с.

8. Ueha S. and Tomikawa Y. Ultrasonic Motors: Theory and Application. - Oxford: Clarendon Press, 1993.-330 p.

9. Sashida T. and Kenjo T. An Introduction to Ultrasonic Motors. - Oxford: Clarendon Press, 1993. -376 p.

10. Tsukimoto. Application to Cameras; Use of Ultrasonic Motors to Drive Lenses //Electronics Life. - 1991. Oct. - P. 51-56.

11. Okumura I. A Designing Method of a Bar-Type Ultrasonic Motor for Autofocus Lenses //Proceedings of IFToMM-jc Intl. Symp. on Theory of Machines and Mechanisms. - Oxford, 1992. - P. 70-75.

12. Canon developed a small-size ultrasonic motor measuring 11 x 25 mm, and reduced the manufacturing cost to 1/3 of that of the ring-type USM //Nikkei Mechanical. - 1992. V 6, nl. - P. 66-67.

13.McFarland A. J. Development of a Rotary Ultrasonic Motor for Spacecraft Applications. - Cambridge: MA, 1995. -306 p.

14. Громаковский В.A., Серединская Н.Ц., Слуцкий И.A. О возможности применения пьезоэлектрического двигателя в качестве прямого привода ведущего вала видеомагнитофона //Техника кино и телевидения. - 1978. № 5. - С.33-37.

15. Приводы и их элементы. Рынок продукции: Каталог - справочник. /Под ред. А. Б. Чистякова. - М.: Машиностроение, 1995. - 432 с.

16. Ерофеев А. А., Проклин А.И., Уланов В.Н. Пьезоэлектроника. - М.: Радио и связь, 1994. - 240 с.

17. Пьезокерамические преобразователи: Методы измерения и расчет параметров. Справочник. /Под ред. А.В. Пугачева. - JI.: Судостроение, 1984. -256 с.

18. Тетельбаум И.М., Тетельбаум Я.И. Модели прямой аналогии. - М.: Наука, 1979.-236 с.

19. Физическая акустика. Методы и приборы ультразвуковых исследований. /Под ред. У. Мезона. - М.: Мир, 1960. Т.1. - 592 с.

20. Mason W. P. Electromechanical transducers and wave fïlters. - New Jersley: Princeton, 1948. -419 p.

21.Мэзон У. П. Пьезоэлектрические кристаллы и их применение в ультраакустике. - М.: Изд-во иностр. лит., 1952. - 447 с.

22. Frequency responce analyser 1170 sériés. /Solartron - Schlumberger, 1979. -652 p.

23. Плужников В. M., Семенов В. С. Пьезокерамические твердые схемы. - М.: Энергия, 1971. - 168 с.

24. ГлозманИ.А. Пьезокерамика. - М.: Энергия, 1972. - 346 с.

25. ГОСТ 13927-80. Материалы пьезокерамические. Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1981.-230с.

26. ГОСТ 12370-80. Материалы пьезокерамические. Методы испытаний. М.: Изд-во стандартов, 1981. -124 с.

27. Хаякава С. Пьезоэлектрическая керамика: /Пер. с японского ВЦП. - М.: 1977. №Ц-89477.-20 с.

28. IRE standart on piezoelectric crystals: meashurements of piezoelectric ceramics / /Proc IRE. - 1958. V. 46. - P. 764-778.

29. Смагин А.Г. Пьезоэлектрические резонаторы и их применение. - М.: Изд-во стандартов, 1967. - 256 с.

30. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. - М.: Энергия, 1978. - 248 с.

31.Домаркс В.И., Кажис Р. Ю. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические преобразователи. - Вильнюс: МИНТИС, 1975. - 256 с.

32. Залесский В.В. Анализ и синтез пьезоэлектрических преобразователей. -Ростов: Ростовский университет, 1971. - 150 с.

33.Krimholtz R., Leadom D.A., Matthaei G. L. New equivalent circuits for elementary piezoelectric transducers //Electronic letters. - 1970. V.6, n 13. -P.398-399.

34. Бриот P. Эквивалентные схемы пьезокерамики с низким значением механической добротности /Перевод ВЦП № РР-92508 статьи Briot R. Acustica, 1986. V. 61, nl. - P. 28-34.

35. Михайлов В.П. Дифференциальные уравнения в частных производных. -М.: Наука, 1983. -346 с.

36. Владимиров B.C. Уравнения математической физики. - М.: Наука, 1976. -408 с.

37. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - М.: Наука, 1986. - 544 с.

38. Болкисев A.M., Шульга Н.А. Колебания пьезоэлектрических тел. - Киев: Наукова думка, 1990. - 228 с.

-13639. Болкисев A.M., Ефимова Т.Л., Шульга Н.А. Колебания пьезокерамического полого цилиндра при механическом нагружении //Прикл. механика. -1985. Т. 21, №9. - С. 109-112.

40. Жуков В.Е. Колебания круговых колец //Проблемы прочности. - 1978. №11. - С.69-73.

41. Stephenson С. V. Radial vibrations in short, hollow cylinders of bariumtitanate //J. Acoust. Soc. Amer. -1956. V. 28, n 1. - P. 51-56.

42. Stephenson С. V. Higher modes of radial vibrations in short, hollow cylinders of barium titanate //J. Acoust. Soc. Amer. -1956. V. 28, n 5. - P. 928-929.

43. Основы теории цепей. / Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин, А.В. Нетушил, С.В. Страхов и др. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 528 с.

44. Карни Ш. Теория цепей. Анализ и синтез. - М.: Связь, 1973. - 368 с.

45. Быстров Ю. А., Мироненко И. Г. Электронные цепи и устройства. - М.: Высш. шк, 1989.-287 с.

46. Баскаков С.Н. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Высшая школа, 1983.- 536 с.

47. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Радио и связь, 1986.- 512 с.

48. Вишневский B.C., Карташев И. А., Лавриненко В.В. Эквивалентные схемы пьезоэлектрических двигателей //Вестн. Киевск. политехнич. ин-та. Сер. радиоэлектроники. - 1976. №13. - С. 57-61.

49. Kamano Т., Suzuki Т., Otoi Е. Characteristics and model of ultrasonic motor //J. Jap. Appl. Phys. - 1988. V.27. Suppl. 27-1. - P.189-191.

50. Hagood N.W. and McFarland A. J. Modeling of a Piezoelectric Rotary Ultrasonic Motor //IEEE Transactrions on Ultrasonics. Ferroelectrics and Frequency Control. - 1995. V. 42, n 2, March. - P. 210-231.

51.Жарий О. Ю. Модель ультразвукового двигателя с фрикционным преобразователем типа движения в условиях проскальзывания //Акуст. журнал. - 1993. Т.39. Вып.З. - С. 479-488.

52. Рагульскис K.M. Косые удары и преобразование их в непрерывное движение. - М.: Наука, 1976. - С. 113-119.

53. Бансевичус Р. Ю., Рагульскис К. М. О преобразовании высокочастотных механических колебаний в непрерывное движение //Научн. тр. вузов Лит. ССР. - Вильнюс: Вибротехника, 1973. - С. 9-12.

54. Бабицкий В.И. Теория виброударных систем (приближенные методы). - М.: Наука, 1978. - 352 с.

55. Блехман И.И., Джаналидзе Г.Ю. Вибрационное перемещение. - М.: Наука, 1964.-410 с.

56. Джонсон К. JI. Механика контактного взаимодействия. - М.: Мир, 1989. -509 с.

57. Гуляев В. И. Прикладные задачи теории нелинейных колебаний механических систем. - М.: Высш. шк., 1989. - 383 с.

58. Каннингхэм В. Введение в теорию нелинейных систем. - М.: Госэнергоиздат, 1962. - 456 с.

59. Бидерман В. JI. Теория механических колебаний. - М.: Высшая школа, 1980. - 407 с.

60. Блэкьер О. Анализ нелинейных систем. - М.: Наука, 1969. - 342 с.

61. Бутенин Н.В., Неймарк Ю. И., Фуфаев H.A. Введение в теорию нелинейных колебаний. - М.: Высш. шк., 1989. - 386 с.

62. Вольмир A.C. Нелинейная динамика пластин и оболочек. - М.: Машиностроение, 1972. - 324 с.

63. Доннел. Л.Г. Балки, пластины и оболочки. - М.: Наука, 1982, - 567 с.

64. Ланда П.С. Автоколебания в системах с конечным числом степеней свободы. - М.: Машиностроение, 1972. - 374 с.

65. Тетельбаум И. М., Шнейдер Ю. Р. Практика аналогового моделирования динамических систем: Справочное пособие. - М.: Энергоатомиздат, 1987. -384 с.

66. Тетельбаум И. М., Шнейдер Ю. Р. 400 схем для ABM. - М.: Энергия, 1978.

- 248 с.

67. Разевиг В.Д. Моделирование аналоговых электронных устройств на ЭВМ.

- М.: Издательство МЭИ, 1993. - 152 с.

68. Смит, Джон М. Математическое и цифровое моделирование для инженеров и исследователей. /Под ред. O.A. Чембровского. - М.: Машиностроение, 1980. - 271 с.

69. Артоболевский И.И. Теория машин и механизмов. - М.: Наука, 1975. - 638 с.

70. Шмидт Г. Параметрические колебания. - М.: Мир. 1978, - 278 с.

71. Ерофеев A.A., Давлеталиев Д.А., Кирсяев А.Н. Многомерные способы управления пьезоэлектрическими двигателями //Вибротехника. -1987. № 1(58).-С. 9-13.

72. Ерофеев A.A., Кирсяев А.Н. Способы, системы, и устройства управления пьезоэлектрическими двигателями //Материалы международной научно-практической конференции Пьезотехника - 92. - СПб.: 1992. - С. 52-53.

73. Шахгильдян В .В., Ляховкин A.A. Системы фазовой подстройки и частоты. - М.: Связь, 1972. - 314 с.

74. Gardner F. М. Phaselock technicues. - New York: Wiley, 1979. -234 p.

75. Манаев Е. И. Основы электроники. - М.: Радио и связь, 1985. - 504 с.

76. Арменский Е. В., Фалк Г. Б. Электрические микромашины. - М.: Высш. шк., 1985.- 231 с.

77. Сабинин Ю. А. Электромашинные устройства автоматики. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. - 408 с.

- 13978. Пучков H.A. Зарубежные интегральные микросхемы и их отечественные аналоги: Справочник. - М.: Машиностроение, 1993. - 192 с.

79. Шило B.JI. Популярные микросхемы КМОП. Справочник. -М.: Издательство Ягуар, 1993. - 64 с.

80. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах - М.: Мир, 1993. Т.2.-371 с.

81. Мячин Ю. А. 180 аналоговых микросхем. - М.: Патриот, МП Символ-Р и редакция журнала Радио, 1993. - 152 с.

82. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. - М.: Мир, 1982. - 512 с.

83. Проектирование следящих систем. /Под ред. H.A. Лакоты. - М.: Машиностроение, 1992. - 332 с.

84. Герман-Галкин С. Г. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями. - Л.: Энергоатомиздат, 1986. - 248 с.

85. Токхейм Р. Основы цифровой электроники. Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. -392 с.

86. Проектирование импульсных и цифровых устройств радиотехнических систем: Учеб. Пособие. /Под ред. Ю.М. Казаринова. - М.: Высш. шк., 1985.

- 320 с.

87. Бесекерский В.А. Цифровые автоматические системы. - М.: Наука, 1976. -576 с.

88. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. - М.: Наука, 1975. - 767 с.

89. Цыпкин Я.З. Теория линейных импульсных систем. - М.: Физматгиз, 1963.

- 968 с.

90. Динамика цифровых следящих приводов. /Под ред. Б.К. Чемоданова -М.: Энергия, 1970. -496 с.

91.Тафт В.А. Электрические цепи с переменными параметрами. - М.: Энергия, 1968.-328 с.