RU1784949C - Исполнительный механизм микроперемещений - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к средствам автоматики и может использоватьс  дл  регулировани  и поднастройки положени  подвижных звеньев технологических и приборных систем. Исполнительный механизм микроперемещений содержит электромеханическое исполнительное устройство и блок управлени . Электромеханическое исполнительное устройство выполнено в виде установленного в корпусе пьезопакета с подвижным штоком и соосным ему датчиком положени  подвижного штока. Пьезопакет составлен из отдельных секций многослойных пьезоэлементов, изолированных друг от друга с помощью прокладок и снабженных датчиками положени  отсчетной поверхности секции относительно ее базовой поверхности. Перва  секци  пьезоэлементов входит в основной контур регулировани  положени  подвижного штока и работает по сигна лу ошибки между задающим воздействием и сигналом обратной св зи с датчика положени  подвижного штока. Втора  и последующие секции пьезоэлементов образуют корректирующие контуры регулировани  и служат дл  повышени  качества регулировани  основного контура, причем кажда  последующа  секци  работает по сигналу ошибки положени  отсчетной поверхности предыдущей секции пьезоэлементов. Дл  формировани  корректирующих воздействий блок управлени  оснащен дополнительными дифференциальными и высоковольтными усилител ми. Благодар  корректирующему действию вспомогательных секций пьезоэлементов значительно повышаетс  запас устойчивости , а также статическа  и динамическа  точность регулировани  положени  подвижного штока основным контуром регулировани . сл с х| 09 Ю Ь. ч

Description

Предложенное устройство относитс  к средствам автоматики и может использоватьс  в качестве исполнительного механизма высокоточных микроперемещений дл  регулировани  и поднастройки положе- ниг подвижных звеньев технологических и приборных систем

Известен исполнительный механизм микроперемещений 1, состо щий из электромеханического исполнительного устройства , оснащенного пьезопакетом, и блока управлени . Недостатками известного устройства  вл ютс  нелинейность статической характеристики и нестабильность

микроперемещений из-за гистерезиса и ползучести пьезокерамики, а также вли ни  инструментальных и внешних факторов.

Наиболее близким к изобретению техническим решением, выбранным в качестве прототипа,  вл етс  задатчик микроперемещений 2, в котором дл  повышени  линейности и стабильности использован датчик положени  подвижного штока зэдат- чи ка, конструктивно встроенный в электро- Mex fn ejcfbe исполнительное устройство. При этом управл ющее напр жение на пье- зопакет формируетс  пропорционально сигналу ошибки между задающим сигналом и сигналом с датчика положени  подвижного штока. Дл  получени  высокой линейности и стабильности необходимо, чтобы коэффициент усилени  разомкнутой цепи задатчика микроперемещений составл л 40-69 дБ. Однако увеличение коэффициента усилени  до требуемых значений св зано со значительными трудност ми обеспечени  устойчивости и качества переходного процесса. Последнее объ сн етс  тем, что основные инерционные звень  задатчика имеют примерно одинаковые посто нные времени, причем пьезопакет с подвижным штоком образует колебательное звено с большим значением показател  колебательности частотной характеристики. Дополнительное запаздывание в системе обусловлено также гистерезисной характеристикой пьезопакета. Таким образом, получение требуемых значений коэффициента усилени  возможно лишь в области низких частот, что ограничивает частотный диапазон регулировани , Введение же воздействи  по производной хот  и расшир ет частотный диапазон регулировани , однако значительно снижает запас устойчивости.

Целью насто щего изобретени   вл етс  повышение статической и динамической точности регулировани  положени  подвижного штока исполнительного механизма микроперемещений.

Сущность изобретени  заключаетс  в следующем, Исполнительный механизм микроперемещений содержит электромеханическое исполнительное устройство, выполненное в виде установленного в корпусе пьезопакета с подвижным штоком или соос- ным ему датчиком положени  подвижного штока, а также блок управлени , включающий задатчик перемещени  подвижного штока, дифференциальный усилитель сигнала ошибки положени  подвижного штока, подключенный первым входом к выходу задатчика перемещени  подвижного штока, высоковольтный усилитель напр жени , вход которого подключен к выходу дифференциального усилител  сигнала ошибки положени  подвижного штока, и измерительный преобразователь, св занный с датчиком положени  подвижного штока и

подключенный выходом ко второму входу дифференциального усилител  сигнала ошибки положени  подвижното штока.

Поставленна  цель изобретени  достигаетс  тем. что пьезопакет выполнен в виде

0 набора отдельных секций из многослойной пьезокерамики, установленных последовательно и изолированных друг от друга с помощью прокладок. Кажда  секци  пьезопакета, кроме последней, снабжена

5 датчиком положени  отсчетной поверхно- . сти секции относительно ее базовой поверхности , дл  чего неподвижный чувствительный элемент датчиков положени  закреплен в основании секции, а подвижный чув0 ствительный элемент закреплен на .прокладке, установленной на отсчетной поверхности секции. При этом выход высоко- вольтного усилител  напр жени  подключен к обкладкам пьезоэлементов

5 первой секции пьезопакета. Таким образом, перва  секци  пьезопакета входит в основной контур регулировани  положени  подвижного штока и работает по ошибке между задающим воздействием и сигналом

0 с датчика положени  подвижного штока. Втора  и последующие секции пьезопакета служат дл  повышени  качества регулировани  основного контура.

Дл  этого блок управлени  оснащен до5 полнительными измерительными преобразовател ми , каждый из которых св зан с датчиком положени  отсчетной поверхности соответствующей секции, т.е. первый дополнительный измерительный преобра0 зователь св зан с датчиком положени  от- счетной поверхности первой секции, второй дополнительный измерительный преобразователь - с датчиком положени  второй секции и так далее. Кроме того, блок управ5 лени  оснащен дополнительными дифференциальными усилител ми, к выходу каждого из которых подключен дополнительный высоковольтный усилитель напр жени , причем выход первого дополнитель0 ного высоковольтного усилител  подключен к обкладкам пьезоэлементов,второй секции, выход второго дополнительного высоковольтного усилител  - к обкладкам пьезоэлементов третьей секции и т.д. с

5 подключением последнего дополнительного высоковольтного усилител  к обкладкам пьезоэлементов последней секции пьезопакета . Первый вход первого дополнительного дифференциального усилител  подключен к выходу измерительного преобразовател 

первой секции, а второй вход этого усилител  подключен к выходу дифференциального усилител  сигнала ошибки положени  подвижного штока в основном контуре регулировани . Таким образом, на выходе первого дополнительного дифференциального усилител  формируетс  сигнал ошибки первой секции, который отрабатываетс  пьезоэле- ментами второй секции. Второй дополнительный дифференциальный усилитель св зан своими входами соответственно с выходом измерительного преобразовател  второй секции и выходом первого дополнительного дифференциального усилител . На его выходе формируетс  сигнал ошибки положени  второй секции, который подаетс  и отрабатываетс  пьезоэлементамитретьей секции. Каждый последующий дополнительный дифференциальный усилитель формирует сигнал ошибки соответствующей секции, который отрабатываетс  пьезоэлементами следующей секции. Пьезоэлементы последней секции отрабатывают сигнал ошибки предпоследней секции .

Повышение статической точности регулировани  положени  подвижного штока исполнительного механизма св зано с тем. что частична  линеаризаци  и стабилизаци  характеристик элементов исполнительного тракта основного контура регулировани  (высоковольтный усилитель напр жени  - перва  секци  пьезопакета) достигаетс  корректирующим действием второй секции пьезопакета, работающей по ошибке положени  первой секции. В свою очередь, ошибки положени  второй секции корректируютс  с помощью третьей секции. Так как максимальна  ошибка каждой секции из-за нелинейности и нестабильности составл ет пор дка 0,35 (30%), где S -диапазон перемещений, то при наличии одной основной и одной корректирующей секции суммарна  ошибка будет составл ть уже 0,3 (0,3S)0,09 (9%), в случае двух корректирующих секций 0.3(0,09S)0,027 (2,7%), в общем

Д

случае у0 П Xi, где у, - приведенна  погрешность секции, у0 - приведенна  погрешность пьезопакета. Благодар  корректирующему действию вспомогательных секций коэффициент усилени  разомкнутой цепи основного контура регулировани  может быть значительно уменьшен, в частности дл  трехсекционно- го пьезопакета (один основной - два корректирующих ) более чем в 10 раз. Это не только повышает запас устойчивости, но и улучшает качество переходного процесса

(снижение перерегулировани ). Повышение динамической точности регулировани  св зано с тем, что наличие корректирующих секций обеспечивает, во-первых, частичную

компенсацию инерционности, обусловленной емкостными свойствами пьезоэлемен- тов (подьем АЧХ разомкнутой цепи основного контура регулировани ), и, во- вторых, уменьшение фазового сдвига из-за

0 гистеризиса и вли ни  инерционности элементов . Это позвол ет расширить частотный диапазон исполнительного механизма, уменьшить врем  переходного процесса без увеличени  коэффициента усилени  ра5 зомкнутой цепи основного контура регулировани .

На чертеже показан пример выполнени  исполнительного механизма микроперемещений с трехсекционным пьезопаке0 том

Он состоит из электромеханического исполнительного устройства и блока управлени . Электромеханическое исполнительное устройство содержит трехсекционный

5 пьезопакет, включающий первую 1, вторую 2 и третью 3 секции пьезоэлементов, изолированных между собой прокладками 4 и 5, подвижный шток 6, датчик положени  7 подвижного штока, датчики положени  8, 9

0 отсчетной поверхности первой и второй секций соответственно, а также элементы корпуса 10. Блокуправлени  включаетзадатчик перемещени  11 подвижного штока, измерительный преобразователь 12 сигнала с

5 датчика положени  подвихшого штока, измерительные преобразователи 13,14 сигналов с датчиков положени  отсчетной поверхности первой и второй секций пьезо- элемонтов соответственно, дифференци0 альный усилитель 15 сигнала ошибки положени  подвижного штока, дифференциальные усилители 16 и 17 сигналов ошибки положени  отсчетиой поверхности первой и второй секций соответственно, вы-

5 сокрвольтные усилители напр жени  18, 19 и 20 дл  каждой из секций пьезопакета.

Исполнительный механизм микроперемещений работает следующим образом. Требуемое перемещение подвижного

0 штока б задаетс  с помощью задатчика 11, подключенного к одному из входов дифференциального усилител  15. На второй вход дифференциального усилител  15 поступает сигнал измерительной информации с дат5 чика положени  подвижного штока 6, преобразованный измерительным преобразователем 12. В результате сравнени  задающего и выходного сигналов на выходе дифференциального усилител  15 формируетс  сигнал ошибки положени  подвижного

штока, который усиливаетс  высоковольтным усилителем напр жени  18 и отрабатываетс  пьезоэлементами первой секции пьезопакета. Так работает основной контур регулировани  положени  подвижного штока . Втора  и треть  секции пьезопакета служат дл  повышени  качества регулировани  основного контура Последнее достигаетс  использованием установленных в первой и второй секци х датчиков положени  отсчст- ных поверхностей этих секций 8 и 9. Сигнал измерительной информации с датчика положени  отсчетной поверхности первой секции 8 после преобразовани  измерительным преобразователем 13 поступает на один из входов дифференциального усилител  16, на второй вход которого поступает выходной сигнал с дифференциального усилител  15,  вл ющийс  задающим сигналом дл  первой секции На выходе дифференциального усилител  16 формируетс  сигнал ошибки положени  огсчетной поверхности первой секции, который после усилени  высоковольтным усилителем 19 подаетс  дл  отработки на пьезоэлементы второй секции . В свою очерель, сигнал ошибки положени  отсчетной поверхности второй секции, формируемый с помощью датчика положени  9, измерительного преобразовател  14 и дифференциального усилител  17, подключенного одним из входов к выходу дифференциального усилител  16. поступает дл  отработки на высоковольтный усилитель 20 и далее на пьезоэлементы третьей секции.

Благодар  корректирующему действию пьезоэлемёнтов второй и третьей секций значительно повышаетс  запас устойчивости , а также статическа  и динамическа  точность регулировани  положени  подвижного штока основным контуром регулировани .

Ф,ормула изобретени  Исполнительный механизм микроперемещений , содержащий электромеханическое исполнительное устройство, выполненное в виде установленного в корпусе пьезопакета с подвижным штоком и соос- ным ему датчиком положени  подвижного штока, а также блок управлени , включающий задатчик перемещени  подвижного штока, дифференциальный усилитель сигнала ошибки положени  подвижного штока, подключенный первым входом к выходу задатчика перемещени  подвижного штока, высоковольтный усилитель напр жени , вход которого подключен к выходу дифференциального усилител  сигнала ошибки

положени  подвижного штрека, и измерительный преобразователь, св занный с датчиком положени  подвижного штока и подключенный выходом к второму входу дифференциального усилител  сигнала

ошибки положени  подвижного штока, отличающийс  тем, что, с целью повышени  статической и динамической точности, пьезопакет выполнен в виде набора отдельных секций из многослойной пьезокерамики , установленных последовательно и изолированных друг от друга с помощью прокладок, причем кажда  секци  пьезопакета , кроме последней, снабжена датчиком положени  отсчетной поверхности секции

относительно ее базовой поверхности, причем неподвижный чувствительный элемент датчиков положени  отсчетной поверхности секции закреплен на прокладке в основании секции, а подвижный чувствительный элемент закреплен на прокладке, установленной на отсчетной поверхности секции, блок управлени  оснащен дополнительными измерительными преобразовател ми, каждый из которых св зан с датчиком положени 

отсчегной поверхности соответствующей секции, дополнительными дифференциальными усилител ми, первый вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего дополнительного измерительного преобразовател , дополнительными высоковольтными усилител ми напр жени , каждый из которых подключен входом к выходу соответствующего дополнительного дифференциального усилител , выход высоковольтного усилител  напр жени  подключен к обкладкам пьезоэлемёнтов первой секции пьезопакета, вых од каждого дополнительного высоковольтного усилител  напр жени  подключен к обкладкам пьезоэлементов каждой последующей секции пьезопакета, второй вход первого дополнительного дифференциального усилител  подключен к выходу дифференциального усилител  сигнала ошибки положени  подвижного штока, второй вход каждого последующего дополнительного дифференциального усилител  подключен к выходу предыдущего дополнительного дифференциального усилител .

11

l- 4

75

18

8 tZ9 3 3 Ю

/ / /// / / /

/Ю