СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПЬЕЗОДВИГАТЕЛЕМ

Заявляемая полезная модель относится к системам управления, в частности к системам управления пьезодвигателем.
Известен патент №RU 2473154 С2, в котором показано устройство для поддержания постоянства мощности пьезодвигателя при изменении импеданса. Устройство представляет собой электрическую схему, в которой управление пьезодвигателем осуществляется за счет кварцевого генератора и усилительной схемы, обеспечивающей такие параметры сигнала управления, которые сохраняют мощность, производимую двигателем, неизменной, несмотря на изменение импеданса под действием внешних факторов.
Недостатком такого подхода является то, что такая схема не позволяет изменять скорость вращения пьезодвигателя, так как частота формируемых импульсов всегда постоянна.
Также известен патент №CN 204947931, принятый в качестве ближайшего аналога, в котором управление пьезоэлектрическим двигателем осуществляется за счет генерирования высокочастотных импульсов с помощью микроконтроллера с последующим усилением через транзисторный каскад и повышающий трансформатор. Сигнал обратной связи обрабатывается с помощью ПЛИС и подается в микроконтроллер для дальнейшей настройки частоты генерации импульсов.
Основным недостатком такого подхода можно назвать то, что одновременная генерация высокочастотных импульсов и обработка пакетов принимаемой информации может привести к срыву или ухудшению характеристик управления, если в момент приема пакета данных происходит изменение фронта импульса генерируемого сигнала управления, то в таком случае произойдет либо потеря данных, либо пропуск смены фронта управляющего сигнала в зависимости от приоритета описанных действий, запрограммированных в микроконтроллере.
Задачей заявляемой полезной модели является обеспечение высоконадежного прецизионного управления пьезодвигателем с возможностью гибкой настройки параметров работы, таких как развиваемое усилие, скорость, ускорение и длительность шага.
Устройство управления пьезодвигателем роторного типа, состоящее из микроконтроллера, связанного с программируемой логической интегральной схемой, связанной с драйвером, вентили которой сконфигурированы таким образом, что полученные от микроконтроллера данные распределяются между состоящими в ее структуре блоком генератора резонансной частоты, имеющим предварительную настройку на резонансную частоту конкретного пьезодвигателя, блоком управления шагом, имеющим предварительную настройку на оптимальную скважность шага конкретного пьезодвигателя, блоком управления реверсом и блоком учета скорости вращения ротора пьезодвигателя, связанного с микроконтроллером.
Микроконтроллер необходим для обрабатывания информации с датчиков обратной связи, а также для приема и выдачи команд, т.е. для осуществления управления и контроля привода. Такой выбор объясняется наличием встроенных интерфейсов обмена данными, что делает устройство более гибким в части отладки и оперативного контроля за работой пьезодвигателя. В случае реализации такого гибридного управления ПЛИС - микроконтроллер проявляются быстрота и гибкость ПЛИС, а также универсальность микроконтроллера, что позволяет сохранить принцип модульности всей системы.
Исходя из вышесказанного, общую структурную схему системы управления пьезодвигателем можно представить следующим образом (см. фиг. 1).
Устройство состоит из микроконтроллера 1, настроенного для управления определенным типом пьезодвигателя 2. с известной резонансной частотой, выход которого подключен к ПЛИС 3, включающей в себя сконфигурированные для работы с определенным двигателем блоки управления реверсом 4, выход которого соединен с блоком управления шагом двигателя 5, а также генератором резонансной частоты 6, выход которого соединен с драйвером 7, настроенным на генерацию возбуждающего сигнала заданной амплитуды на пьезодвигатель 2.
Известно, что резонансная частота пьезодвигателя 2 может варьироваться в определенном диапазоне (примерно 45-55 кГц), это может зависеть от конкретного образца пьезодвигателя 2 или внешних условий. Применение микроконтроллеров 1 в этом случае ограничивается их сравнительно небольшой частотой тактирования. Поэтому для этой цели рационально использовать программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) 3, чья тактовая частота достигает более 50 МГц, что позволяет в широком диапазоне изменять характеристики управляющего сигнала, такие как частота и скважность.
На вход микроконтроллера 1 подается информация о требуемых параметрах движения или позиционирования объекта управления 8. Микроконтроллер 1 принимает информацию от датчика положения9 и датчика перемещения 10, и путем обработки этой информации в регуляторе 11 формирует пакет данных, передающийся по интерфейсу SPI в ПЛИС 3. Первые 16 бит содержат информацию о базовой частоте следования импульсов. Следующие 8 бит содержат информацию о длительности импульса и представляются в виде процентов, причем за значение равное 100% принимается полный период импульса, рассчитаный исходя из значения базовой частоты следования импульсов. Следующие 8 бит содержат информацию о скважности импульсов и позволяют реализовать ШИМ-модуляцию импульса. Частота ШИМ должна превышать базовую частоту следования импульсов в 10-20 раз. Наиболее оптимальное значение подбирается исходя из условий эксплуатации и вычислительной мощности ПЛИС 3.
Программа ПЛИС 3 состоит из нескольких модулей. Модуль, сконфигурированный для приема пакета данных заданного формата, осуществляет прием пакета данных, и разбивку пакета на отдельные байты. После того как 8 бит данных получены, генерируется сигнал и эти 8 бит данных передаются в модуль, настроенный на прием данных в описанном выше формате, по 8-ми битной шине dataOut. Таким образом, весь пакет данных передается в модуль, который затем преобразовывает эту информацию и передает через отдельные шины, в которых записываются базовая частота следования импульсов, длительность импульса и скважность импульса. Через эти шины информация поступает в модуль генератора управляющего сигнала, преднастроенный для работы с конкретным пьезодвигателем 2, который на основании принятной информации генерирует импульсы с требуемой базовой частотой, длительностью импульса и скважностью импульса, которые выдает через информационный выход. Такие импульсы являются управляющим сигналом и подаются на усиливающий драйвер 7, настроенный для формирования амплитуды сигнала, необходимой для конкретного пьезодвигателя 2. Сигнал на выходе драйвера 7 подается на сам пьезодвигатель 2, тем самым приводя его в движение, который, в свою очередь, привод в движение объект управления 8, посредством шарико-винтовой передачи 12.