Системы управления пьезодвигателями

Проведенный предварительный анализ показал, что нелинейность интерполяционного сигнала может быть снижена до 0,1 %, что позволяет формировать с помощью рассмотренного интерполятора 7-9 двоичных разрядов.

Заключение

Применение схем интерполяционных каналов двухотсчетных цифровых преобразователей перемещений со встроенными волоконно-оптическими линиями связи на основе формирования и цифровой обработки сигналов треугольной формы существенно упрощает конструкцию волоконно-оптических линий связи за счет повышения информационной загрузки оптического кабеля. Формирование линейо-пилооб-разного сигнала с периодом кратным степени числа

2 из трёхфазной системы сигналов, позволяет согласовать его с младшим двоичным разрядом грубого отсчета и уменьшить на единицу количество каналов интерполятора при сохранении информационной емкости. Рассмотренная конструкция интерполятора, реализующего указанный принцип, позволяет за счет повышения линейности формируемого сигнала применить в точном отсчете ПНК большей разрядности, чем в прототипе. Это позволяет перераспределить информационную загрузку между грубым и точным каналами, переложив максимум функций по формированию выходного кода на электронный блок точного отсчета и за счет этого упростить оптическую схему канала грубого отсчета.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гречишников В.М., Теряева О.В. Оптоэлектронные цифровые преобразователи угла с весовым уплотнением каналов[Текст] // Международный симпозиум "Надежность и качество", 25-31 мая 2015 года, Пенза, ПензГУ, 2015 г., С. 46-50.

2. Зеленский В.А., Гречишников В.М. Бинарные волоконно-оптические преобразователи в системах управления и контроля. [Текст]: монография - Самара: Изд-во СНЦ РАН, 2006. - 120 с.ISBN 5-93424258-0.

3. Юдин А.А. Двухотсчётный преобразователь «угол-код» с микропроцессорным устройством согласования отсчётов. [Текст] / Гречишников В.М., Юдин А.А., Борисов О.Ю. // Мат. Всероссийской научно-техн. конф. «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций» //25-27 мая 2010 г., Самара,

с.187-196.

4. Заявка на изобретение 2016108525 РФ. Преобразователь перемещения в код / В. М. Гречишников, О. В. Теряева. Дата подачи заявки 09.03.2016.

УДК 378.147

Естифеев1 Е.Р., Морозов1 И.Д., Китаев2 М.Б., Надрышин2 Р.Р.

1ВГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

Сил воздушной обороны Республики Казахстан им.

2Военный институт Казахстан

Т.Я. Бегельдинова, Актобе,

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПЬЕЗОДВИГАТЕЛЯМИ

В данной статье рассматриваются принципы работы систем управления пьезодвигателями, виды управления пьезодвигателями и некоторые зарубежные производители. В связи с развитием современного технологического и исследовательского оборудования широкое распространение получили пьезодвигатели. Вследствии чего встает вопрос об управлении пьезодвигателями, как отдельными элементами в электронике.

В связи с развитием нанотехнологий, возникла точностью порядка нескольких нанометров и менее. В современном технологическом и исследовательском оборудовании широкое распространение получили пьезодвигатели. Пьезодвигателями называют устройства, в которых механическое перемещение достигается за счёт обратного пьезоэлектрического эффекта. Материалы, составляющие основу таких приводов, называют пьезоэлектриками. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в изменении линейных размеров пьезоэлектрика при приложении электрического поля

Пьезодвигатели нуждаются в точном, надежном и правильном управлении ими для достижения поставленных задач для такого типа двигателей. В связи с этим необходимо понимать принцип управления пьезоэлементами, знать некоторые основные виды

необходимость перемещать микро- и наноструктуры с систем управления и основных производителей этих систем.

Для управления пьезоэлементами, обычно, требуется создание интенсивного электрического поля с напряженностью Етах= 106В/м. Источник напряжения 300-600 В создает такую напряженность в пластине толщиной 0,3-1мм. Абсолютное изменение толщины пластины составит 0,05 -0,3 мкм.

Рассмотрим связь между деформацией пьезоэле-мента и приложенным полем на примере пьезоэле-мента, выполненного в виде плоскопараллельной пластины изображенной на рисунке 1, с размерами х 12 х 1з, на верхней и нижней гранях которой нанесены проводящие электроды, соединенные с внешним источником напряжения и .

Считаем поле однородным и направленным вдоль оси 3 согласно с вектором предварительной поляризации Р. При этом напряженность электрического поля в этом направлении определяется как

Ез= и

'з

При воздействии электрического поля происходит деформация пластины по трем координатам. Геометрические размеры элемента изменятся и составят соответственно 11-Л11, ^-Л^, 1з + Л1з •

Можно сделать следующие общие заключении:

- поле с напряженностью Е|, направленное вдоль оси i, вызывает деформацию пьезоэлемента по всем трем геометрическим осям.

- значение деформации в направлении некоторой оси ] от действия Е|, направленного вдоль этой же оси или другой ^ ]) оси, пропорционально напряженности Е|.

- коэффициенты пропорциональности носят название пьезомодулей и обозначаются

Пьезоэлементы из керамики могут утратить работоспособность при приложении внешнего поля с напряженностью выше критической в направлении, противоположном вектору предварительной поляризации. В направлении, согласном с направлением предварительной поляризации, допустимая напряженность управляющего поля ограничена лишь конструктивными особенностями и условиями электромеханической прочности [1].

Рассмотрим многослойный пьезоактюатор, представленный на рисунке 2 и его особенность управления. Многослойные пьезоактюаторы состоят из чередующихся тонких слоев пьезокерамики и электродов. Толщина керамического слоя обычно 20-100 мкм, толщина внутренних электродов до 3-4 мкм.

Соединение слоев между собой осуществляется путем спекания под давлением внутренних металлических электродов каждого слоя при этом достигается плотность близкая к теоретическому пределу монолитной керамики. В многослойном актюа-торе каждый слой соединен с последующим слоем электрически параллельно. Смежные слои пьезокерамики поляризованы во встречном направлении, в результате перемещение, создаваемое структурой, является суммой перемещений всех слоев.

Преимущество конструкции заключается в том, что для заданного уровня деформации требуется на порядок меньшее электрическое напряжение, чем у пакетных актюаторов с теми же размерами. У современных многослойных актюаторов напряжение не превышает 100 вольт.

В отличие от пакетных актюаторов, многослойные актюаторы имеют более высокую жесткость и деформацию и, соответственно, более высокую резонансную частоту.

Рисунок 2 - Конструкция многослойного актюатора

К числу недостатков следует отнести большие значения собственной емкости актюаторов, что объясняется наличием большого количества параллельно соединенных слоев керамики малой толщины.

Этот недостаток приводит к снижению быстродействия исполнительных пьезоэлектрических приводов. Величина емкости увеличивается с ростом амплитуды сигнала управления, при увеличении температуры и величины сжимающего усилия. Данный фактор нужно учитывать при проектировании пье-зодвигателей.

Далее будут описаны виды управления пьезодви-гателями.

Пьезоэлектрический привод с регулированием по положению.

В настоящее время широкое распространение получили микропроцессорные системы управления (МПС) в том числе и пьезоэлектрическими исполнительными устройствами. В них осуществляется программно-аппаратное управление с помощью программируемых микроконтроллеров, что делает возможным организацию гибкого управления пьезодви-гателем и позволяет реализовать сложные законы управления путем соответствующего программирования МПС с компенсацией внешних возмущающих воздействий и нелинейностей, присущих устройствам данного типа. Большая номенклатуры микроконтроллеров, от простейших PIC - контроллеров до сравнительно сложных однокристальных микроЭВМ, позволяет реализовывать цифровое управление как одноконтурных приводов, так и более сложных многоконтурных и многоприводных систем и комплексов. Из-за специфики управления пьезоэлектрическими устройствами не всегда удается обойтись без аналоговых устройств, а применение цифровых средств в сочетании с аналоговыми устройствами старого поколения усиливает их недостатки из-за сложности согласования усилительных устройств пьезопривода с микропроцессорными устройствами. Для широкого внедрения цифрового пьезопривода в технических системах необходимо повышение энергетической эффективности высоковольтных электронных устройств управления, обеспечение их устойчивости и упрощение связи с микропроцессорными устройствами. Все поставленные задачи решаются применением современных линейных усилителей и устройств управления с выходными каскадами на высоковольтных транзисторах, работающих в ключевом режиме, т.е. использованием импульсных устройств, а также специализированных драйверов для пьезоэлектрических исполнительных устройств. Все перечисленные устройства просты, экономичны, надежны, устойчивы к самовозбуждению, имеют лучшие массогабаритные показатели по сравнению с линейными усилителями старых моделей, обеспечивают наиболее оптимальные режимы работы и удобства согласования с управляющими микропроцессорными устройствами.

На рисунке 3 показана обобщенная функциональная схема цифрового пьезоэлектрического привода, представляющего собой одноконтурную систему регулирования по положению. В ней можно выделить две части: цифровую и аналоговую. В цифровую входят микроконтроллер (МК), устройства связи с микроконтроллером: аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и вычислительная машина верхнего уровня (ЭВМ ВУ). Аналоговая часть включает в себя силовой преобразователь (СП), пьезодвигатель (ПД) и датчик положения (ДП).

ЭВМ ВУ - служит для формирования сигнала задания и программирования МК. Связь между ЭВМ ВУ и МК организуется по стандартной линии связи (USB, RS-2 32, RS-485 и др.).

МК - формирует сигнал управления по заданному алгоритму, принимает и обрабатывает информацию от ДП и ЭВМ ВУ. В современных прецизионных электромеханических системах используют одноплатные и однокристальные микроконтроллеры, в частности, выпускаемые фирмой INTEL контроллеры семейства МК-51, ADuC831 и 841 фирмы Analog devices и микроЭВМ i8ХС196МС, имеющие развитую периферию, пригодную для управления пьезоэлектрическими исполнительными устройствами. ADuC831 и ADuC841 предназначены для использования в тех приложениях, где требуются большие объемы памяти и повышенные скорости работы ядра. Чипы ADuC831 и

ADuC841 отличает то, что ядро первого имеет максимальную тактовую частоту 16 МГц, в то время как ADuC841-ядро способно работать на частоте до 16 МГц при напряжении 3 В и на частоте до 25 МГц при напряжении 5 В. Кроме того, они имеют встроенные 12-разрядные ЦАП и АЦП. АЦП и ЦАП - осуществляют аналого-цифровое преобразование и дискретизацию по времени с периодом Т, они могут представлять самостоятельные устройства или быть встроенными, как в случае с АБиС831 и АБиС841,

что значительно повышает помехозащищенность и надежность работы всего устройства. Выбор периода квантования зависит от требований к динамическим свойствам привода в целом и быстродействия цифровой части в частности. Обычно в электромеханических системах период Т составляет от десятых долей до единиц миллисекунд (0,1-5 мс), что предъявляет достаточно высокие требования производительности МК.

к

Рисунок 3 - Функциональная схема цифрового пьезоэлектрического привода

СП - преобразует сигнал управления по форме и величине, необходимым пьезодвигателю. В качестве СП могут быть использованы линейные усилители, специализированные драйверы, каскады высоковольтных транзисторов, работающих в ключевом режиме.

ДП - формирует сигнал обратной связи по положению. В современных системах для этих целей используются емкостные, индуктивный и оптико -электронные преобразователи.

ПД - как исполнительное устройство перемещает некоторый объект на заданную величину. Это может быть любое из ранее рассмотренных устройств[2].

Пьезоэлектрический привод с подчиненным регулированием.

В ряде случаев весьма положительный результат в цифровом пьезоприводе дает применение подчиненного регулирования. Рассмотрим пьезопривод с двигателем на многослойной керамике.

Рисунок 4 - Пьезопривод с двигателем на многослойной керамике

На рисунке 4 представлена его функциональная схема.

Схема построена по принципу систем с обратной связью и содержит три контура регулирования. Самый быстрый контур - контур управления напряжением. Частота квантования сигналов (информации) в контуре составляет 5 кГц. Этот контур обеспечивает эффективную работу высоковольтного усилителя, включая режим энергосбережения. Следующим является контур управления током, протекающим через пьезоактюатор. Этот контур также является быстродействующим, частота квантования информации в нем составляет 5 кГц, однако контур тока является дополнительным к контуру управления напряжением. Основная задача контура тока -повысить быстродействие привода. Точностные показатели привода определяются контуром регулирования перемещения.

Точностные показатели привода определяются контуром регулирования перемещения. Этот контур является самым медленным. Используемая в приводе элементная база позволяет обеспечить частоту квантования информации в контуре равной 90 Гц. В контуре осуществляется сравнение величин заданного перемещения объекта и достигнутого. Регуляторы перемещения, тока и напряжения реализованы в виде программы работы микроконтроллера,

учитывая это и конкретизируя другие устройства привода можно функциональную схему представить, как это показано на рисунке 5.

Ядром привода служит микроконтроллер ADuC8 41 фирмы Analog devices. Требуемое микроперемещение задается дистанционно по цифровой линии связи RS-485. Согласование с линией выполнено на специальной микросхеме приемопередатчика с использованием внешних элементов гальванической развязки. Управление пьезоактюатором осуществляется через высоковольтный усилитель с напряжением питания до 150 В постоянного тока. Величина напряжения, подаваемое на пьезоактюатор, контролируется датчиком напряжения. За счет этого в приводе добавлен режим подкачки заряда, повышающий КПД работы усилителя. Величина микроперемещения контролируется специальным емкостным датчиком, встроенным в конструктив пьезопривода. Для преобразования величины емкости, пропорциональной величине микроперемещения, в цифровой код использована микросхема AD7745 фирмы Analog Devices. Для улучшения динамических свойств электропривода используется дополнительная обратная связь по току пьезоактюатора.

Рисунок 5 - Функциональная схема пьезопривода на основе пьезоактюатора из многослойной тонкопленочной керамики

При перемещении в 100 мкм, которое может быть получено у современных тонкопленочных пьезоак-тюаторов, привод способен обеспечить разрешение на уровне 0,01 мкм. Испытания привода с пьезо-актюатором на диапазон 8 мкм показало, что время реакции на единичный скачек составляет 10 мс. Гистерезис пьезоактюатора полностью скомпенсирован, а погрешность работы привода определяется погрешностью работы датчика перемещения [2].

Управление пьезоактюатором с помощь электрического заряда.

Пьезопакет подобен многослойному керамическому конденсатору, то следующее положение действительно для него. Из уравнения емкости можно рассчитать величину заряда О = и- С. Для обычного конденсатора емкость величина постоянная, т.е. величина заряда конденсатора пропорциональна приложенному к его контактам напряжению. Необходимо подчеркнуть, что для пьезоактюатора величина емкости не является постоянной величиной. Она варьируется в зависимости от величины управляющего напряжения, механической нагрузки, температуры и т.д..

Величина заряда пьезоактюатора является важным показателем, так как такие его кинетические параметры, как скорость и ускорение можно легко вывести из значения заряда пьезопакета:

- позиция актюатора - соответствует величине электрического заряда Q;

- изменение в позиции - изменение величины заряда ДQ;

- скорость - соответствует ДQ / Дt = I

- ускорение - соответствует ДQ2 /Дt2 = ¿I /Дt = скорость нарастания величины выходного тока.

Управление пьезоактюаторами с разомкнутыми контактами с помощью изменения заряда или тока дает: линеаризацию перемещения, увеличивает его жесткость, увеличивает надежность актюатора в условиях работы в очень динамичном режиме.

Известно, что зависимость величины деформации от величины заряда становится почти линейной и практически не имеет гистерезиса (около 1%). На графиках приводятся сравнительные диаграммы зависимости шага стандартного пьезокерамиче-ского актюатора при управлении напряжением или зарядом с частотой сигнала 20Гц.

Очевидна лучшая линейность при управлении ак-тюатора зарядом.

Другим эффектом «напряжения» является крип. Пьезоактюатор показывает небольшое значение позитивного крипа в определенный промежуток времени, после совершения шага в результате приложенного управляющего напряжения. Это является «ферроэлектрическим» эффектом, когда состояние поляризации пьезокерамики меняется с изменением электрического заряда, вызываемого источником управляющего напряжения. Крип прекращается, как только заряд пьезоактюатора стабилизируется.

О

Рисунок 7

Q тжх Qek

Зависимость шага от заряда

На первый взгляд управление зарядом является идеальным для простого обеспечения позиционирования без использования системы обратной связи. Но точность позиционирования при этом, как и для электрострикционных актюаторов, лежит всего лишь в 1% диапазоне. Поэтому, обеспечение точности позиционирования, лежащей в более меньших пределах, обычно достигается применением пьезоак-тюаторов, управляемых системами с обратной связи.

Преимущество управления зарядом или током с системой обратной связи при необходимости снижения времени отклика в задачах высокоскоростного позиционирования [3].

В схемах с разомкнутой цепью обратной связи могут применяться вычислительные методы компенсации гистерезиса пьезоактюатора, основанные на различных математических моделях и схемы контроля его заряда.

В схемах управления пьезоактюатором (двигателем) с замкнутой цепью обратной связи обычно используются внешние датчики перемещения .Такое техническое решение усложняет конструкцию и увеличивает габаритные рамеры пьезоактюатора (двигателя).

Рассмотрим основных зарубежных производителей и их систем управления пьезодвигателями.

Немецкая фирма Physik Instrumente (PI).

E-709

Контроллеры серии Е-709 являются одноканаль-ными и предназначены для управления пьезоактуа-торами и пьезоплатформами с обратной связью. В серии Е-709 представлены модификации для работы с позиционерами, оснащёнными:

- тензометрическим датчиком (SGS) обратной связи (E-709.SR и E-709.SRG),

- пьезорезистивным датчиком обратной связи (E-709.PR и E-709.PRG),

- ёмкостным датчиком обратной связи (E-709.CR и E-709.CRG).

Модели E-709.xx, в отличии от E-709.xxG, выполнены без корпуса в виде OEM плат и поставляются без блока питания.

Опорный Сигнал с учетом

сигнал + ошибки

Контроллер

Вход

актюатора >

Математическая модель

Схема контроля заряда

Актюатор

Выход актюатора

Рисунок 8 - Схема управления пьезодвигателем с разомкнутой цепью обратной связи

Рисунок 10

Все контроллеры серии Е-709 оснащены интерфейсами USB, RS-232 и SPI. Также контроллеры имеют разъёмом HD-Sub-D 26-pin, обеспечивающий 1 аналоговый вход

Рисунок 9 - Схема управления пьезодвигателем с замкнутой цепью обратной связи

установки дополнительных параметров контроллера и пьезоплатформы (определение резонансной частоты пьезоплатформы и анализ времени позиционирования, регулировка коэффициента усиления, подстройка частоты режекторного фильтра и т.д.

Библиотека функций GCS представляют собой набор команд для управления позиционерами и может быть использована при программировании приложений на языках высокого уровня, например С++. Библиотеки GCS и драйверы для LabVIEW совместимы с операционными системами Windows и Linux [5].

Следующий контроллер фирмы PI.

Контроллеры серии E-665 являются одноканаль-ными и предназначены для управления пьезоактуа-торами и пьезоплатформами с обратной связью.

В серии E-665 представлены четыре модификации контроллеров. Модели E-665.SR и E-665.S0 рассчитаны на работу с позиционерами, оснащёнными тен-зометрическим датчиком (SGS) обратной связи, модели E-665^R и Е-665.С0 используется для управления позиционерами, оснащёнными ёмкостными датчиками обратной связи.

Модификации E-665.xR могут быть подключёны к ноутбуку или ПК с помощью интерфейсов USB или RS-232. Модели E-665.x0 не имеют цифровых интерфейсов.

До 12 контроллеров E-625.xR могут быть объединены в одну сеть (параллельное соединение) и управляться с одного интерфейса ПК. Соединение между отдельными контроллерами E-665.xR реализуется через дополнительный кабель E-665.CN.

Контроллеры E-665.xR могут работать в двух режимах: аналоговом и цифровом. В аналоговом режиме источник сигнала подключается к BNC разъёму, а входное напряжение (от 0 до +10 В) может быть отрегулировано прецизионным десятиоборот-ным потенциометром. Выходное напряжение, подаваемое на пьезоактуатор или пьезоплатформу, будет пропорционально входному сигналу, но усилено в 10+0.1 раз.

В цифровом режиме выходное напряжение генерируется автоматически, исходя из полученных команд.

В комплекте с контроллерами серии E-665.xR поставляется программное обеспечение

Рисунок 11

В комплекте с контроллерами серии Е-709 поставляется программное обеспечение PIMikroMove, NanoCapture, драйверы LabVIEW, библиотека функций GCS, и дополнительные утилиты.

Программное обеспечение PIMikroMove работает с операционными системами Windows и позволяет управлять позиционерами с помощью интуитивно понятного графического интерфейса.

ПО NanoCapture работает с операционными системами Windows и предназначено для чтения и

PIMikroMove, драйверы LabVIEW, библиотека функций GCS и дополнительные утилиты.

Программное обеспечение PIMikroMove работает с операционными системами Windows и позволяет управлять позиционерами с помощью интуитивно понятного графического интерфейса.

Библиотека функций GCS представляют собой набор команд для управления позиционерами и может быть использована при программировании приложений на языках высокого уровня, например С++.

E-

Библиотеки GCS и драйверы для LabVIEW совместимы с операционными системами Windows и Linux.

Для обеспечения высокой точности позиционирования и большой разрешающей способности в контроллерах E-665.xR используются 24-битные АЦП и 2 0-битные ЦАП.

Блок усилителя с пониженным уровнем шума может выдать пиковое значение выходного тока до 360 мА. [6]

Еще одно устройство фирмы PI.

413

Рисунок 12

Пьезоусилители серии E-413 представляют собой устройства для управления пьезоактуаторами сдвиговой деформации (PICAShear™), а так же для работы с пьезопреобразователями (Piezoelectric Patch Transducers). Серия представлена в виде OEM или настольного блока.

Управление осуществляется с помощью подачи аналогового сигнала. Коэффициент усиления по напряжению составляет 50 ±0.1

Представленные устройства являются однока-нальными системами управления для работы в режимах без обратной связи.

Для осуществления управления посредством ПК пользователь может разработать схему с использованием ЦАП. Для некоторых ЦАП компания Physik Instrumente предлагает соответствующие наборы драйверов LabVIEW™ , которые совместимы с набором команд управления PI General Command Set (GCS). Этот набор команд используется во всех контроллерах PI [6].

Высоковольтные линейные усилители фирмы APEX Microtechnology.

РА7 8, РА8 6 и РА6 9 - высоковольтные, быстродействующие прецизионные операционные усилители с уникальными характеристиками, которые впервые реализованы в операционных усилителях. Оригинальная конструкция входного каскада этих усилителей обеспечивает чрезвычайно высокую скорость нарастания входного напряжения в импульсных схемах, в то время, как значение тока потребления поддерживается на уровне менее 1 мА. Выходной каскад хорошо защищен схемой ограничения тока, пороговое значение которого может задаваться пользователем. РА7 8, РА86 и РА69 найдут обширное применение в промышленных устройствах струйной печати, медицинских приборах и в других промышленных применениях.

Применение:

• Управление пьезоэлектрическими преобразователями

• Магнитное отклонение

• Приводы деформируемых зеркал

• Пропорциональное управление клапанами

Таблица 1

Напряжение на выходе Ток на выходе Скорость нарастания напряжения Полоса пропускания по мощности

Модель В мА В/мкс кГц

РА6 9 +/-100 50 200 200

РА8 6 +/-100 100 350 300

РА7 8 +/-100 150 350 200

Драйвер управления пьезодвигателем фирмы Linear Technology.

LT3572 - новая микросхема драйвер пьезодви-гателей от компании Linear Technology.

Сдвоенный мостовой драйвер пьезодвигателя идеально подходит как для стабилизации изображений по двум координатам, так и для управления моторами авто-фокуса и зума в цифровых фотоаппаратах и видеокамерах. Микросхема LT3572, представленная компанией Linear Technology является высоко интегрированным сдвоенным мостовым драйвером пьезодвигателя, способным управлять двумя пьезодвигателями при напряжении до 4 0В. Каждый драйвер пьезодвигателя, также как и каждый повышающий преобразователь микросхемы может быть включен или выключен независимо от других. Такого сорта топология делает микросхему LT3572 идеальной как для стабилизации изображений по

двум координатам, так и для управления моторами авто-фокуса и зума в цифровых фотоаппаратах и видеокамерах.

Допустимое напряжение питание в диапазоне от 2,7 до 10В позволяет использовать данную микросхему в цифровых камерах, питающихся как одного, так и от двух Li-ion аккумуляторов. Микросхема LT3572s оснащена 900-миллиамперным повышающим преобразователем, который может отдавать ток до 50 мА при выходном напряжении 30В при питании от одного Li-ion аккумулятора. Его частота преобразования, с целью уменьшения внешних помех, может быть запрограммирована в диапазоне от 500 кГц до 2,25 МГц. Представленная в корпусе QFN размером 4х4мм, микросхема позволяет получать очень компактные, в плане занимаемой площади, решения.

Контрольный вывод указывает момент, когда выход повышающего преобразователя переходит в состояние готовности, разрешая драйверу начинать управление пьезодвигателем. Другие особенности микросхемы включают в себя мягкий старт и возможность внешней синхронизации [2].

Драйвер управления пьезодвигателем от компании New Scale Technologies.

NSD-2101 является специализированной микросхемой для управления пьезодвигателями.

В комбинации SQUIGGLE RV или UTAF микросхема NSD-2101 обеспечивает наиболее малогабаритное промышленное решение по управлением пьезодвига-телем с прямым питанием от батареи не требуя повышения напряжения.

Микросхема представляет собой специализированную схему управления пьезодвигателем способная управлять пьезодвигателем SQL-RV низковольтной серии или пьезодвигателем иТАГ от единственного источника постоянного тока с напряжением от 2,3 до 5,5 В. Пьезодвигатель может управляться, используя стандартный интерфейс 12С.

Микросхема NSD-2101 использует запатентованную технологию управления с динамически регулируемой частотой пьезодвигателя. Для достижения оптимальной производительности пьезодвигателя и минимального потребления энергии в широком диапазоне температур и условий эксплуатации. Встроенный генератор исключает необходимость для подачи внешней частоты.

VSS ТМ -L VSSP

Рисунок 13 - Функциональная схема микросхемы NSD-2101

Отслеживание частоты

В зависимости от типа двигателя, начальный период сигнала управления должен быть записан в NSD-2101. Период задается в единицах по 0,04 мкс (в зависимости от номинальной внутренней частоты генератора управляемого напряжением 25 МГц). В случае SQL-RV-1.8 двигателя, период может быть 148 (94^, чтобы генерировать частоту управления около168,9 кГц.

NSD-2101 может затем оптимизировать частоту управления по команде, периодически изменяя частоту в определенном диапазоне, с центром в указанном периоде, и фиксируясь на частоте, для которой была обнаружена лучшая производительность двигателя. В качестве альтернативы NSD-2101 может быть дана команда постепенно увеличивать шаг частоты в направлении повышения производительности двигателя (изменяя направление шага, когда производительность падает).

В любом случае NSD-2101 изменяет частоту путем регулирования подстройки генератора управляемого напряжением, вместо изменения числа периодов. Это дает более высокое разрешение, чем это возможно путем изменения числа периодов.

В любом случае и в режиме качания частоты и в режиме последовательного увеличения, калибровка не запускается, до тех пор пока счетчик импульсов не будет установлен через регистры 02!Ь и 03^

Калибровка качания частоты обычно выполняется сразу после включения питания. Калибровка качания частоты предоставляет самый широкий диапазон частот. Калибровка в режиме последовательного увеличения предоставляет наилучшее разрешение по частоте, и может выполняться во время использования пьезодвигателя [7].

Данная статья имеет обзорный характер. Цель написания статьи заключалась в том, что бы показать принцип работы систем управления и представить некоторые разработки зарубежных производителей в этой области.

В связи с развитием в нашей стране программы импортозамещения эта статья актуальна. Так как отечественных производителей системы управления пьезодвигателями очень мало, а развитие технологии в области микроперемещения с помощью пье-зодвигателей идет очень быстро, следовательно, обзор этой темы поможет понять, как наладить производство систем управления пьезодвигателями в нашей стране.

ЛИТЕРАТУРА

1. Боков А.А. Адаптивный нейросетевой регулятор для управления пьезоэлектрическим двигателем вращения/ Боков А.А., Бошляков А.А., Иваненков В.В. - МГТУ им. Н.Э.Баумана, март 2012- 15 с

2. Бобцов А.А. Исполнительные устройства и системы для микроперемещений / А.А. Бобцов, В.И. Бойков, С.В. Быстров, В.В. Григорьев - СПб.: СПБ ГУ ИТМО, 2011. - 131 с.

3. Панич А.Е. Пьезокерамические актюаторы Ростов-на-Дону, 2008. - 153с.

4. Бардин В.А. Системы управления высокоточными устройствами позиционирования на основе пьезоэлектрических актюаторов [Текст] / В.А. Бардин; Пензенский государственный институт. Пенза,2015. 169с.

5. Официальный сайт компании Physik Instrumente [Электронный ресурс], - http://www.physikin-strumente.com/

6. PI - Piezo Driver Piezo Controller Catalog, 2009. 72 с

7. Официальный сайт компании Аustriamicrosystems AG [Электронный ресурс], - www.ams.com