УСТРОЙСТВО ПИТАНИЯ ШАГОВОГО ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)
POWER SUPPLY DEVICE OF STEPPED PIEZOELECTRIC ENGINE (VERSIONS)

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для питания шаговых пьезоэлектрических двигателей, используемых в быту, на транспорте и в промышленности для привода в действие различных механизмов и насосов, в том числе при эксплуатации скважин в нефтедобывающей и угольной промышленности.
Предпосылки изобретения
Наибольшее распространение для задач микро и нано позиционирования получили шаговые пьезоэлектрические двигатели. Они работают путем осуществления последовательности малых шагов. Движение может быть как линейное (LSPA двигатели), так и вращательное (RSPA двигатели).
Шаговый пьезоэлектрический двигатель представляет собой функционально исполнительное устройство, которое конструктивно состоит из корпуса, одного или нескольких пьезоактюаторов и различных элементов, поддерживающих их работу. Это могут быть элементы, обеспечивающие предварительное сжатие актюаторов, их тонкую настройку и юстировку, кинематическую связь с объектом управления и др. Имеется достаточно много конструктивных исполнений пьезодвигателей, но они, как правило, предназначены для выполнения узкоспециализированных задач.
Известны устройства для питания пьезоэлектрических двигателей различного назначения, позволяющие получить импульсы напряжения на обкладках пьезоактюаторов в широком диапазоне изменения их длительности и частоты в разные фазы управления о пьезодвигателя в шаговом режиме.
Из ЕР 0464443 А1 известен пьезоэлектрический исполнительный элемент, который заряжается из конденсатора через зарядную катушку. Часть приложенной энергии при разрядке пьезоэлектрического исполнительного элемента отдается через разрядную катушку обратно в конденсатор, в то время как последняя часть, также через разрядную катушку, уничтожается за счет короткого замыкания. При разрядке на пьезоэлектрическом исполнительном элементе находится отрицательное напряжение.
Наиболее близким аналогом изобретения является устройство управления пьезодвигателем (SU 1737407 А1), которое позволяет производить питание и управление двигателем с одним пьезоактюатором. Причем энергия разряда пьезоактюатора возвращается в схему за счет накопления в энергии магнитного поля трансформатора. Предложенная схема не позволяет осуществлять управление пьезоэлектрическим двигателем, состоящим из трех пьезоактюаторов, работающим как в двигательном режиме, так и в режиме генерации колебаний.
За счет применения современного уровня электронной техники в предлагаемом варианте удалось упростить схему управления и повысить ее функциональность за счет возможности создания колебаний в режиме генерации, при этом сохранив возможность рекуперации энергии при разряде пьезоактюатора за счет включения в схему накопительных дросселей определенным образом.
Краткое изложение сущности изобретения
В основе изобретения лежит задача создать устройство, работающее с минимальными энергетическими потерями и имеющее простую конструкцию, для питания шагового пьезоэлектрического двигателя. В состав двигателя входит, по меньшей мере, три пьезоактюатора. Устройство должно сберегать запасенную энергию при разряде пьезоактюаторов во время их циклической работы. Схема устройства предназначена для создания электрических колебаний на обкладках каждого пьезоактюатора в разные фазы каждого шага пьезоэлектрическим двигателем, что обеспечивает поступательное с заданным усилием или вращательное с заданным крутящим моментом движение рабочего органа шагового пьезоэлектрического двигателя с большой энергоэффективностью. Большая энергоэффективность достигается за счет сохранения энергии, высвобождающейся при разряде пьезоактюаторов, и возврата данной энергии для последующего заряда пьезоактюаторов на следующем шаге движения.
Технический результат, обеспечиваемой настоящим изобретением, заключается в повышении надежности устройства, увеличении времени бесперебойной работы и экономии электроэнергии.
Технический результат и поставленная задача решаются следующими средствами, изложенными ниже.
n
n
Устройство питания шагового пьезоэлектрического двигателя содержит n (n=1, 2, 3) параллельно соединенных модулей, подключенных своими выходными выводами к соединенным параллельно источнику питания постоянного напряжения DC и накопительному конденсатору С1. Причем каждый из модулей содержит пьезоактюатор P, первый полумост и второй полумост, соединенные дросселем L, и устройство управления ключами полумостов.
1n
2n
1n
2n
1n
3n
4n
3n
n
4n
n
3n
n
n
1n
4n
1n
4n
В первом варианте осуществления изобретения первый полумост каждого модуля образован последовательно соединенными управляемым первым электронным ключом К и управляемым вторым электронным ключом К, причем вход первого электронного ключа К подключен к положительному выводу источника питания постоянного напряжения DC, выход второго электронного ключа К подключен к отрицательному выводу источника питания постоянного напряжения DC, а выход первого ключа К является средней точкой первого полумоста. Второй полумост каждого модуля образован последовательно соединенными управляемым третьим управляемым электронным ключом К и управляемым четвертым электронным ключом К, причем вход третьего электронного ключа К подключен к положительному контакту пьезоактюатора P, выход четвертого ключа К подключен к отрицательному выводу источника питания постоянного напряжения DC и к отрицательному контакту пьезоактюатора P, причем выход третьего ключа К является средней точкой второго полумоста. Первый вывод дросселя L соединен со средней точкой первого полумоста, а второй вывод дросселя L, соединен со средней точкой второго полумоста. К ключам К-К параллельно подключены диоды D-D таким образом, что катод диода соединен со входом ключа, а анод диода соединен с выходом ключа.
1n
2n
1n
2n
1n
3n
4n
3n
n
3n
4n
4n
n
n
n
1n
2n
3n
1n
3n
В альтернативном варианте осуществления изобретения первый полумост каждого модуля образован последовательно соединенными управляемым первым электронным ключом К и управляемым вторым электронным ключом К, причем вход первого электронного ключа К подключен к положительному выводу источника питания постоянного напряжения DC, выход второго электронного ключа К подключен к отрицательному выводу источника питания постоянного напряжения DC, а выход первого ключа К является средней точкой первого полумоста. Второй полумост каждого модуля образован последовательно соединенными управляемым третьим ключом К и диодом D, причем вход третьего электронного ключа К подключен к положительному контакту пьезоактюатора P, а выход третьего электронного ключа К соединен с катодом диода D и является средней точкой второго полумоста, анод диода D подключен к отрицательному контакту пьезоактюатора P и к отрицательному выводу источника питания постоянного напряжения DC. Первый вывод дросселя L соединен со средней точкой первого полумоста, а второй вывод дросселя L соединен со средней точкой второго полумоста. Параллельно к первому К, второму К и третьему К электронным ключам подключены диоды D-D таким образом, что катод диода соединен со входом ключа, а анод диода соединен с выходом ключа.
1n
2n
1n
2n
1n
3n
4n
3n
n
4n
n
3n
n
n
1n
4n
1n
4n
22
22
22
2
52
52
52
52
52
52
В альтернативном варианте осуществления изобретения первый полумост каждого модуля образован последовательно соединенными управляемым первым электронным ключом К и управляемым вторым электронным ключом К, причем вход первого электронного ключа К подключен к положительному выводу источника питания постоянного напряжения DC, выход второго электронного ключа К подключен к отрицательному выводу источника питания постоянного напряжения DC, а выход первого ключа К является средней точкой первого полумоста. Второй полумост каждого модуля образован последовательно соединенными управляемым третьим управляемым электронным ключом К и управляемым четвертым электронным ключом К, причем вход третьего электронного ключа К подключен к положительному контакту пьезоактюатора P, выход четвертого ключа К подключен к отрицательному выводу источника питания постоянного напряжения DC и к отрицательному контакту пьезоактюатора P, причем выход третьего ключа К является средней точкой второго полумоста. Первый выход дросселя L соединен со средней точкой первого полумоста, а второй вывод дросселя L соединен со средней точкой второго полумоста. К ключам К-К подключены параллельно диоды D-D таким образом, что катод диода соединен со входом ключа, а анод диода соединен с выходом ключа. При этом в третьем варианте осуществления изобретения средний (n=2) модуль устройства питания дополнительно включает подключенный параллельно к первому полумосту третий полумост и дроссель L, первый вывод которого соединен со средней точкой третьего полумоста, а второй вывод дросселя L соединен со средней точкой второго полумоста, индуктивность дросселя L, больше индуктивности дросселя L. Третий полумост образован последовательно соединенными диодом D и управляемым пятым ключом К, причем катод диода D подключен к положительному выводу источника питания постоянного напряжения DC, анод диода D соединен с входом пятого электронного ключа D и является средней точкой третьего полумоста, выход пятого электронного ключа D подключен к отрицательному выводу источника питания постоянного напряжения DC.
1n
2n
1n
2n
1n
3n
4n
3n
n
3n
4n
4n
n
n
n
1n
2n
3n
1n
3n
22
22
22
2
52
52
52
52
52
52
В альтернативном варианте осуществления изобретения первый полумост каждого модуля образован последовательно соединенными управляемым первым электронным ключом К и управляемым вторым электронным ключом К, причем вход первого электронного ключа К подключен к положительному выводу источника питания постоянного напряжения DC, выход второго электронного ключа К подключен к отрицательному выводу источника питания постоянного напряжения DC, а выход первого ключа К является средней точкой первого полумоста. Второй полумост каждого модуля образован последовательно соединенными управляемым третьим ключом К и диодом D, причем вход третьего электронного ключа К подключен к положительному контакту пьезоактюатора P, а выход третьего электронного ключа К соединен с катодом диода D и является средней точкой второго полумоста, анод диода D подключен к отрицательному контакту пьезоактюатора P и к отрицательному выводу источника питания постоянного напряжения DC. Первый выход дросселя L соединен со средней точкой первого полумоста, а второй вывод дросселя L соединен со средней точкой второго полумоста. К первому К, второму К и третьему К электронным ключам подключены параллельно диоды D-D, таким образом, что катод диода соединен со входом ключа, а анод диода соединен с выходом ключа. Средний (n=2) модуль устройства питания дополнительно включает подключенный параллельно к первому полумосту третий полумост и дроссель L, первый вывод которого соединен со средней точкой третьего полумоста, а второй вывод дросселя L соединен со средней точкой второго полумоста, индуктивность дросселя L, больше индуктивности дросселя L. Третий полумост образован последовательно соединенными диодом D и управляемым пятым ключом К, причем катод диода D подключен к положительному выводу источника питания постоянного напряжения DC, анод диода D соединен с входом пятого электронного ключа D и является средней точкой третьего полумоста, выход пятого электронного ключа D подключен к отрицательному выводу источника питания постоянного напряжения DC.
Поставленная задача достигается за счет наличия двух полумостов в каждом модуле, связанных дросселем. Данная схема позволяет создавать колебания электрического заряда на пьезоактюаторе каждого модуля с различной частотой, амплитудой сигнала, а также позволяет создавать аккумуляцию энергии в дросселе при разряде пьезоактюатора каждого модуля для дальнейшей ее рекуперации.
Преимуществом данной схемы над ранее известными аналогами заключается в том, что она позволяет рекуперировать значительное количество энергии, затраченной на заряд. При этом потери энергии при таком подходе возникают при прохождении электрического тока через незначительные омическое сопротивления диодов, электронных ключей и самой катушки индуктивности, в то время как большая часть энергии возвращается обратно к конденсатору источника питания.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых представлена принципиальная схема устройства питания шагового пьезоэлектрического двигателя:
На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства в первом варианте осуществления.
На фиг. 2 изображена схема предлагаемого устройства во втором варианте осуществления.
На фиг. 3 изображена схема предлагаемого устройства в третьем варианте осуществления.
На фиг. 4 изображена схема предлагаемого устройства в четвертом варианте осуществления.
На фиг. 5 изображена схема линейного шагового двигателя для описания работы всех вариантов осуществления предлагаемого устройства питания.
Подробное описание вариантов воплощения изобретения
Предлагаемое изобретение направлено на создание устройства для питания шагового пьезоэлектрического двигателя, имеющего в конструкции как минимум три пьезоактюатора, работающих согласованно. В этом случае получается многотактная (многофазная) схема перемещения бегуна несколькими распорными ползунами.
Схема предлагаемого устройства во всех вариантах осуществления (фиг. 1 - фиг. 4) очерчена замкнутым штрих-пунктирным прямоугольником и содержит три параллельно соединенных независимых модуля для создания импульсов, поступающих на обкладки пьезоактюатора соответствующего модуля. Данное устройство позволяет реализовать шаговое управление двигателем.
n
Пьезоактюатор каждого модуля на фиг. 1 - фиг. 4 представлен исполнительным элементом (пьезоэлементом) P, порядок емкости которого десятые доли микрофарад и более.
Каждый модуль n (n=1, 2, 3) устройства питания согласно настоящему изобретению во всех вариантах осуществления подключен своими выходными выводами к источнику питания постоянного напряжения DC. Источник постоянного напряжения DC может быть управляемым и неуправляемым, с непосредственным и промежуточным преобразованием. Источники питания постоянного напряжения могут различаться по выходной мощности выпрямителя. В качестве источника питания постоянного напряжения может выступать автономный источник энергии, в качестве которого, как правило, выступает аккумуляторная батарея на соответствующую емкость и напряжение.
Источник питания постоянного напряжения имеет положительный вывод «+» и отрицательный вывод «-», к которым параллельно подключен накопительный конденсатор С1 своими обкладками.
n
Каждый модуль n (n=1, 2, 3) содержит пьезоактюатор P и образован двумя полумостами.
1n
2n
3n
4n
1n
4n
В первом варианте осуществления (фиг. 1) устройства согласно изобретению все три модуля выполнены идентичным образом. Первый полумост каждого модуля состоит из последовательно соединенных управляемых электронных ключей К и К, второй полумост - из последовательно соединенных управляемых электронных ключей К и К (далее - «ключ» или «электронный ключ»). Каждый из ключей К-К выполнен с возможностью проводить электрический ток от своего входа к своему выходу по сигналу «открыто», поступающему на его управляющий электрический контакт (управляемые ключи замкнуты), а также прекращать поступление электрического тока от своего входа к своему выходу по сигналу «закрыто», поступающему на его управляющий электрический контакт (управляемые ключи разомкнуты).
1n
1n
2n
2n
3n
3n
4n
4n
Параллельно каждому ключу подключены диоды, пропускающие электрический ток в одном направлении - от выхода ключа к его входу. Параллельно ключу К подключен диод D, ключу К - диод D, ключу К - диод D, ключу К - диод D.
1n
2n
1n
2n
n
Вход первого электронного ключа К подключен к положительному выводу источника питания постоянного напряжения DC. Выход второго электронного ключа К подключен к отрицательному выводу источника питания постоянного напряжения DC. Выход первого ключа К является средней точкой первого полумоста и соединен со входом ключа К. У первого модуля средняя точка первого полумоста обозначена на фиг. 1 как «а», у второго модуля - как «с», у третьего - как «е». Средняя точка первого полумоста каждого из модулей соединена соединена с первым выводом накопительного дросселя L.
3n
n.
n.
3n
Вход третьего электронного ключа К подключен к положительному контакту пьезоактюатора P Выход четвертого электронного ключа подключен к отрицательному выводу источника питания постоянного напряжения DC и к отрицательному контакту пьезоактюатора P Причем выход третьего ключа К является средней точкой второго полумоста. У первого модуля средняя точка второго полумоста обозначена на фиг. 1 как «b», у второго модуля - как «d», у третьего - как «f».
1n
4n
Все управляющие электрические контакты ключей К-К модулей соединены с устройством управления ключами полумостов, которое на фиг. 1 изображено схематично как «Control».
Во втором варианте осуществления (фиг. 2) устройства согласно изобретению средний (второй) модуль описанного выше устройства дополнительно включает третий полумост, подключенный параллельно первому полумосту второго модуля.
52
52
52
52
52
52
Третий полумост образован последовательно соединенным диодом D и управляемым пятым ключом К. Катод диода D подключен к положительному выводу источника питания постоянного напряжения DC, анод диода D соединен с входом пятого электронного ключа К и является средней точкой третьего полумоста «c1». Выход пятого электронного ключа К подключен к отрицательному выводу источника питания постоянного напряжения DC.
22
22
22
2
Со средней точной точкой третьего полумоста «c1» соединен первый вывод дополнительного накопительного дросселя L. Второй вывод дросселя L соединен со средней точкой второго полумоста. При этом индуктивность дросселя L больше индуктивности дросселя L.
1n
5n
На управляющий контакт каждого из ключей К-К поступает управляющий сигнал от устройства управления ключами, которое на фиг. 2 изображено схематично как «Control».
5n
1n
4n
Управляющий электронный ключ К, также, как и ключи К-К, выполнен с возможностью проводить электрический ток от своего входа к своему выходу по сигналу «открыто», поступающему на его управляющий электрический контакт (управляемые ключи замкнуты), а также прекращать поступление электрического тока от своего входа к своему выходу по сигналу «закрыто», поступающему на его управляющий электрический контакт (управляемые ключи разомкнуты).
1n
2n
3n
4n
В третьем варианте осуществления устройства питания шагового пьезоэлектрического двигателя (фиг. 3) все три модуля устройства, как и в первом варианте осуществления изобретения, выполнены идентичным образом. Первый полумост каждого модуля состоит из последовательно соединенных управляемых электронных ключей К и К. Второй полумост каждого модуля в третьем варианте осуществления образован последовательно соединенными управляемым третьим электронным ключом К и диодом D.
1n
3n
Каждый из ключей К-К выполнен с возможностью проводить электрический ток от своего входа к своему выходу по сигналу «открыто», поступающему на его управляющий электрический контакт (управляемые ключи замкнуты), а также прекращать поступление электрического тока от своего входа к своему выходу по сигналу «закрыто», поступающему на его управляющий электрический контакт (управляемые ключи разомкнуты).
1n
1n
2n
2n
3n
3n.
Параллельно каждому ключу подключены диоды, пропускающие электрический ток в одном направлении - от выхода ключа к его входу. Параллельно ключу К подключен диод D, ключу К - диод D, ключу К - диод D
1n
2n
1n
2n.
n
Вход первого электронного ключа К подключен к положительному выводу источника питания постоянного напряжения DC. Выход второго электронного ключа К подключен к отрицательному выводу источника питания постоянного напряжения DC. Выход первого ключа К является средней точкой первого полумоста и соединен со входом ключа КУ первого модуля средняя точка первого полумоста обозначена на фиг. 1 как «а», у второго модуля - как «с», у третьего - как «е». Средняя точка первого полумоста каждого из модулей соединена с первым выводом накопительного дросселя L.
3n
n
4n
n
3n
4n
Вход третьего электронного ключа К подключен к положительному контакту пьезоактюатора P, анод диода D подключен к отрицательному контакту пьезоактюатора P и к отрицательному выводу источника питания постоянного напряжения DC. Выход третьего электронного ключа К соединен с катодом диода D и является средней точкой второго полумоста. У первого модуля средняя точка второго полумоста обозначена на фиг. 3 как «b», у второго модуля - как «d», у третьего - как «f».
52
52
52
52
52
52
В четвертом варианте осуществления устройства питания шагового пьезоэлектрического двигателя (фиг. 4) второй (средний) модуль вышеописанного выше устройства дополнительно содержит третий полумост, подключенный параллельно первому полумосту второго модуля. Третий полумост образован последовательно соединенными диодом D и управляемым пятым ключом К. Катод диода D подключен к положительному выводу источника питания постоянного напряжения DC, анод диода D соединен с входом пятого электронного ключа К и является средней точкой третьего полумоста «c1». Выход пятого электронного ключа К подключен к отрицательному выводу источника питания постоянного напряжения DC.
22
22
22
2
Со средней точной точкой третьего полумоста «c1» соединен первый вывод дополнительного накопительного дросселя L. Второй вывод дросселя L соединен со средней точкой второго полумоста. При этом индуктивность дросселя L больше индуктивности дросселя L.
1n
3n
52
На управляющий контакт каждого из ключей К-К, К поступает управляющий сигнал от устройства управления ключами, которое на фиг. 4 изображено схематично как «Control».
5n
1n
4n
Управляющий электронный ключ К проводит электрический ток также, как и ключи К-К - от своего входа к своему выходу.
Во всех вариантах осуществления устройства согласно настоящего изобретения в качестве управляемого электронного ключа может быть использован любой приемлемый ключ, способный к размыканию, например, полупроводниковые ключи, такие как биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), MOSFET, запираемый тиристор с интегрированным управлением (IGCT) или тиристор с запираемым вентилем (GTO).
Все управляемые электронные ключи полумостов имеют одностороннюю проводимость. Коммутация ключей может производиться синхронно или с установленной в устройстве управления ключей полумостов временной задержкой.
Рассмотрим соединение устройства питания пьезоэлектрического шагового двигателя на примере линейного шагового двигателя, изображенного на фиг. 5. Двигатель состоит из корпуса 1, бегуна, расположенного в корпусе и состоящего из последовательно соединенных заднего распорного пьезоэлектрического ползуна 2, ходового пьезоактюатора 3 и переднего распорного пьезоэлектрического ползуна 4. Задний распорный пьезоэлектрический ползун 2 включает в себя задний пьезоактюатор 6, расположенный перпендикулярно воображаемой продольной оси корпуса 1. Передний распорный пьезоэлектрический ползун 4 включает в себя передний пьезоактюатор 7, также расположенный перпендикулярно воображаемой продольной оси корпуса 1. С передним распорным пьезоэлектрическим ползуном 4 соединен шток нагрузки 5.
Электронный блок управления 8 (фиг. 5) соединен электрическим проводом 9 с задним пьезоактюатором 7, электрическим проводом 10 - с ходовым пьезоактюатором 3, электрическим проводом 11 - с передним пьезоактюатором 7. Также электронный блок управления 8 соединен общим электрическим проводом 12 с задним пьезоактюатором 6, ходовым пьезоактюатором 3 и передним пьезоактюатором 8. В состав электронного блока управления 8 входит заявленное устройство питания шаговым пьезоэлектрическим двигателем, которое может управляться компьютером, микропроцессором или любым другим устройством управления через порты RS-232, USB и LPT. Двигатель подключается к устройству питания с помощью кабеля.
1
2
3
Способ работы описанного устройства поясняется ниже. Пьезоэлектрические исполнительные элементы (пьезоактюаторы) P, Р, Р, используемые при описании схемы устройства питания шагового двигателя в альтернативных вариантах осуществления (фиг. 1 - 4), соответствуют заднему пьезоактюатору 6, ходовому пьезоактюатору 3, переднему пьезоактюатору 7 (фиг. 5).
Бегун пьезоэлектрического двигателя движется в корпусе 1 мелкими шагами. Множество мелких шагов, следующих друг за другом, представляют собой квазинепрерывное возвратно-поступательное движение бегуна и соединенного с ним штока нагрузки между крайними положениями.
Движение при выталкивании штока нагрузки 5 из корпуса 1 (движение вперед) происходит следующим образом.
1. В первой фазе шага в начальном положении задний распорный пьезоэлектрический ползун 2 находится в свободном состоянии, то есть, задний пьезоактюатор 6 не давит на корпус 1 изнутри в поперечном направлении. Передний распорный пьезоэлектрический ползун 4 (фиг. 5) при этом находится в распертом состоянии, то есть передний пьезоактюатор 7 ползуна 4 давит на корпус 1 изнутри в поперечном направлении. Ходовой пьезоактюатор 3 при этом находится в свободном состоянии, то есть его длина минимальна в отсутствие на нем электрического напряжения.
3
1
2
Ссылаясь на схему устройства питания согласно первому (фиг. 1) или третьему варианту (фиг. 3) осуществления начальное положение характеризуется заряженным исполнительным элементом Р, и разряженными исполнительными элементами P и Р.
В первой фазе шага электрический потенциал через модуль 1 устройства питания согласно первому (фиг. 1) или третьему варианту (фиг. 3) осуществления поступает по проводу 9 на задний пьезоактюатор 6 линейного пьезоэлектрического двигателя (фиг. 5).
11
41
21
31
11
41
11
41
1
11
41
1
21
31
1
Поступление электрического потенциала осуществляется следующим образом. В течение первого промежутка времени формирования переднего фронта импульса напряжения сигналы «открыто» от устройства управления ключами полумостов "Control" в первом варианте (фиг. 1) осуществления устройства подаются на ключи К и К. На ключи К и К при этом поступают сигналы «закрыто» Напряжение источника питания постоянного напряжения DC через ключи К и К прикладывается к накопительному дросселю L1. Ток протекает от источника питания постоянного напряжения DC через ключ К, дроссель L1 и ключ К. В это время энергия от источника питания DC передается накопительному дросселю L. В течение второго промежутка времени формирования переднего фронта импульса напряжения от устройства управления ключами полумостов "Control" на все ключи К-К подаются сигналы «закрыто» (все электронные ключи разомкнуты). В результате электрическая энергия, накопленная в дросселе L, вызывает протекание электрического тока через диоды D и D, заряжающего пьезоактюатор P до максимального напряжения, определяемого условием баланса энергий.
11
21
31
11
11
3
1
1
1
В третьем варианте осуществления устройства питания (фиг. 3) в течение первого промежутка времени формирования переднего фронта импульса напряжения от устройства управления "Control" на ключ К подается сигнал «открыто» (ключ находится в замкнутом состоянии). На ключи К и К при этом поступают сигналы «закрыто» (ключи размыкают). В результате ключ К открывается, и напряжение питания источника DC через ключ К и диод D прикладывается к последовательному контуру, образованному дросселем L и емкостью пьезоактюатора Р. В результате ток дросселя нарастает по закону, близкому к синусоидальному, а напряжение на пьезоактюаторе P нарастает по закону, близкому к косинусоидальному.
1
11
31
1
Когда ток в дросселе L достигнет максимального значения, от устройства управления ключами полумостов "Control" на все ключи K-K подаются сигналы «закрыто» (электронные ключи размыкают). Напряжение на пьезоактюаторе P при этом достигает величины, несколько меньшей удвоенного напряжения источника питания.
1
1
Таким образом, устройство питания в первом и в третьем вариантах осуществления обеспечивает заряд пьезоэлектрического исполнительного элемента P. В течение всего времени формирования переднего фронта импульса напряжения. P остается заряженным до того момента, пока не начнется задний фронт импульса.
Вследствие этого задний распорный пьезоэлектрический ползун 2 переходит в распертое состояние. Ходовой пьезоактюатор 3 при этом зажат между двумя пьезоэлектрическими ползунами 2, 4, находящими в распертом состоянии.
3
2. Во второй фазе шага снимается электрический потенциал с пьезоактюатора Р путем подачи управляющих сигналов от устройства управления "Control" устройства питания на схему модуля 3 устройства питания согласно первому или третьему варианту осуществления (фиг. 1 или фиг. 3). При этом передний распорный пьезоэлектрический ползун 4 (фиг. 5) переходит в свободное состояние, то есть его пьезоактюатор 7 перестает давить на корпус 1 изнутри, или же оказывает минимальное давление. Зазор в этом случае между корпусом и ползуном 4 отсутствует.
33
23
13
43
3
33
23
3
3
23
33
13
43
3
3
Снятие электрического потенциала осуществляется следующим образом. От устройства управления "Control" сигналы «открыто» подаются на ключи К и К модуля 3 устройства питания согласно первому варианту осуществления (фиг. 1). На ключи К и К при этом поступают сигналы «закрыто». Начинается первый промежуток времени формирования заднего фронта импульса напряжения. В результате заряженный пьезоактюатор Р через ключи К и К оказывается замкнутым на дроссель L, образуя последовательный колебательный контур. В результате ток дросселя нарастает по закону, близкому к синусоидальному, а напряжение на пьезоактюаторе Р уменьшается по закону, близкому к косинусоидальному. В момент времени, когда напряжение на пьезоактюаторе становится равным нулю, начинается второй промежуток формирования заднего фронта импульса напряжения. От устройства управления ключами полумостов "Control" на ключи К и К поступают сигналы «закрыто» (ключи находятся в разомкнутом состоянии). С этого момента открываются диоды D и D и начинается второй период - возврат энергии от дросселя L к накопительному конденсатору С1. После этого пьезоактюатор Р остается разряженным до того момента, пока вновь не начнется очередной импульс.
33
23
13
33
23
3
3
3
В третьем варианте осуществления устройства питания (фиг. 3) в первом промежутке времени формирования заднего фронта импульса напряжения сигналы «открыто» от устройства управления ключами полумостов "Control" подаются на ключи К и К (ключи замыкают). На ключ К при этом поступает сигнал «закрыто» (ключ размыкают). В результате ключи К и К открываются, и заряженный пьезоактюатор Р оказывается замкнутым на накопительный дроссель L. В результате ток дросселя нарастает по закону, близкому к синусоидальному, а напряжение на пьезоактюаторе Р уменьшается по закону, близкому к косинусоидальному.
3
23
33
13
43
3
В момент времени, когда напряжение на пьезоактюаторе Р становится равным нулю, начинается второй промежуток времени формирования заднего фронта. От устройства управления ключами полумостов "Control" на ключи К и К поступают сигналы «закрыто» (ключи размыкают). С этого момента открываются диоды D и D, и начинается возврат энергии от дросселя L к конденсатору С1 блока питания.
3
После этого пьезоактюатор Р остается разряженным до того момента, пока вновь не начнется очередной импульс.
3. В третьей фазе шага электрический потенциал поступает через модуль 2 устройства питания, выполненного согласно первому (фиг. 1) или третьему (фиг. 3) альтернативному варианту осуществления, по электрическому проводу 10 на ходовой пьезоактюатор 3 (фиг. 5).
2
2
Схема модуля 2 устройства питания пьезоэлектрического двигателя согласно первому (фиг. 1) или третьему варианту (фиг. 3) осуществления обеспечивает заряд пьезоэлектрического исполнительного элемента Р в течение времени формирования переднего фронта импульса напряжения путем подачи последовательности управляющих сигналов на управляющие контакты электронных ключей модуля 2 определенным образом по аналогии с описанным выше. Пьезоактюатор Р остается заряженным до того момента, пока не начнется задний фронт импульса.
В результате этого ходовой пьезоактюатор 3 (фиг. 5) увеличивает свою длину. Соединенный с ним передний распорный пьезоэлектрический ползун 4 перемещается вперед на небольшое расстояние, увеличивая длину бегуна. Соответственно, передний распорный пьезоэлектрический ползун 4 выталкивает из корпуса 1 шток нагрузки 5 на небольшое расстояние.
4. В четвертой фазе шага электрический потенциал через модуль 3 устройства питания, выполненного согласно первому или третьему альтернативному варианту осуществления, по электрическому проводу 11 поступает на передний пьезоактюатор 7 (фиг. 5).
3
3
Схема модуля 3 устройства питания пьезоэлектрического двигателя согласно первому или третьему варианту осуществления обеспечивает заряд пьезоэлектрического исполнительного элемента Р (фиг. 1, 3) в течение времени нарастания переднего фронта очередного импульса напряжения путем подачи последовательности управляющих сигналов на управляющие контакты электронных ключей модуля 3 определенным образом по аналогии с описанным выше. Пьезоактюатор Р остается заряженным до того момента, пока не начнется задний фронт импульса.
Вследствие этого передний распорный пьезоэлектрический ползун 4 (фиг. 5) переходит в распертое состояние.
1
1
1
5. В пятой фазе шага снимается электрический потенциал с пьезоактюатора P путем подачи управляющих сигналов от устройства управления "Control" устройства питания на управляющие контакты электронных ключей модуля 1 устройства питания согласно первому или третьему варианту осуществления (фиг. 1 или фиг. 3) по аналогии с описанным выше. Схема модуля 1 обеспечивает разряд пьезоэлектрического исполнительного элемента P в течение времени формирования заднего фронта импульса напряжения. Пьезоактюатор P остается разряженным до того момента, пока не начнется очередной импульс.
При этом задний распорный пьезоэлектрический ползун 2 (фиг. 5) переходит в свободное состояние, то есть перестает давить на корпус 1 изнутри, или же оказывает минимальное давление. Зазор в этом случае между корпусом и ползуном 2 отсутствует.
2
2
2
6. В шестой фазе шага снимается электрический потенциал с пьезоактюатора Р посредством подачи управляющих сигналов на управляющие контакты электронных ключей модуля 2 устройства питания в первом (фиг. 1) или третьем (фиг. 3) варианте осуществления определенным образом по аналогии с описанным выше. Схема модуля 2 устройства питания пьезоэлектрического двигателя обеспечивает разряд пьезоэлектрического исполнительного элемента Р в течение времени формирования заднего фронта импульса напряжения. Р остается разряженным до того момента, пока не начнется очередной импульс.
Ходовой пьезоактюатор 3 (фиг. 5) переходит в свободное состояние, то есть уменьшает свою длину. При этом задний распорный пьезоэлектрический ползун 2 перемещается на небольшое расстояние в сторону штока нагрузки 5.
Подобное чередование фаз в течение одного шага работы пьезоэлектрического двигателя повторяется многократно до тех пор, пока бегун не достигнет крайнего переднего положения. Момент достижения крайнего переднего положения определяют по кривой изменения электрического тока в проводе 10. Также этот момент может быть определен по датчику обратной связи, указывающего на достижение бегуном крайнего переднего положения. Движение при втягивании штока нагрузки 5 в корпус 1 (движение назад) происходит аналогичным образом: фазы шага заднего ползуна осуществляет передний ползун, и наоборот.
В случае, если устройство питания шагового пьезоэлектрического двигателя исполняется согласно второму или четвертому альтернативному варианту осуществления, то при работе линейного шагового двигателя (фиг. 5) обеспечивается постоянный контакт между ходовым пьезоактюатором 3 и передним распорным ползуном 4, между ходовым пьезоактюатором 3 и задним распорным ползуном 2. Это достигается конфигурацией электронной схемы модуля 2, питание от которой осуществляется следующим образом:
2
Когда в нужную фазу шага электрический потенциал от модуля 2 устройства питания согласно второму или четвертому альтернативному варианту осуществления поступает на ходовой пьезоактюатор 3, в результате чего ходовой пьезоактюатор 3 увеличивает свою длину, исполнительный пьезоэлектрический элемент Р (фиг. 2, 4) заряжается в течение времени нарастания переднего фронта импульса напряжения.
2
12
42
22
32
52
12
42
2
12
2
42
2
12
52
2
32
22
2
При этом в первом промежутке времени формирования переднего фронта импульса напряжения на пьезоактюаторе Р сигналы «открыто» от устройства управления ключами полумостов "Control" во втором варианте (фиг. 2) осуществления устройства подаются на ключи К и К. На ключи К, К и К при этом поступают сигналы «закрыто». Напряжение источника питания постоянного напряжения DC через ключи К и К прикладывается к накопительному дросселю L. Ток протекает от источника питания постоянного напряжения DC через ключ К, дроссель L и ключ К. Энергия от источника питания DC передается накопительному дросселю L. Во втором промежутке времени формирования переднего фронта импульса напряжения от устройства управления ключами полумостов "Control" на все ключи К-К подаются сигналы «закрыто» (все электронные ключи разомкнуты). В результате электрическая энергия, накопленная в дросселе L, вызывает протекание электрического тока через диоды D и D, заряжающего пьезоактюатор Р до максимального напряжения, определяемого условием баланса энергий.
2
12
22
32
52
12
12
32
2
2
2
В четвертом варианте осуществления устройства питания (фиг. 4) в первом промежутке времени формирования переднего фронта импульса напряжения на пьезоактюаторе Р от устройства управления "Control" на ключ К подается сигнал «открыто» (ключ находится в замкнутом состоянии). На ключи К, К и К при этом поступают сигналы «закрыто» (ключи размыкают). В результате ключ К открывается, и напряжение питания источника DC через ключ К и диод D прикладывается к последовательному контуру, образованному дросселем L и емкостью пьезоактюатора Р. В результате напряжение на пьезоактюаторе Р нарастает.
12
52
2
32
22
2
2
Когда ток в дросселе L2 достигнет максимального значения, от устройства управления ключами полумостов "Control" на все ключи К-К подаются сигналы «закрыто» (электронные ключи размыкают). В результате электрическая энергия, накопленная в дросселе L вызывает протекание электрического тока через диоды D и D, заряжающего пьезоактюатор Р до максимального напряжения во втором промежутке времени формирования переднего фронта импульса на пьезоактюаторе Р.
При этом соединенный с ходовым пьезоактюатором 3 (фиг. 5) передний распорный пьезоэлектрический ползун 4 перемещается на небольшое расстояние.
2
В соответствующей фазе шага, когда снимают электрический потенциал от пьезоактюатора Р через электрическую схему модуля 2 устройства питания согласно второму или четвертому альтернативному варианту, ходовой пьезоактюатор 3 (фиг. 5) переходит в свободное состояние.
32
52
12
22
42
2
32
52
22
2
2
Согласно второму варианту осуществления (фиг. 2) устройства питания от устройства управления "Control" сигналы «открыто» подаются на ключи К и К модуля 2. На ключи К, К и К при этом поступают сигналы «закрыто». Начинается первый промежуток времени формирования заднего фронта импульса напряжения. В результате заряженный пьезоактюатор Р через ключи К и К оказывается замкнутым на дроссель L, индуктивность которого больше индуктивности дросселя L. В результате ток дросселя нарастает по закону, близкому к синусоидальному, а напряжение на пьезоактюаторе Р уменьшается по закону, близкому к косинусоидальному.
Время уменьшения напряжения на ходовом пьезоактюаторе 3 (фиг. 5) двигателя существенно превышает время нарастания импульса на этом пьезоактюаторе. Благодаря этому обеспечивается улучшенный контакт между ходовым пьезоактюатором 3 и распорными ползунами 2, 4.
32
52
52
42
22
2
В момент времени, когда напряжение на пьезоактюаторе становится равным нулю, от устройства управления ключами полумостов "Control" на ключи К и К (фиг. 2) поступают сигналы «закрыто» (ключи находятся в разомкнутом состоянии). С этого момента открываются диоды D и D и начинается фаза возврата энергии от дросселя L к накопительному конденсатору С1 в течение второго промежутка времени формирования заднего фронта импульса напряжения. После этого пьезоактюатор Р остается разряженным до того момента, пока вновь не начнется очередной импульс.
2
32
52
12
22
32
52
2
22
2
2
В четвертом варианте осуществления устройства питания (фиг. 4) в течение первого промежутка времени формирования заднего фронта импульса напряжения на пьезоактюаторе Р сигналы «открыто» от устройства управления ключами полумостов "Control" подаются на ключи К и К (ключи замыкают). На ключи К и К при этом поступает сигнал «закрыто» (ключи размыкают). В результате ключи К и К открываются, и заряженный пьезоактюатор Р оказывается замкнутым на накопительный дроссель L, индуктивность которого больше индуктивности дросселя L. При этом ток дросселя нарастает по закону, близкому к синусоидальному, а напряжение на пьезоактюаторе Р уменьшается по закону, близкому к косинусоидальному.
Время уменьшения напряжения на ходовом пьезоактюаторе 3 (фиг. 5) двигателя существенно превышает время нарастания импульса на этом пьезоактюаторе. Благодаря этому обеспечивается улучшенный контакт между ходовым пьезоактюатором 3 и распорными ползунами 2, 4.
2
32
52
52
42
22
2
В момент времени, когда напряжение на пьезоактюаторе Р (фиг. 4) становится равным нулю, от устройства управления ключами полумостов "Control" на ключи К и К поступают сигналы «закрыто» (ключи размыкают). С этого момента открываются диоды D и D, и начинается фаза возврата энергии от дросселя L к конденсатору С1 блока питания в течение второго промежутка времени формирования заднего фронта импульса. После этого в данной фазе пьезоактюатор Р остается разряженным до того момента, пока вновь не начнется очередной импульс.
Ходовой пьезоактюатор 3 (фиг. 5) переходит в свободное состояние, то есть, уменьшает свою длину. Вследствие удлиненного во времени процесса уменьшения электрического потенциала на ходовом пьезоактюаторе 3 уменьшение его длины происходит не быстро. Имеющий большую механическую инерцию задний распорный пьезоэлектрический ползун 2 движется в сторону переднего распорного пьезоэлектрического ползуна 4 без образования зазора в области контакта с ходовым пьезоактюатором 3 или с уменьшенным зазором в этой области. Благодаря этому обеспечивается улучшенный контакт между ходовым пьезоактюатором 3 и распорными ползунами 2, 4.
Следует четко понимать, что вышеприведенное описание предназначено для иллюстрации настоящего изобретения, а не для ограничения объема его охраны. Объем охраны должен определяться с учетом лишь формулы изобретения, наряду с полным объемом эквивалентов, на которые эта формула изобретения дает право.