CC BY
2
УДК 621.3
Дослщження супутнього ударно-в!бращйного шуму п'езоелектричного двигуна в режим! мжро- та наношвидкостей
Пет,ренко С. Ф.1, Омелян А. В.1, Лисенко О. М2, Антонюк В. С.2
1 Мале науково-виробниче шдприемство TOB "Лшея" 2Нацшнальний техшчний ушверситет Украши "Кшвський пол!техшчний ¡нститут ¡мен! Ггоря С!корського"
E-mail: victor.anl.oniuk&grnaiLcom
В робот! розгляпут! методи керуваш1я швидшстю п'езоелектричпих двигушв в м!кро- та паподь апазопах. На основ! ф1зичпих припцишв роботи п'езоелектричного двпгупа, з врахуваш1ям спе-цифши сигпал1в керувашш i зворотпього зв'язку. досл!джепо ударпо-в!брацшш ефектп лшшпого п'езоелектричного двпгупа кваз1резопапспого типу при р1зпих режимах керуваш1я швпдшстю в д!а-пазош ОДмкм/с... 10мм/с. Описано копструкцпо та принцип роботи п'езоелектрпчпого двигупа класу LPM-5 ф!рми DTI (який широко застосовуеться па практпц! i мае типову копструкцпо для лшйпих тишв двигушв). а також степд для досл1джеппя в!брацш при робот! двигупа в р!зпих д!апазопах швидкостей. Показано, що мехашчпа ударна деформац!я формуеться при зупипгц двигупа (при зпят-т! збуджешш). Це вказуе па те. що ударпе переваптажеппя при самогальмувапш двигупа вище. шж при розгош. тобто двигуп розгапяеться повгльшше. шж гальмуе. 3 метою змепшеппя ударпо-в1брацпшого ефекту. вся иодалына методолопя керуваппя швидшстю будувалася за принципом або повпого виключеипя дшяпок розгопу i гальмуваппя шляхом безперервпого керуваппя. або "ix максимального "згладжуваппя" при 1мпульспому керувапш. Запропоповаш алгоритми керуваш1я швидшстю забезпечили змепшешш в 2... 10 раз!в ударпо-в1брацшпого ефекту пор1впяпо з широтпо-1мпульспою модуляц!ею. Встаповлепо. що в м!крод!апазош швидкостей пайбглын ефективпим е комбшоваш алгоритми. як! поедпують в co6i як елемепти безперервпого керувашш шляхом скапуваш1я по частотшй характеристик двигупа, так i 1мпульспого шляхом впутр1шпьо1 модуляци частоти збуджеппя. Показано. що пайбглын ефектнвппм керуваипям в папод1апазош е частотпе керуваш1я при фшсовашй тривалост! 1мпульсу керуваппя папокроку двигупа. Отримаш результати дозволяють забезпечити д!апазоп керуваппя швидшстю (5 иорядшв) лшшпого п'езоелектрпчпого двигупа з врахуваппям його умов експлуатацп в мшромашпуляцшпш систем!, а також дають можливост! для використаппя лшш-mix п'езоелектричпих двигушв кваз1резопапспого типу в робототехшчпих i машпуляцшпих системах м!кро- i папод1апазопу i подалыного вдоскопалеппя з точки зору мипатюрнзацп i шдвшцеппя точность
Клюноог слова: п'езоелектричпий двигуп: швпдшсть: в!брац1я: м1крод1апазоп: папод1апазоп
DOI: 10.20535/RADAP.2019.78.67-73
Вступ
П'езоелектричш двигуни набувають широкого використаппя в ргашх галузях приладобудування. що дозволяв отримувати нов1 техшчш характеристики прилад1в [1 7. 9]. Особлива перспектива 1х використаппя набувае для мжро- 1 нанопсремщень. Це робить актуальною проблему керуваппя 1х швидшстю в мжро- 1 нанопростор1 [7].
Керуваппя швидшстю п'езоелектричного двигуна с достатньо складним завданням 1 в значшй м1р1 залежить ввд конструктивних особливостей самого п'езоелектричного двигуна. принципу його збуджешш. алгоритму стабЫзащ! швидкосп тощо.
Ця багатогранна задача по р1зному може ви-ршуватися для р1зних д1апазошв швидкостей. Це
легко поясшоеться. осшльки глибина регулюван-ня швидкоста для п'езоелектричного двигуна може досягати 4-5 порядшв. а резонансний контур збуджешш двигуна мае складну частотно-амшптудну характеристику.
В робот розглянуто обмежений д1апазон швидкостей. в якому працюе п'езослектричний двигун. наприклад лшшна мжромашпуляцшна система для клиинних технологш. а це в середньому 0.1 мкм/с ... 10 мм/с (5 порядив) [ ].
1 Постановка задач1
П'езоелектричпий двигуп мае ушкалыи старт-стопш характеристики, а саме час розгону 1 галь-
Рис. 1. Схема лшшного п'езоелектричного двигуна ЬРМ-э з прямокутним резонатором кваз1резонансного типу: Э — слайдер ; ПЕ - п'езоелемент; Е1,Е2,ЕЗ - електроди п'езоелемента; Т — штовхач; Р — пружина;
Г — генератор збудження.
мування визначаеться десятками-сотнями мшросе-кунд. Однак, такий режим виникае лише тшьки у тому випадку, якщо частота збудження, яка прикла-даеться, знаходиться поблизу резонансу частотно! характеристики — залежноста швидкост двигуна вщ частоты збудження. Зазвичай, це д1апазон великих швидкостей. Наприклад для стандартного лшшного двигуна класу ЬРМ — це в середньому 200мм /с [8].
Зменшенням амшптуди збудження (амшптудне керування) можна зменшити швщцасть в 3-5 ра-з!в, оскшьки подальше зменшення призводить до нер!вном1рносл1 руху аж до зупинки двигуна. Ана-лопчний ефект виходить 1 при змщенш частоти вщ максимуму резонансу частотно! характеристики (частотне керування) [7,9].
В такому способ! керування виб!р робочо! точки (робочо! частоти) здшснюеться на правому схюп частотно! характеристики двигуна. Цей спос!б дозволяв компенсувати р!зш змши само! частотно! характеристики двигуна, наприклад, викликаш тем-пературним впливом. Однак, зменшити швщцасть бшьше шж в о раз1в вщ максимально! вш не дозволяв. Тим бшьше, що цей спос!б не працюе коли йде мова про мал! швидкост! руху.
Тому, для формування малих швидкостей зазвичай використовують широтно-!мпульсну модуля-щю [7]. Це дуже ефективний спослб формування малих швидкостей, ! швидкост! тут можуть бути як в мшро-, так ! в нанод!апазонах [7]. Однак, цей спо-с!б супроводжуеться ударно-в!бращйними ефекта-ми, р!вень зменшення яких досягаеться здебшьшого за рахунок маси системы (в нашому випадку маншу-лятора) при одночасному пщбор! частоти широтно-!мпульсно! модуляцп, в!дходячи, наприклад, у висо-кочастотну область широтно-!мпульсно! модуляцп
кГц.
Цей метод добре працюе на мйфоманшулято-рах з обертальним п'езоелектричним двигуном з подалыиою конвертац!ею обертального руху в ль шйне поступальне на гвинтьгайщ, встановлених на прециз!йн!й направляюч!й. Це досить масивн!
п'езоелектричн! двигуни, наприклад, класу PM-20R
1 м!кроман!пулятори, наприклад, класу PSF-3, PSF-3IVF [10], що i дозволяе використовувати широтно-!мпульсну модуляц!ю в MiKpo- i нанод!апазонах.
Подальша м!н!атюризащя (зменшення масо-габаритних параметр!в) м!кроманшулящйних систем nocTiiÏHO потребуе пошуку нових техшчних pimeHb. Одним з таких i е використання л!н!й-них п'езоелектричних двигун!в, яи в декшька раз!в менше i легше обертальних [8,9]. Таш двигуни ви-ключають вузли конвертацп обертального руху в ль HiiÏHe поступальне, що також значно зменшуе масо-габаритн! параметри. Маншулятори на основ! таких двигушв мають великий д!апазон перем!щень.
Однак, як показали попередш експерименти, при керуванш швидшсть широтно-!мпульсною мо-дулящею в таких системах особливо вщчутш ударно-в!брацшш ефекти i яп, найчаст!ше, недопустим! при робот! м!кроматпулящйно! системи.
Метою роботи е досл!дження супутшх ударно-в!бращйних ефект!в л!н!йного п'езоелектричного mî-кродвигуна в д!апазош 0,1мкм/с ... 10 мм/с при р!зних режимах керування швидшстю, що базу-ються на частотному скануванн! i безперервному коригуванш частоти збудження двигуна по сигналу зворотного зв'язку з датчика швидкост!.
2 Об'ект та методи дослщження
Для досл!дження i анал!зу запропонованих мето-д!в керування п'езоелектричним двигуном в режим! MiKpo- та наношвидкостей використовували л!н!й-ний мшродвигун класу LPM-5 [8]. Це клас cepiiÏHoro л!н!йного п'езоелектричного двигуна з безпосере-дн1м контактом i прямокутним плоским резонатором кваз!резонансного типу на стоячих акустичних хвилях.
Схема такого п'езоелектричного двигуна представлена на рис. 1. На вщмшу вщ двигушв шмецько! компанп Physik Instrumente (PI) [11], в такому дви-гуш штовхач е елементом резонатора (одне цше з
Рис. 2. Структурна схема стенду для вим1рювання параметр1в п'езоелектричного двигуна: ПК- персо-
нальний комп'ютер, МК- мшроконтролер
резонатором) i виконуе функцИ концентратора ме-хатчних коливань в зот фрикщйного контакту. Кваз1резонансний двигун працюе на суперпозищ!' друго! повздовжньо! моди коливань по довжит резонатора i nepnio'i повздовжныл моди коливань по rnnpnni резонатора, яи рознесет по частота в межах 3 ... 5%.
Суперпозищя цих двох незалежних взаемоорто-гональних коливань при i'x фазовому зсув1 ~ 900 (який задаеться в першу чергу геометр1ею резонатора i результуючою частотою збудження) приводить до виникнення мехатчного "нано-елшса" руху в зот фрикцшного контакту штовхача.
Для збудження цих коливань за рахунок зворо-тнього п'езоелектричного ефекту, п'езоелемент мае два електроди El, Е2 з одте!' сторони i сшльний еле-ктрод ЕЗ (на рисунку не показано) з шшо! сторони. П'езоелемент притиснутий за допомогою двох пружин Р через контактну площадку штовхача до слайдера S pyxoMo'i каретки. Збудження п'езоелемента здшснюеться за допомогою генератора Г. Робоча
...
При збудженш п'езоелемента через електрод Е1 в контактнш фрикцшнш зот формуеться мехат-чний "нано-елшс" правого обертання, який рухае каретку в правому R напрямку. Аналопчно, при збудженш п'езоелемента через електрод Е2 формуеться мехашчний "нано-елшс" л1вого обертання, який рухае каретку в л1вому L напрямку.
Структурна схема стенду для вим1рювання па-раметр1в двигуна в nponeci дослщження представлена на рис. 2.
Стенд включав послщовно з'еднат персональ-ний комп'ютер, перетворювач USB-UART, мшро-контролер, пщсилювач сигнап1в генератора збудження, дослщжуваний двигун, п'езоелектричний датчик ударно-в1брацшного шуму, вим1рювач швид-Kocri двигуна. Вим1рювач швидкоста оптично зв'язаний з рухомою кареткою двигуна i електрично з контролером.
П'езоелектричний датчик ударно-в1брацшного шуму жорстко встановлений на Kopnyci двигуна i електрично зв'язаний з цифровим осцилографом типу Tektronix, вихщ якого пщ'еднано до персонального комп'ютера. В nponeci вюпрювань дода-тково контролювали струм п'езодвигуна за допомогою вюпрювача струму, а весь стенд живився вщ джерела постшного струму 12В.
Вим1рювач швидкосп був виконаний на ochobí оптичного енкодера ÍC-PX3212 з pißneM роздыьно'1 здатносп 2,6 мкм. Оптична лшшка енкодера бу-ла закршлена на рухомш KapeTni, а сам датчик на Kopnyci двигуна. Сигнал з енкодера ^мпульси ^5В) надходили на мжроконтролер для подальшо! обробки и формування сигналу помилки швидкость
П'езоелектричний в1бродатчик виконаний на ochobí тонкого п'езоелектричного диску товщиною 0,2 мм, д1аметром 20 мм i чутливклло 0,05 мкм/мВ, закршленого на Kopnyci двигуна за допомогою жорсткого клею на циакршовш ochobí.
Власний шум в1бродатчика i його вим1рюючого каналу знаходився на pißni ^5мВ, що дозволяло оцшювати мппмальну амшптуду Bi6panifi на pißni 0,2 ... 0,3 мкм. Цього цшком достатньо для оцшки ступеня вщповщжхлл п'езоелектричного двигуна в умовах експлуатацп в мшроматпуляцшнш систем! для кл!тинних технологш на 6a3Í оптичного мшро-скопу, граничний pißenb розд1льно'1 здатносп якого ^0,6 мкм.
В nponeci роботи персональний комп'ютер над-силав параметри керування на мжроконтролер PIC16F18325, а саме режим роботи (широтно-!мпульсна модуляшя або заданий алгоритм), значения необхщно!' швидкостц напрямок руху двигуна.
У вщповщност! з цими командами керування на виход! мшроконтролера формувався сигнал збудження двигуна, який проходячи через пщсилювач надходив на вщповщне плече двигуна i приводив його в рух з вщповщною швидюстю. В nponeci руху вюпрювався сигнал BÍ6panmnoro шуму двигу-
на, який надходнв на персоналвний комп ютер для подалвшот обробки.
3 Дослщження швидкоси п'е-зоелектричних двигушв в мжро- та нанод1апазонах
Спочатку виконувалося дослщження ударно-в1бращйного ефекту при формувант одиночного 1мпулвсу керування двигуном. Типова осцилогра-ма виникаючих гпбратй на корпус! двигуна при 1мпулвсному керуванш представлена на рис. 3.
1з пред став лених даних с,;п д\(-:, що мехашчна ударна деформащя формуетвся при зупинщ двигуна, тобто при знятт1 збуджения. Це вказуе на те, що ударне перевантаження при самогалвмуван-ш двигуна вище, нЪк при розгош, тобто двнгун розганяетвся повшвшше, шж галвмуе. <Шзпчно це зрозумшо, оскшвкп на дшянщ розгону вщбуваетвся иоступове "розклинювання" [ розгш системи, а на дитяпш галвмування — миттеве "заклинювання" [ галвмування, хоча цей час 1 вим1рюетвся десятками-сотнями микросекунд [71.
3.1 1нтервал 10 мм/с ... 1 мм/с
Найбшвш ефективним в цвому д1апазош швид-костей виявився (умовно названий) чаетотно-безперервний алгоритм, який базувався на нала-штуванш швидкост1 за сигналом датчика швидкостт шляхом змши чаетоти на правому схи.;п чаетотно1 характеристики п'езоелектричних двигушв [12].
В такому алгоритм! крок квантування чаетоти збудження — дискрет змши чаетоти за сигналом помилки шдбирався з умови крутизни само1 частотно! характеристики, а сигнал помилки формував-ся по штегралвному (накоиичувалвному) принципу прийнятих 1миулвс1в з енкодера.
Характерним тут було те, що працював псте-резнс двигуна з шириною 5 ... 10 кГц [ ]. Тобто
...
а це зона нечутливост1 (як згадувалося ранипе, ро-...
факт, що система фактично розширяла чаетотну зону збудження двигуна заходим и в зону низвких швидкостей, виключаючи при цвому дшянки зупин-кп 1 повторного запуску двигуна.
Пор1внялвний експерименталвний резулвтат ударно-в1брацшного ефекту для дослщжуваного алгоритму [ широтно4мпулвсно1 модуляцп в пттервал1 ...
рис. 4.
Рис. 3. Осцилограма ударно-в1брацшного ефекту на корпус! двигуна при 1мпулвсному збудженш.
Тобто, на дшянщ розгону, розклинювання вщ-буваетвея практично на нулвовш швидкост1, а на дитяпш галвмування мехатчне заклинювання гпд-буваетвея на максималвнш швидкостг
Тому, з метою зменшення ударно-в1брацшного ефекту, вся подалвша методолопя керування швид-гастю будувалаея за принципом або повиого виклю-чеиня дшянок розгону [ галвмування шляхом без-перервного керування, або 1х максималвного "згла-джування" при 1мпулвсному керуванш.
В зв'язку з цим, для р1зних швидюсних штер-валтв дослщжувалися р1зш алгоритми керування швидюстю, основним критер1ем ощнки яких був ударно-в1бращйний ефект.
Рис. 4. Р1венв шуму при керуванш в режим1 широтно4миулвсно1 модуляцп (Ш1М) [ при керуван-ш чаетотно-безперервним алгоритмом в д1апазош ...
Гц, д1апазон змши тривалост1 1мпулвс1в Ш1Му — 80...270 мкс).
1з представ лених даних слщуе, що ампл1туду в1бращй в иор1внянш з широтно4мпулвсною моду-лящею вдалося зменшити в 3-10 раз1в 1 довести до р1вня ^20 мВ, що вщповщало амил1тущ мехашчних в1бращй мкм. При цвому практично иовшетю
вдалося виключити акустичний шумовий ефект, су-пуп пй ударно-в1брацшному.
3.2 1нтервал 1 мм/с ... 0.1 мм/с
Для роботи в цвому штервал1 швидкостей най-бшвш ефективним виявився 1мпулвсно-гармоншиий алгоритм з пакетами збудження [ при фжсованш частот! 1х слщування. Частота збудження двигуна в самих пакетах змшювалаея за гармоншним законом (принципом частотно1 "гармошки"), а шдстроюван-ня швидкост1 здшснювалаея за сигналом иомилки швидкост1 шляхом зеуву вевого пакету збудження на фжсований крок квантування по правому контуру чаетотно1 характеристики двигуна.
При цвому частотна ширина пакету, швидшетв змши частоти збудження в пакету частота слщування пакет1в, сигнал формування иомилки 1 т.д. пщбиралися експерименталвно з врахуванням мпп-лпзацп ударно-в1брацшного ефекту.
Пор1внялвний ексиерименталвний резулвтат ударно-в1брацшного ефекту для дослщжуваного алгоритму [ в режим1 широтно4миулвсно1 модуляцп в штервал1 швидкостей 1 мм/с ... 0,1 мм/с представлено на рис. 5.
■400.....................
0 ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 Швидшсть, мм/с
■400
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 Швидккть, мм/с
Рис. 5. Р1венв шуму при керуванш в режи-М1 ттти ротп о-штт ул ьспоТ модуляцп [ при керуван-ш 1мпулвсно-гармоишним алгоритмом в ддапазош швидкостей 0,1-1мм/с, (частота Ш1Му — 278 Гц, д1апазон змши тривалост1 1мпулвсу ППМу — 36...80 мке, частотна ширина пакету — 10 кГц, час змши частоти збудження в пакеп — 1 мс, частота слщування пакетов — 120 Гц).
1з представленнх даннх слщуе, що амплиуду гл-брацш пор1вняно з шпротно4мпулвсною модулящею вдалося зменшити в 2-3 рази, а також довести ТТ до р1вня ^20 мВ, що вщповщало ампл1туд1 мехашчннх в1брацш мкм. При цвому також вдалося зна-
чно зменшити акустичний шумовий ефект, супутнш ударно-в1брацшному.
...
Для роботи в цвому штервал1 дослщжувався чаетотно4мпулвсний алгоритм з пакетами збудження (за аналопею з номере ним алгоритмом), але в якому частота слщування паке п в змшна, (зменшу-валаея иропорцшно зменшенню швидкост1).
В нашому випадку це було зменшення вщ 120 Гц до 12 Гц, тобто в 10 раз1в.
Пор1внялвний ексиерименталвний резулвтат ударно-в1брацшного ефекту для дослщжуваного алгоритму [ широтно4мпулвсно1 модуляцп в штервал1
...
на рис. 6.
400
.400 ------------------------------------------------ш
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1
Швидшсть, мм/с
Рис. 6. Р1венв шуму при керуванш в режи-м1 широтно4мпулвсно1 модуляцп [ при керуватттп чаетотно4мпулвсним алгоритмом в ддапазош швид-...
28 Гц, д1аназон змши тривалост1 1миулвсу ППМу — ...
змши частоти збудження в пашлт — 1 мс, частота
...
1з представленнх резулвтатав дослщженв сль дуе, що вже в обласп ^10 мкм/с р1венв ударно-в1брацшного шуму як для даного алгоритму, так 1 для широтно4мпулвсно1 модуляцп був близвкий до власного шуму в1бродатчика (^0,3 мкм), що вказу-вало на можливютв керування в режим1 ППМу в облает! як мнфошвидкостей, так I наношвидкоетей.
Це пояснюетвся тим, що в цш облает1 тривалштв керуючого 1мпулвсу вим1рюетвся 3-5 перюдами [м...
цей час двигун не встигае розшнатися 1 швидшетв галвмування на порядки менше максималвно1 [7].
Як резулвтат — стушив удано-в1брацшного впли-ву р1зко зменшуетвея.
3.4 1нтервал 10 мкм/с ... 1 мкм/с
3 метою апробацп вищесказаного, досл!джував-ся алгоритм частотного керування, в якому дви-гун збуджувався фжсованою резонансною частотою ~150 кГц. Триватств !мпульсу (пакету) збудження двигуна також була фжсована 1 в1дпов1дала 5 перюдам збудження (в нашому випадку ^35 мкс), що в!дпов1дало одному кроку двигуна ^100 нм, а частота сл!дування пакет1в збудження змшювалася в залежност1 в1д швидкост1 в\д 10 Гц до 100 Гц.
Залежшств швидкост1 двигуна в1д чаетоти сль дування 1мпулвс1в при такому режим1 керування представлена на рис. 7.
Рис. 7. Частотне керування двигуном в д1апазош швидкостей 1 мкм/с ... .10 мкм/с при фжсованш тривалосл !мпульсу ~35 мкс.
1з представ лених даних ашдуе, що швидюств в мжрод1апазош практично лшшно залежить в1д чаетоти, а ТТ в1брацшна складова не фжсувалася наявними засобами контролю 1 була нижче р1вня власного шуму вим1рювалвного тракту.
...
Для роботи в цвому штерваш зменшено тривало-ст! ¡мпульсу збудження до ^20 мкс, що в!дпов1дало одному кроку двигуна ^20 нм, 1 частотне слщуван-ня 1мпулвс1в в1д 5 до 50 Гц.
Залежшств швидкост1 двигуна в1д чаетоти сль дування 1мпулвс1в при такому режим1 керування представлена на рис. 8.
Рис. 8. Частотне керування двигуном в д1апазош швидкостей 0,1 мкм/с ... 1 мкм/с при тривалост1 ÍMnyuBcy ~20 мкс.
Отримано аналопчш резулвтати пор1вняно з по-передшм штервалом: швидюств практично лшшно залежитв в\д чаетоти, в1брацшна складова не фжсу-валася наявними засобами контролю 1 була нижче р1вня власного шуму вим1рювалвного тракту.
Висновки
На основ1 ф1зичних принцишв роботи п'езоелектричного двигуна, з врахуванням специ-фжи сигнашв керування 1 зворотнвого зв'язку, запропоноваш 1 досл1джеш методи керування швид-
...
дозволило:
1. Забезпечити д1апазон керування швидюстю (5 порядюв) лшшного п'езоелектричного двигуна кваз1резонансного типу з врахуванням його умов експлуатацп в мжроманшуляцшшй си-стеми.
2. Зменшити в 2-10 раз1в ударно-в1бращйний шум при робот1 в мжрод1апазош в пор1в-нянш з керуванням за допомогою широтно-1мпулвсно1 модуляцп. Показано, що в м!кро-д1апазош швидкостей найбшвш ефективним е комбшоваш алгоритми, як\ поеднуютв в соб1 як елементи безперервного керування шляхом сканування по частотнш характеристик двигуна, так 11мпулвсного — шляхом внутртнво! модуляцп чаетоти збудження.
3. Забезпечити лшшний безв1бращйний режим керування швидшетю в нанод1апазош. Показано, що в цвому д1апазош керування швидюстю може будуватися за принципом частотного керування — шляхом змши чаетоти ашдування фжсованого нанокроку двигуна.
Отримаш резулвтати вщкриваютв можли-воси для широкого використання лшшних п'езоелектричних двигушв кваз1резонансного типу в робототехшчних 1 маншуляцшних системах мжро-1 нанод!апазону, а також Тх подалвшого вдоско-налення з точки зору миатюризацп, шдвищення точност1 1 здешевлення.
References
[1] Wang D.H., Yang Q. and Dong H.M. (2013) A Monolithic Compliant Piezoelectric-Driven Microgripper: Design, Modeling, and Testing. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 18, Iss. 1, pp. 138-147. DOI: 10.1109/tmech.2011.2163200
[2] Amin-Shahidi D. and Tr urn per D.L. (2014) Design and control of a piezoelectric driven reticle assist device for prevention of reticle slip in lithography systems. Mechatronics, Vol. 24, Iss. 6, pp. 562-571. DOI: 10.1016/j.mechatronics.2014.03.001
[3] Kongthon .1. and Devasia S. ("2013) Iterative Control of Piezoactuator for Evaluating Biomimetic, Cilia-Based Micromixing. 1EEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 18, Iss. 3, pp. 944-953. DOl: 10.1109/tmech."2012."2194302
[4] Gu G„ Zhu L., Su G. and Ding H. ("2013) Motion Control of Piezoelectric Positioning Stages: Modeling, Controller Design, and Experimental Evaluation. 1EEE/ASME Transactions on Mcchatroni.cs, Vol. 18, Iss. 5, pp. 1459-1471. DOl: 10.1109/tmech.2012.2203315
[51 Gu G., Zhu L„ Su G., Ding H. and Fatikow S. ("2016) Modeling and Control of Piezo-Actuated Nanopositioning Stages: A Survey. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, Vol. 13, Iss. 1, pp. 313-332. DOl: 10.1109/tase."2014."2352364
[6] Alonso-delPino M., .lung-Kubiak C., Reck Т., Llombart N. and Chattopadhyay G. ("2019) Beam Scanning of Silicon Lens Antennas Using Integrated Piezomotors at Submillimeter Wavelengths. IEEE transactions on Terahertz Science and Technology, Vol. 9, Iss. 1, pp. 47-54. DOl: 10.1109/tthz."2018."2881930
[7] Petrenko S.F. ("2002) P'ezoelektricheskii duigatel' v pri-borostroenii [A piezoelectric motor in instrument]. Kornii-chuk Publ., 96 p.
[8] Digital International Technology. Available at: www. dtimotors.com
[9] Lavrinenko V. V. ("2015) Printsipy postroeniya p'ezo-elektricheskikh motorou. О snowy teorii i realizatsiya [The principles of construction of piezoelectric motors. Fundamentals of theorv and implementation]. Lambert, "227 p.
[10] Piezo Technologies. Available at: piezotech.com.ua
[11] Halchenko V.Y., Filimonov S.A., Batrachenko A.V. and Filimonova N.V. ("2018) Increase the Efficiency of the Linear Piezoelectric Motor. .Journal of Nano- and Electronic Physics, Vol. 10, Iss. 4, pp. 04025-1. DOl: 10.21272/jnep. 10(4).04025
[1"2] Petrenko S., Omelyan A., Antonyuk V. and Novakovsky O.G. ("2018) Piezoelectric motor control system. Bulletin of Kyiu Polytechnic Institute. Series Instrument Making, Iss. 55(1), pp. 5-10. DOl: 10."20535/1970.55(1)."2018.135857
Исследование сопутствующего ударно-вибрационного шума пьезоэлектрического двигателя в режиме микро- и наноскоростей
Петренко С. Ф., Омелян А. В., Лысенко А. Н., Антонюк В. С.
В работе рассмотрены совершенствования методов управления скоростью пьезоэлектрических двигателей в микро- и паподиапазопе. На основе физических принципов работы пьезоэлектрического двигателя, с учетом специфики сигналов управления и обратной связи, исследованы ударпо-вибрациоппые эффекты лилейного пьезоэлектрического двигателя квазирезопапепого типа при различных режимах управления скоростью в
диапазоне 0,1мкм/с...10мм с. Предложенные алгоритмы управления скоростью, обеспечили уменьшение в 2.... 10 раз ударпо-вибрациоппого эффекта по сравнению с широтпо-импульспой модуляцией. Установлено, что в микродиапазопе скоростей наиболее эффективно комбинированные алгоритмы, которые сочетают в себе как элементы непрерывного управления путем сканирования по частотной характеристике двигателя, так и импульсного - путем внутренней модуляции частоты возбуждения. Показано, что наиболее эффективным управлением в паподиапазопе является частотное управление при фиксированной длительности импульса управления - папошага двигателя. Получеппые результаты позволяют обеспечить диапазон управления скоростью (5 порядков) лилейного пьезоэлектрического двигателя с учетом его условий эксплуатации в микро-мапипуляциошгой системе, а также дают возможности для использования лилейных пьезоэлектрический двигателей квазирезопапепого типа в робототехпических и мапипуляциоппых системах микро- и паподиапазопе и дальнейшего совершенствования с точки зрения миниатюризации и повышения точности. :
Ключевые слова: пьезоэлектрический двигатель: скорость: вибрация: микродиапазоп: паподиапазоп
Research of concomitant shock-vibration noise of a piezoelectric motor in the mode of micro and nano speed
Petrenko S.F., Omelian A.V., Lysenko O.M., Antonyuk V.S.
This work is devoted to improvement of methods for controlling the speed of piezoelectric motors in the micro and nano-bands. Based on the physical principles of the piezoelectric motor, taking into account the specifics of control signals and feedback, investigated the shock-vibration effects for linear piezoelectric motor by quasi-rezonance type under different speed control modes in the range of 0,1 цт/s...lO mm/s. Proposed speed control algorithms, which ensured a decrease of 2...10 times the shock-vibration effect in comparison with pulse-width modulation. It is established that in the speed microwave range the most effective are combined algorithms that combine as elements of continuous control by frequency response scanning for engine, and pulse by internal modulation of excitation frequency. The paper shows that the most effective control in nano-band is frequency control with a fixed duration of control pulse a nanocorrect. engine. The obtained results allow to provide a control range of speed (5 orders) for linear piezoelectric motor taking into account it's operating conditions in a micromanipulation system, as well as provide opportunities for use linear piezoelectric motors of quasi-resonance type in robotic and manipulation systems in micro and nano-range and further improvement in terms of miniaturization and increased accuracy.
Key words: piezoelectric motor: velocity: vibration: micron: nano-range
