УДК 621.3.049.77
ИМПУЛЬСНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ПЬЕЗОПРИВОДА
- А.Т. Бейсебаев±, А.Б. Альжанов2
Павлодарский государственный университет III им. С. Торайгырова, Павлодар, Казахстан
Институт механики и машиноведения ■ ;V' им. акад. У. А Джолдасбекова, Алматы, Казахстан
Аталган жумыста нанотехнологияда. микроэлектроникада пьезожетект1Ц %олданылуы талданады жэне оныц динамикалык, сипаттамасы келт/ривд1.
В данной работе анализируется применение пьезопривода в нанотехнологии и микроэлектонике и приводятся его динамические
„ | характеристики.
The work analyzes the use of piezoelectric drive in nano-technology and microelectronics and gives its dynamic characteristics.
Применение пьезодвигателя (ПД) наноперемещений перспективно в оборудовании нанотехнологии, нанобиологии, микроэлектроники и астрономии. ПД работает на основе обратного пьезоэффекта, в котором эффект перемещения достигается за счет деформации пьезоэлемента при приложении внешнего электрического напряжения. ПД из пьезоэлектрической керамики на основе цирконата и титаната свинца, промышленных марок ЦТС или PZT обеспечивает диапазон перемещения от единиц нанометров до единиц микрометров с точностью до десятых долей нанометров [1, 2]. Увеличение диапазона перемещения привода до десятков микрометров достигается за счет применения составного ПД.
При эксплуатации пьезопривсда в нанотехнологии и микроэлектронике необходимо учитывать емкостный характер нагрузки при подключении ПД к схеме управления [2].
Для коррекции динамических характеристик пьезопривода целесообразно использовать пьезодатчик, ЧЭ которого конструктивно соединен с выходным валом ПД. Например, для улучшения качества работы САУ сканирующего устройства с пьезоприводом при инерционной нагрузке можно применить корректирующую обратную связь по второй производной перемещения ПД. Такая кор-
64
НАУКА И ТЕХНИКА КАЗАХСТАНА
ректирующая обратная связь имеет аналогию в классическом электроприводе в виде обратной связи по второй производной угла поворота выходного вала.
В качестве корректирующего звена обратной связи используем пьезодат-чик, ЧЭ которого служит выходная пьезопластина или пьезопакет, набранный из электрически параллельно соединенных пьезопластин.
Введением отрицательной обратной связи по току, эквивалентной отрицательной обратной связи по скорости, получаем демпфирование ПД в результате увеличения его коэффициента затухания
где %т( - коэффициент затухания демпфированного потоку ПД; "%т и Тт -коэффициент затухания и постоянная времени ПД, соответственно; к - коэффициент передачи ПД; кс - коэффициент передачи по току.
При замыкании локальной отрицательной обратной связи при упругой нагрузке на ПД возникает возможность повышения быстродействия за счет уменьшения его эквивалентной постоянной времени
где Т - постоянная времени при упругой нагрузке; ке - коэффициент передачи при упругой нагрузке. В результате использования пьезодатчика, при инерционной нагрузке на ПД, получаем сигнал отрицательной обратной связи, пропорциональный ускорению. Следовательно, получаем увеличение постоянной времени ПД
где к, и Тт - коэффициент передачи и постоянная времени при инерционной нагрузке, соответственно.
При упруго-инерционной нагрузке при использовании пьезодатчика получаем сигнал равный сумме составляющих, одна из которых пропорциональна перемещению, а другая - ускорению. В этом случае возникает возможность регулирования постоянной времени ПД
J -т
1
где - постоянная времени при упруто-инерционной нагрузке. Следовательно, применение пьезодатчика в САУ пьезоприводом нанопере-мещений позволяет эффектно корректировав динамические характеристики ПД.
Рассмотрим обобщенную стр\тстуру систем импульсного регулирования пье-зопривода с использованием импульсных регуляторов перемещения ПД, обеспечивающих обратные связи по напряжению, току, перемещению, скорости, ускорению (рис. 1).
Рисунок 1
В рассматриваемых системах и регуляторах задающий сигнал через устройство сравнения, поступает на вход трехпозиционного релейного усилителя. В зависимости от полярности задающего сигнала при превышении зоны нечувствительности релейного элемента включаются реле (Р). При этом на вторые входы реле генератора поступают тактирующие импульсы (рис. 2). Одно реле обеспечивает в соответствии с тактирующими импульсами включение высоковольтного ключа, который питает высоким напряжением от источника напряжения одну из диагоналей мостовой схемы, в другую диагональ включен ПД.
Рисунок 2
Реле трехпозиционного релейного усилителя, которые соединены с управляющими входами ключевых элементов (К), включенных в противоположные плечи моста, открывают в соответствии с тактирующими импульсами ключи в противоположных плечах моста, например, тиристоры, оптроны, транзисторы, че-
66
НАУКА И ТЕХНИКА КАЗАХСТАНА
рез которые происходит заряд емкости ПД, причем расширение или сжатие ПД происходит в зависимости от полярности задающего сигнала.
Полученные зависимости позволяют выбирать с учетом нагрузки необходимые корректирующие обратные связи для получения требуемых характеристик пьезопривода с импульсным регулированием перемещения ПД.
ЛИТЕРАТУРА
1. Афонин С.М. Пьезопреобразователи для приводов микроперемещепий // Приборы и системы управления. 1998. № 2.
2. Казаков Л.А. Электромагнитные устройства РАЭ: Справочник. М.: Радио и связь, 1991.
3. Физическая акустика. Т. 1. Часть А. Методы и приборы ультразвуковых исследований / Под ред. У. Мэзона. М.: Мир, 1966.