7. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МИКРОДВИГАТЕЛИ
Пьезоэлектрическими микродвигателями (ПМД) называются двигатели, в которых механическое перемещение ротора осуществляется за счет пьезоэлектрического или пьезомагнитного эффекта .
Отсутствие обмоток и простота технологии изготовления не являются единственными преимуществами пьезоэлектрических двигателей. Высокая удельная мощность (123 Вт/кг у ПМД и 19 Вт/кг у обычных электромагнитных микродвигателей), большой КПД (получен рекордный до настоящего времени КПД = 85%), широкий диапазон частот вращения и моментов на валу, отличные механические характеристики, отсутствие излучаемых магнитных полей и ряд других преимуществ пьезоэлектрических двигателей позволяют рассматривать их как двигатели, которые в широких масштабах заменят применяемые в настоящее время электрические микромашины.
§ 7.1. Пьезоэлектрический эффект
Известно, что некоторые твердые материалы, например, кварц способны в электрическом поле изменять свои линейные размеры. Железо, никель, их сплавы или окислы при изменении окружающего магнитного поля также могут изменять свои размеры. Первые из них относятся к пьезоэлектрическим материалам, а вторые - к пьезомагнитным. Соответственно различают пьезоэлектрический и пьезомагнитный эффекты.
Пьезоэлектрический двигатель может быть выполнен как из тех, так и из других материалов. Однако наиболее эффективными в настоящее время являются пьезоэлектрические, а не пьезомагнитные двигатели.
Существует прямой и обратный пьезоэффекты. Прямой - это появление электрического заряда при деформации пьезоэлемента. Обратный - линейное изменение размеров пьезоэлемента при изменении электрического поля. Впервые пьезоэффект обнаружили Жанна и Поль Кюри в 1880 году на кристаллах кварца. В дальнейшем эти свойства были открыты более чем у 1500 веществ, из которых широко используются сегнетова соль, титанат бария и др. Ясно, что пьезоэлектрические двигатели"работают" на обратном пьезоэффекте.
§ 7.2. Конструкция и принцип действия пьезоэлектрических микродвигателей
В настоящее время известно более 50 различных конструкций ПМД. Рассмотрим некоторые из них.
К неподвижному пьезоэлементу (ПЭ)- статору - прикладывается переменное трехфазное напряжение (рис. 7.1). Под действием электрического поля конец ПЭ последовательно изгибаясь в трех плоскостях, описывает круговую траекторию. Штырь, расположенный на подвижном конце ПЭ, фрикционно взаимодействует с ротором и приводит его во вращение.
Большое практическое значение получили шаговые ПМД (рис. 7.2.). Электромеханический преобразователь, например, в виде камертона 1 передает колебательные движения стержню 2, который перемещает ротор 3 на один зубец. При движении стержня назад собачка 4 фиксирует ротор в заданном положении.
Мощность описанных выше конструкций не превышает сотые доли ватта, поэтому использование их в качестве силовых приводов весьма проблематично. Наиболее перспективными оказались конструкции, в основе которых лежит принцип весла (рис. 7.3).
Вспомним, как движется лодка. За время, пока весло находится в воде, его движение преобразуется в линейное перемещение лодки. В паузах между гребками лодка движется по инерции.
Основными элементами конструкции рассматриваемого двигателя являются статор и ротор (рис.7.4). На основании 1 установлен подшипник 2. Ротор 3, выполненный из твердого материала (сталь, чугун, керамика и пр.) представляет собой гладкий цилиндр. Неотъемлемой частьюПМД является акустически изолированная от основания и оси ротораэлектромеханическая колебательная система - осциллятор (вибратор). В простейшем случае он состоит из пьезопластины 4 вместе с износостойкой прокладкой 5. Второй конец пластины закреплен в основании с помощью эластичной прокладки 6 из фторопласта, резины или другого подобного материала. Осцилятор прижимается к ротору стальной пружиной7, конец которой через эластичную прокладку 8 давит на вибратор. Длярегулирования степени прижатия служит винт 9.
Чтобы объяснить механизм образования вращающего момента, вспомниммаятник. Если маятнику сообщить колебания в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, то в зависимости от амплитуд, частоты и фаз возмущающих сил его конец будет описывать траекторию от круга до сильновытянутого эллипса. Так и в нашем случае. Если подвести к пьезопластине переменное напряжение определенной частоты, ее линейный размербудет периодически изменяться: то увеличиваться, то уменьшаться, т.е. пластина будет совершать продольные колебания (рис. 7.5,а).
При увеличении длины пластины ее конец вместе с ротором переместится и впоперечном направлении (рис. 7.5,б). Это эквивалентно действию поперечной изгибающей силы, которая вызывает поперечные колебания. Сдвигфаз продольных и поперечных колебаний зависит от размеров пластины,рода материала, частоты питающего напряжения и в общем случае можетизменяться от 0 о до 180 о. При сдвиге фаз, отличном от 0 о и 180 о,контактная точка движется по эллипсу. В момент соприкосновения с роторомпластина передает ему импульс движения (рис. 7.5,в).
Линейная скорость вращения ротора зависит от амплитуды и частотысмещения конца осциллятора. Следовательно,чем больше напряжение питания и длина пьезоэлемента, тем больше должна быть линейная скоростьвращения ротора. Однако не следует забывать, что с увеличением длинывибратора, уменьшается частота его колебаний.
Максимальная амплитуда смещения осциллятора ограничивается пределом прочности материала или перегревом пьезоэлемента. Перегревматериала свыше критической температуры - температуры Кюри,приводит кпотере пьезоэлектрических свойств. Для многих материалов температураКюри превышает 250 0 С, поэтому максимальная амплитуда смещенияпрактически ограничивается пределом прочности материала. С учетом двукратного запаса по прочности принимают V P = 0,75 м/с.
Угловая скорость ротора
где D P - диаметр ротора.
Отсюда частота вращения в оборотах в минуту
Если диаметр ротора D P = 0,5 - 5 см, то n = 3000 - 300 об/мин.Таким образом, изменяя только диаметр ротора, можно в широких пределах изменять частоту вращения машины.
Уменьшение напряжения питания позволяет снизить частоту вращениядо 30 об/мин при сохранении достаточно высокой мощности на единицумассы двигателя. Армируя вибратор высокопрочными сапфировымипластинами, удается поднять частоту вращения до 10000 об/мин. Этопозволяет в широкой области практических задач выполнять привод безиспользования механических редукторов.
§ 7.3. Применение пьезоэлектрических микродвигателей
Надо отметить, что применение ПМД пока весьма ограничено. В настоящее время к серийному производству рекомендован пьезопривод дляпроигрывателя, разработанного конструкторами объединения "Эльфа" (г. Вильнюс), и пьезоэлектрический привод ведущего вала видеомагнитофона,созданного в объединении "Позитрон" .
Применение ПМД в аппаратах звуко- и видеозаписи позволяет по новому подойти к проектированию механизмов транспортирования ленты,поскольку элементы этого узла органически вписываются в двигатель,становясь его корпусом, подшипниками, прижимом и т.п. Указанные свойства пьезодвигателя позволяют осуществить непосредственный приводдиска проигрывателя путем установки на его валу ротора, к поверхностикоторого постоянно прижат осциллятор. Мощность на валу проигрывателяне превышает 0,2 Вт, поэтому ротор ПМД может быть изготовлен как изметалла, так и из пластмассы, например карболита.
Изготовлен опытный образец электробритвы "Харьков-6М" с двумя ПМДобщей мощностью 15Вт. На базе механизма настольных часов "Слава" выполнен вариант с шаговым пьезодвигателем. Напряжение питания 1,2 В;потребляемый ток 150 мкА. Малая потребляемая мощность позволяетпитать их от фотоэлементов.
Присоединение к ротору ПМД стрелки и возвратной пружины позволяетиспользовать двигатель в качестве малогабаритного и дешевого электроизмерительного прибора с круглой шкалой.
На основе линейных пьезодвигателей изготавливают электрическиереле с потребляемой мощностью от нескольких десятков микроватт донескольких ватт. Такие реле в рабочем состоянии не потребляют энергии.После срабатывания сила трения надежно удерживает контакты взамкнутом состоянии.
Рассмотрены далеко не все примеры использования ПМД. Пьезодвигатели могут найти широкое применение в различных автоматах, роботах,протезах, детских игрушках и в других устройствах.
Изучение пьезодвигателей только началось, поэтому не все ихвозможности раскрыты. Предельная мощность МПД принципиально неограничена. Однако конкурировать с другими двигателями они могут покав диапазоне мощностей до 10 ватт. Это связано не только сконструктивными особенностями ПМД, но и с уровнем развития науки итехники, в частности с совершенствованием пьезоэлектрических, сверхтвердых и износостойких материалов. По этой причине цель данной лекциизаключается прежде всего в подготовке будущих инженеров к восприятиюновой для них области техники перед началом промышленного выпускапьезоэлектрических микродвигателей.
Интересно, что до сих пор не задумывался, как работает автофокус в камере.
Оказывается, там под основным полупрозрачным зеркалом (толстая чёрная линия под 45 градусов на картинке), которое отводит часть света на видоискатель (8), есть ещё одно "вспомогательное" полупрозрачное зеркало (3), забирающее часть света, идущего на матрицу (4), на нужды сенсора автофокуса (7):
Сенсор автофокуса имеет несколько "зон" ("зоны автофокуса", которые соответствуют определённым местам в кадре), над каждой из которых расположена маленькая линза. У каждой "зоны автофокуса" под линзой есть два маленьких сенсора: условно "левый", принимающий только "левую" сторону света, пришедшего из объектива, и условно "правый", принимающий только "правую" сторону света, пришедшего из объектива.
Изображение на этих двух маленьких сенсорах будет совпадать, если объектив сфокусирован правильно (другими словами, если "красный" луч света на картинке попадает точно в центр "красного" сенсора, и "зелёный" луч света на картинке попадает точно в центр "зелёного" сенсора, то изображение на этих двух маленьких сенсорах будет совпадать, объектив сфокусирован правильно).
Алгоритм автоматического поиска фокуса работает так (случаи пронумерованы как на картинке):
1. Линза объектива выдвинута слишком близко. Фотоаппарат может это угадать, заметив, что картина распределения интенсивностей такая же, как если бы она состояла из двух одинаковых картин интенсивностей, сдвинутых друг относительно друга (это можно сразу засечь, чуть-чуть сдвинув фокусировочную линзу объектива; алгоритм угадывания выполняется на процессоре фотоаппарата).
2. Объектив сфокусирован точно - две одинаковые световые картины максимально наложились друг на друга.
3. Линза объектива выдвинута слишком далеко.
4. Вообще не в фокусе.
Для того, чтобы этот алгоритм давал верные результаты, очевидно, требуется, чтобы сенсор автофокуса и матрица были равноудалены от "вспомогательного" полупрозрачного зеркала.
А ещё сейчас в моде объективы с "ультразвуковым мотором".
Звучит-то как!
Прямо как "лазерный принтер"...
Наверняка в 90-ых, услышав в первый раз о таких принтерах, первое, что каждый себе представлял — это как принтер выжигает на бумаге изображение разноцветными лазерами из фантастических фильмов...
Оказалось, что, как и ожидалось, маркетологи всех снова обманули, и мотор никакой не ультразвуковой (не крутится с ультразвуковой скоростью).
Тем не менее, конструкция очень остроумная.
Ультразвуковой двигатель объектива состоит из двух колец: ротора (синий) сверху и статора (красный) снизу.
В свою очередь, статор (красный) состоит из тонкого пьезоэлектрического керамического кольца снизу и толстого (но "эластичного") зубчатого слоя сверху.
Когда на статор (красный) подаётся ток ультразвуковой частоты, в нём возникает резонанс (стоячая волна), и волна эта начинает по кругу путешествовать по статору (красный):
При этом, обратите внимание на то, что статор (красный) стоит не месте и никуда не крутится — он просто "волнуется", как море.
А вот ротор (синий) уже как раз крутится.
Спрашиваете, почему?
А из этой картинки и не поймёте.
Крутится ротор потому что на статоре есть зубцы.
Они очень мелкие (порядка 0,001 мм), и их очень много.
Работают они так, как показано на рисунке: когда под зубец подходит волна, он отклоняется на некоторый угол в сторону движения этой волны, и пока волна проходит под ним, он сначала выравнивается вертикально, а потом наклоняется в уже другую сторону (когда волна уходит из-под него).
Получается, что каждый зубец описывает дугу, и именно это создаёт вращение ротора.
ЭБС «Лань» информирует о том, что за сентябрь 2019 года обновлены доступные нашему университету тематические коллекции в ЭБС «Лань»:
Инженерно-технические науки - Издательство «Лань» - 20
Надеемся, что новая коллекция литературы будет полезна в учебном процессе.
Тестовый доступ к коллекции «ПожКнига» в ЭБС «Лань»
Подробности Опубликовано 01.10.2019Уважаемые читатели! C 01.10.2019 г. по 31.10.2019 г. нашему университету предоставлен бесплатный тестовый доступ к новой издательской коллекции в ЭБС «Лань»:
«Инженерно-технические науки» издательства «ПожКнига» .
Издательство «ПожКнига» является самостоятельным подразделением Университета комплексных систем безопасности и инженерного обеспечения (г. Москва). Специализация издательства: подготовка и издание учебно-справочной литературы по пожарной безопасности (безопасность предприятий, нормативно-техническое обеспечение работников системы комплексной безопасности, пожарного надзора, пожарная техника).
Успешное окончание выдачи литературы!
Подробности Опубликовано 26.09.2019Уважаемые читатели! Мы рады вам сообщить об успешном окончании выдачи литературы студентам первого курса. С 1 октября читальный зал открытого доступа №1 будет работать по обычному графику c 10:00 до 19:00.
С 1 октября студенты, не получившие литературу со своими группами, приглашаются в отделы учебной литературы (помещения 1239, 1248) и отдел социально-экономической литературы (помещение 5512) для получения необходимой литературы в соответствии с установленными правилами пользования библиотекой.
Фотографирование на читательские билеты осуществляется в читальном зале №1 по расписанию: вторник, четверг с 13:00 до 18:30 (перерыв с 15:00 до 16:30).
27 сентября - санитарный день (подписываются обходные листы).
Оформление читательских билетов
Подробности Опубликовано 19.09.2019Уважаемые студенты и сотрудники университета! 20.09.2019 и 23.09.2019 с 11:00 до 16:00 (перерыв c 14:20 до 14:40) приглашаем всех желающих, в т.ч. студентов первого курса, не успевших сфотографироваться со своими группами, для оформления читательского билета в читальный зал №1 библиотеки (пом. 1201).
С 24.09.2019 возобновляется фотографирование на читательские билеты по обычному графику: вторник и четверг с 13:00 до 18:30 (перерыв с 15:00 до 16:30).
Для оформления читательского билета необходимо при себе иметь: студентам - продлённый студенческий билет, сотрудникам - пропуск в университет или паспорт.
Самые массовые китовые объективы 18-55 у кэнона, никона, сони и других.
С этих объективов все начинают.
И потом они ломаются. Ломаются, когда уже приходит пора переходить на более продвинутые.
Они и сделаны на год не больше и то, если бережно к ним относиться.
Даже прибережном отношении со временем пластиковые детали начинают затирать.
Прилагается больше усилий, направляющие гнутся и зум ломается.
У меня на сайте есть статьи по ремонту механики.
Эта статья про ремонт ультразвукового мотора, который изнашивается со временем.
Как извлечь мотор, я не пишу, нет ничего проще.
В моторе нечему ломаться, три детали.
Для усложнения задачи возьмём мотор со сломаным шлейфом.
Ремонтируется прсто, всего три провода, средний земля.
Немного о работе самого двигателя, может, кто не знает.
На металлическое кольцо с ножками наклеены пъезопластины.
Когда к ним подается напряжение с частотой резонанса детали,это статор, он начинает колебаться.
Частота примерно 30 кГц, поэтому ультразвуковой мотор.
Ножки толкают ротор, он вращается и через редуктор двигает линзоблок вдоль оптической оси. Так происходит фокусировка объектива.
Плата мотора выглядит так. DC-DC блок питания и 2 фазоинвертора, три провода к мотору.
Для сравнения просто электромотор не ультразвуковой, у кэнона выглядит так.
Разводка большого USM мотора имеет ещё один немаловажный контакт.
Это четвёртый контакт подстройки частоты блока питания.
Дело в том, что резонансная частота статора меняется в зависимости от температуры.
Если частота питания отличается от резонансной частоты, двигатель работает медленнее.
Нужно сказать, что с подстройкой частоты заморачивается только кэнон, сигма не особо.
Три контакта у сигмы.
Это кэноновский в процессе ремонта, имеет 4 провода.
По большому счёту при сборке объектива на заводе частота блока питания должна подстраиваться до резонансной частоты статора.
В таком случае тупая замена мотора при ремонте невозможна. Нужно подстраивать частоту.
Вернемся к нашему мотору.
Поверхность статора очень чувствительна ко всяким инородным предметам, типа песчинок и нужна хорошая чистота поверхности ножек.
На работу двигателя влияет чистота поверхности и усилие прижимной пружины.
Будем считать, что усилие пружины не изменяется со временем, а вот поверхность истирается.
Я пробую шлифовать поверхность несколькими способами.
Для начала наждачкой 2500, результат плохой.
Ротор сразу нарабатывает задиры и двигатель клинит.
Пробую шлифовать в зеркало на войлочном круге.
Поверхность красивая, но ротор, как бы прилипает, пищит и двигатель плохо вращается.
Последний способ и самый результативный шлифовка с пастой гои на зеркале.
Оказалось важно даже не чистота поверхности а её плоскостность, она даёт наибольшую площадь соприкосновения ротора и статора.
Нет предела совершенству.
Шлейф меняется просто
Провода напаиваются и покрываются поксиполом.
Здесь одна тонкость, прижим деталей усиливается за счёт увеличения толщины статора и двигатель может не пойти.
Лишний клей убираем.
Пружину можно укоротить, но тогда прижим будет совсем непонятный.
В сборе, как то так.
И испытания прошу прощения за ссылки, я не знаю, как вставить медиафайлы, а гифки получаются большие
Введение
1 Мехатронные модули на базе пьезоэлектрических двигателей и их применение
1.1 Пьезоэлектрические двигатели.
1 2 Пьезоэлектрический двигатель как часть мехатронного модуля.
1 3 Методы коррекции параметров мехатронных модулей на базе пьезоэлектрических двигателей
1 3 1 Одномерные способы управления
132 Амплитудно-частотный метод управления.
1 3 3 Амплитудно-фазовый метод управления.
1 4 Функционально-структурная интеграция.
1 5 Структурно-конструктивная интеграция.
1 6 Применение мехатронных модулей на базе пьезоэлектрических двигателей
1 7 Выводы.
2 Разработка математической модели пьезоэлектрического двигателя ударного типа
2 1 Исследование конструкции пьезоэлектрического двигателя
2 2 Исследование статических и динамических характеристик пьезоэлектрического двигателя.
2 3 Расчетная схема пьезоэлектрического двигателя.
2 4 Синтез модели механического преобразователя двигателя.
2 4.1 Модель толкателя механического преобразователя.
2 4 2 Модель взаимодействия толкателя и ротора пьезоэлектрического двигателя
2 4.3 Учет влияния зоны нечувствительности регулировочной характеристики
2 4 4 Построение модели пьезоэлемента.
2 4.5 Учет влияния реакции ротора.
2 5 Выводы.
3 Синтез регулятора с адаптивной структурой, выполняющего линеаризацию характеристик двигателя.
3 1 Концепция адаптации частоты управления.
33 2 Исследование влияния контуров адаптации на качество работы мехатрониого модуля на базе пьезоэлектрического двигателя.
3.2.1 Настройка параметров фазового контура управления.
3 2.2 Настройка контура управления по току.
3 3 Анализ переходного процесса мехатрониого модуля при использовании корректирующего устройства с адаптивной структурой.
3 4 Сравнительный анализ характеристик методов управления.
3 4.1 Выбор и обоснование критерия оценки качества управления.
3 4 2 Результаты сравнительного анализа.
3 4 3 Преимущества использования корректирующего устройства с адаптивной структурой
3 5 Упрощение модели мехатрониого модуля на базе пьезоэлектрического двигателя
3 6 Выводы
4 Экспериментальные исследования опытного образца мехатрониого модуля.
4 1 Реализация импульсного усилителя мощности.
4 2 Реализация датчика фазы.
4 3 Универсальный вычислитель.
4 4 Проверка адекватности уточненной модели.
4 5 Методика проектирования мехатрониого модуля на базе пьезоэлектрического двигателя ударного типа.
4 6 Выводы.
5 Повышение эффективности использования мехатронных модулей в составе исследовательских системах.
5 1 Архитектура исследовательского комплекса.
5 2 Организация доступа к лабораторному оборудованию.
5 3 Проектирование лабораторной службы на базе унифицированного менеджера ресурсов исследовательского оборудования.
5 4 Методика проектирования распределенного лабораторного комплекса
5 5 Примеры реализованных проектов.
5 5 1 Лабораторный стенд для исследования динамических процессов привода на базе двигателя постоянного тока.
5 5.2 Лабораторный стенд для исследования пьезоэлектрического двигателя
5 6 Выводы.
Рекомендованный список диссертаций
Пьезоэлектрический двигатель вращения - как элемент автоматических систем 1998 год, кандидат технических наук Коваленко, Валерий Анатольевич
Основы теории и проектирования мехатронных систем микроперемещений с пьезоэлектрическими приводами 2004 год, доктор технических наук Смирнов, Аркадий Борисович
Повышение точности и быстродействия промышленных мехатронных электропневматических следящих приводов на основе аппаратной и программной интеграции мехатронных компонентов 2010 год, кандидат технических наук Харченко, Александр Николаевич
Автоматизированный синтез цифровых алгоритмов импульсного управления исполнительным механизмом привода с трёхфазным вентильным двигателем 2012 год, кандидат технических наук Гагарин, Сергей Алексеевич
Разработка и исследование мехатронного пьезоэлектрического схвата с микропозиционированием и очувствлением 2008 год, кандидат технических наук Крушинский, Илья Александрович
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Улучшение динамических характеристик мехатронных модулей с пьезоэлектрическими двигателями ударного типа на основе адаптивных методов управления»
В настоящее время развитие микро и нанотехнологий, востребованных микроэлектроникой, приборостроением и космической техникой, выдвинуло новые требования по точности и динамике к исполнительным устройствам ,. А развитие мобильной робототехники ужесточило требования к массогабаритным показателям исполнительных устройств
Точность позиционирования традиционных электромагнитных систем (ЭМС) не всегда удовлетворяет современным требованиям . Основным источником погрешности позиционирования в таких системах является редукторы, которые используются для преобразования скоростей вращения и моментов на валу двигателя. Кроме того, редукторы, тормозные муфты, входящие в состав ЭМС, увеличивают массогабаритные показатели испо шительных систем.
Одним из возможных путей повышения точности при одновременном улучшении жергетических характеристик следящих приводов и снижения их стоимости является испо 1ьзование пьезоэлектрических двигателей ,,,.
Этот тип двигателей считается перспективным средством решения множества задач в космической автоматике , мобильной технике , в робототехнике ,.
Однако, несмотря на преимущества двигателя, к которым в первую очередь относятся низкая скорость вращения с высоким моментом на валу и малые массогабаритные показатели, он имеет существенно нелинейные характеристики, которые меняются по мере износа, что затрудняет его использование в следящих автоматических системах ,
К настоящему времени разработан ряд методов, позволяющих снизить нелинейность характеристик двигателя путем введения внутренних контуров стабилизации параметров питающего напряжения, таких как частота и амплитуда , , К ним относятся амплитудно-частотный, амплитудно-фазовый методы. Коррекция управляющего воздействия в этих методах выполняется путем пропорционального расчета резонансной частоты по информации одной из косвенных обратных связей: скорости вращения; тока, протекающего по пьезоэлементу; фазовому рассогласованию между током и напряжением Использование данных методов коррекции параметров ПЭД позволяют линеаризовать его характеристики, однако каждому из методов присущи определенные недостатки: увеличение времени переходного процесса, снижение максимальной скорости вращения, не-потпая управляемость во время переходного процесса.
Анализ описанных методов показал, что их основным недостатком является использование линейных регуляторов во внутреннем контуре подстройки. Для улучшения динамических характеристик ПЭД при использовании линейных регуляторов необходимо \ ве шчивать коэффициент усиления. Однако вследствие нелинейной зависимости резонансной частоты от косвенных обратных связей это приводит к потере устойчивости системы Поэтому динамические возможности двигателя используются не полностью, что негативно отражается на точности и быстродействии следящих систем, построенных на базе пьеюэлектрических двигателей с использованием описанных методов
Повысить динамические и линеаризовать статические характеристики приводов на базе пьезодвигателя можно за счет применение адаптивных алгоритмов управления. Это позволит использовать линейную теорию управления при синтезе приводов на базе ПЭД.
Современный уровень развития вычислительной техники позволяет реализовать необходимые алгоритмы адаптации в виде встроенных систем управления В свою очередь, миниатюризация системы управления даст возможность разработать мехатронный мод\ ib па базе данного двигателя с малыми габаритами.
Для синтеза метода управления требуется модель, адекватно описывающая поведение двигателя. Большинство моделей ПЭД, представленных в работах Бансевичус Р. Ю., Раг\льскис К М, построены эмпирическим путем. Их применение для широкого круга различных конструкций ПЭД на практике затруднено. Кроме того, в данных моделях практически не учитываются факторы, влияющие на изменение одного из основных параметров - резонансной частоты А, как показали исследования, инвариантность системы к этом\ параметру может существенно повысить КПД привода и его динамические показатели Аналитические модели, построенные на эквивалентных схемах замещения, представленные в работах Коваленко В. А., недостаточно полно учитывают реактивное влияние нагрузки на параметры и поведение пьезоэлемента. Учет влияния этих факторов позволит выполнить синтез привода на базе ПЭД с более высокими точностными и энергетическими характеристиками
Для массового применения данного двигателя в системах автоматического регулирования необходима методика синтеза мехатронного модуля с линейными характеристиками
Научная новизна работы состоит:
1 в разработке нелинейной модели пьезоэлектрического двигателя ударного типа, в которой учтено влияние внешнего возмущающего момента;
2 в разработке эффективных средств коррекции параметров пьезоэлектрических двигателей ударного типа на основе адаптивной многоконтурной структуры цифровой системы управления;
3 в разработке и научном обосновании методики проектирования мехатронных модулей на базе пьезоэлектрических двигателей ударного типа;
4 в разработке средств проектирования и реализации лабораторно-исследовательских систем, предназначенных для использования дорогостоящего лабораторного оборудования в режиме разделения времени, на примере стенда для изучения свойств мехатронных модулей на базе пьезоэлектрических двигателей.
Методы исследования
Синтез структуры математической модели проведен в соответствии с классической механикои, с использованием численных методов решения систем дифференциальных уравнений
При разработке и исследовании корректирующего устройства применялись следующие методы теории автоматического управления: метод поиска экстремума однопа-раметрического объекта, метод гармонической линеаризации, метод стохастической аппроксимации
Реализация программно-аппаратного обеспечения выполнена с использованием мечлтронного и объектно-ориентированного подходов
Подтверждение адекватности разработанной модели выполнено с использованием метода натурного эксперимента
Практическая ценность заключается в предоставлении средств проектирования и реализации мехатронных модулей на базе пьезоэлектрических двигателей с высокими динамическими показателями Разработанная в ходе выполнения диссертационной работы модель двигателя и меха-тронного модуля, может использоваться для синтеза следящих приводов, а также исследования принципов работы двигателей и методов управления. Реализация и внедрение результатов работы
Полученные в диссертации научные результаты внедрены: на предприятии ЗАО «СК1Б компьютерных систем» при разработке автоматической системы, что подтверждается соответствующим актом; на кафедре "Робототехника и мехатроника" МГТУ «Стан-кин» в виде лабораторного комплекса, который предназначен для использования в учебном процессе, для проведения исследовательских работ студентами и аспирантами. Данная концепция построения лабораторно-исследовательских комплексов может быть рекомендована для проведения лабораторных работ по специальностям. 07.18 «Мехатроника», 21 03 «Робототехника и робототехнические системы».
Апробация работы проводилась при обсуждении результатов диссертационной paooibi на
Конференции по математическому моделированию, проводимой в МГТУ «Станкин» 28-29 апреля 2004 г
Публикации
Основные результаты диссертационной работы изложены в 4 печатных работах:
1 Медведев И.В, Тихонов А.О Реализация модульной архитектуры при построении исследовательских лабораторий Мехатроника. - 2002 вып. 3. - С. 42-46.
2 Медведев И В, Тихонов А О. Уточненная модель пьезоэлектрического двигателя для синтеза мехатронного привода Мехатроника, автоматизация, управление. -2004 вып. 6 - С. 32-39.
3 Тихонов А О Математическая модель пьезоэлектрического двигателя. Тез. докл VII-ой научной конференции «Математическое моделирование» - М- МГТУ «Станкин» 2004. - С. 208-211.
4 Тихонов А.О. Адаптивный метод управления пьезоэлектрическими двигателями как средство уменьшения динамической ошибки. Тез. докл. конференции «Мехатроника, автоматизация, управление» - М: 2004. - С. 205-208.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю Медведеву Игорю Владимировичу за четкое руководство проведенной научной и практической работы, а также коллективу кафедры «Робототехника и мехатроника» в особенности Поду раеву Юрию Викторовичу и Илюхину Юрию Владимировичу за ценные советы, которые позволили повысить качество данной работы.
Похожие диссертационные работы по специальности «Роботы, мехатроника и робототехнические системы», 05.02.05 шифр ВАК
Разработка и исследование алгоритмов управления системой "Импульсный усилитель мощности - асинхронный двухфазный двигатель" 2005 год, кандидат технических наук Фам Туан Тхань
Разработка методологических основ создания первичных измерительных преобразователей механических величин при слабых возмущениях на основе прямого пьезоэффекта 2001 год, доктор технических наук Яровиков, Валерий Иванович
Исследование и разработка информационно-управляющих средств мехатронной системы с индукторным двигателем 2009 год, кандидат технических наук Салов, Семен Александрович
Управление по критерию эффективного использования энергетических ресурсов в мехатронных системах 2001 год, доктор технических наук Малафеев, Сергей Иванович
Цифровая система управления мехатронного модуля с трехфазным бесконтактным двигателем постоянного тока 2002 год, кандидат технических наук Кривилев, Александр Владимирович
Заключение диссертации по теме «Роботы, мехатроника и робототехнические системы», Тихонов, Андрей Олегович
1 Решена актуальная научно-техническая задача, заключающаяся в разработке мехатронного модуля на базе пьезоэлектрического двигателя ударного типа.
2 Для построения математической модели пьезоэлектрических двигателей ударного типа необходимо учитывать влияние нагрузки на параметры пьезоэлемента.
3 Разработанная в диссертации модель пьезоэлектрических двигателей ударного типа удобна для синтеза адаптивных контуров стабилизации параметров пьезоэлектрических двигателей.
4 Характеристики ПЭД могут быть улучшены за счет применения адаптивного многоконтурного корректирующего устройства, рассчитывающего частоту напряжения управления на основе двух косвенных обратных связей.
5 Исключения зоны нечувствительности можно добиться путем введения дополнительной нелинейности во внутренний контур управления
6 Использование комплекса предложенных средств позволяет улучшить ряд характеристик двигателя на 10 - 50%, а также учесть изменение параметров двигателя, связанных с износом механического преобразователя.
6 Заключение
В диссертации решен ряд научных задач, связанных с улучшением характеристик мехатронных модулей на базе пьезоэлектрических двигателя ударного типа, что позволяет использовать такие двигатели в быстродействующих высокоточных системах автоматического управления
Основные научные результаты исследований
Выявлено, что собственная частота двигателя нелинейно зависит как от амплитуды управляющего сигнала, так и от момента внешних сил, приложенных к ротору двигателя. Поэтому регулировочные и механические характеристики существенно нелинейны.
Установлено, что величины амплитуды управляющего сигнала и приложенного момента определяют время контакта статора и ротора двигателя. От времени контакта зависят два важных с точки зрения управления параметра двигателя: приведенная масса пьезоэлемента и средняя $а период упругость толкателя, введенная при описании толкателя моделью сжатой пружины Следовательно, резонансная частота, которая зависит от этих параметров, также изменяется
Установлено, что по мере износа элементов механического преобразователя, изменяется диапазон рабочих частот, что также влечет за собой изменение характеристик двигателя.
Выполненные исследования показали возможность линеаризации характеристик двигателя и счет введения внутренних контуров адаптации, которые обеспечивают подстройку параметров сигнала управления к изменяющимся параметрам двигателя.
Анализ разработанных ранее методов линеаризации характеристик двигателя выявил их некоторые недостатки, связанные с увеличением времени переходного процесса, неполным использованием скоростного диапазона. Наличие перечисленных недостатков является следствием использования линейных корректирующих устройств при расчете частоты управления. Это приводит к ухудшению как статических, так и динамических характеристик мехатронного модуля на базе пьезоэлектрического двигателя.
Линеаризация характеристик позволяет использовать линейную теорию управления при синтезе приводов рассматриваемого типа. Реализация предложенных адаптивных алгоритмов возможна на базе встроенных микроконтроллеров.
Повысить эффективность использования дорогостоящего оборудования в учебных целях или лабораторно-исследовательской практике можно за счет использования предложенной методики применения аппаратных и программных средств, обеспечивающих работу лабораторного оборудования в режиме разделения времени.
Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тихонов, Андрей Олегович, 2004 год
1. Лавриненко В.В. Пьезоэлектрические двигатели. М.: Энергия, 1980. - 110 с./ В.В. Лаври-ненко, И.А. Карташев, B.C. Вишневский.
2. Бансявичус Р.Ю., Рагульскис К.М. Вибродвигатели. Вильнюс, Маислис, 1981. Код Д5-81/85238. - 193 с.
3. Сигов Л.С., Мальцев П.П. О терминах и перспективах развития микросистемной техники. Труды конф. «Мехатроника, автоматизация, управление». М, 2004. - С. 34-36.
4. Никольский Л.А. Точные двухканальные следящие электроприводы с пьезокомпенсаторами. Москва: Энергоатомиздат, 1988. - 160 с.
5. A novel non-magnetic miniature motor for ultra high vacuum applications. Nanomotion Ltd. January, 2000. 36 c.
6. Kaajari V. Ultrasonical driven surface micromachined motor. Univarsity of Wisconsin Madison IEEE, 2000 - C.56-72. / V. Kaajari, S. Rodgers, A. Lai.
7. Xiaoqi Bao, Yosech Bar-Cohen. Complete modeling of rotary ultrasonic motor actuated by traveling flexural waves. Jet Propulsion Laboratory, Caltech, Pasadena, CA 91109 Newport, CA. Paper No 3992-103 SPrE, 2000. -lie.
8. Das H. Robot manipulator technologies for planetary exploration. etc. Jet Propulsion Laboratory, MS 198-219, California Institute of Technology, Pasadena, CA 91109. - 132 с. / H. Das, X. Bao, Y. Bar-Cohen.
9. Hynn A.M. Piezoelectric micromotors for microrobots. etc. MIT Artificial Intelligence Lab., Cambridge, MA. Ultrasonics Symposium, 1990. IEEE 1990. - C. 125-134 / A.M. Flynn, Tavrow LS BartS.F.
10. Коваленко В.А. Пьезоэлектрический двигатель как объект автоматического регулирования: Диссертация, канд. техн. наук. издат-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998 юд. - 171с.1.. Ерофеев А.А. Способы управления и принципы построения ППСУ с ПД // СнГУ, 1993. -Юс
11. Сироткин О.С. Мехатронньте технологические машины в машиностроении. // Мехатроника, автоматизация управление, 2003. № 4. С.33-37 / О.С. Сироткин, Ю.В. Подураев, Ю.П. Богачев.
12. Подураев Ю.В. Основы мехатроники. М: МГТУ «Станкин», 2000. - 78 с.
13. Подураев Ю.В. Анализ и проектирование мехатронных систем на основе критерия функ-цнонально-етруктурной интеграции // Мехатроника, автоматизация, управление, 2002. № 4-С. 28-34.
14. Макаров И.М., Лохин В.М. Интеллектуальные системы автоматического управления. -М: Наука, 2001.-64 с.
15. Гради Буч. Объектно-ориентированный анализ и проектирование. Rational, Санта-Клара, Калифорния, 2001.-452 с.
16. Бъярн Страуструп. Язык программирования С++. М: Бином, 2001. - 1099 с.
17. Перри Синк. Восемь открытых промышленных сетей и Industrial Ethetrnet // Мир компьютерной автоматизации, 2002. № 1. - 23 с.
18. Ueha S., Tomikawa Y. Ultrasonic Motors: Theory and Application. Oxford: Clarendon Press, 1993 - 142 c.
19. Sashida Т., Kenjo T. An Introduction to Ultrasonic Motors. Oxford: Clarendon Press, 1993. -46 c.
20. Бансявичус Р.Ю., Рагульскис К.М. Вибрационные преобразователи движения. М.: Машиностроение, 1984. Код М/43361. - 64 с.
21. Щербин A.M. Исполнительные элементы прецизионных пьезоэлектрических приводов с увеличенным диапазоном перемещения: Автореферат на соискание к. т. н. М., 1997. - 14 с
22. Слога Baum. Piezoelectric motors and their implementations. Nanomotion Ltd, 1998. - 58 c.
23. Dror Perlstein, Nir Karasikov. Reliability analysis of piezoceramic motors in heavy duty applications. Nanomotion Ltd., 2003. -71 c.
24. Александров А.В. Сопротивление материалов: Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1995. - 559с. / А.В. Александров, В.Д. Потапов, Б.П. Державен.
25. Коваленко В.Л., Орлов Г.А. Применение пьезоэлектрических двигателей вращения в автоматических системах. изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. - 11 с.
26. Коваленко В.А., Орлов Г.А. Пьезоэлектрические двигатели вращения в автоматических системах. Конструкция и характеристики // Проблемы прочности и надежности машин. . МГГУ им. Н.Э. Баумана,1999. №1. с.75-82.
27. IRE standart on piezoelectric crystals: meashurements of piezoelectric ceramics //Proc IRE-1958.V46-p.764.
28. Центров Б.Н. Принципы построения и проектирования самонастраивающихся систем управления. М., 1972. - 260 е./ Пентров Б.Н., Рутковский В.Ю., Крутова И.Н. и др.
29. Фомин В.Н. Адаптивное управление динамическими объектами. М., 1981. - 448 с. / В.Н. Фомин, A.JI. Фрадков, В.А. Якубович.
30. Саридис Дж. Самоорганизующиеся стахостические системы управления». М., 1980. - 400 с
31. Красовский А.А. Универсальные алгоритмы оптимального управления непрерывными процессами. М., 1977. -272 с. / А.А. Красовский, В.Н. Буков, B.C. Шендрик.
32. Растрыгин Л.Л. Системы экстремального управления. М., 1974. - 630 с.
33. Изерман Р. Цифровые системы управления. М., 1984. - 541 с.
34. Кривченко И.Н. Системы на кристалле: общее представление и тенденции развития // Компоненты и технологии. 2001. N6. С 43-56.
35. Осмоловский П.Ф. Итерационные многоканальные системы автоматического регулирования. М: Советское радио, 1969. -235 с.
36. Сиюв Л.С., Мальцев П.П. О терминах и перспективах развития микросистемной техники // Мехатроника, автоматизация, управление. М, 2004. - С. 34-36.
37. Советов Б.А., Яковлев С. А. Моделирование систем. М., Вш. Ш., 1985. -271 с.
38. Белоус П.Л. Осесимметричные задачи теории упругости. Одесса, ОГПУ, 2000. - 183с.
39. I имошенко С.П. Колебания в инженерном деле. Наука, 1967. - 444 с.
40. I имошенко С.П. Сопротивление материалов. Т.1 М.: Наука, 1965.- 364с.
41. Биргер И.А., Пановко Я.Г. Прочность, устойчивость, колебания. Том 1. М., Вш. Ш., 1989. -271 с
42. Александров Л.Г. Оптимальные и адаптивные системы. Вш. ш., 1989. - 244 с
43. Егоров К. В. Основы теории автоматического регулирования. 2е изд. М.: «Энергия», 1967. 648 с.
44. Бесекерский В.Л., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука. 1975 -765 с.
45. Б\1ров Я.С., Никольский С.М. Высшая математика. Том 1, 2. Ряды Фурье. М.: Наука, 1981 г.-435 с.
46. Земсков Ю.В. Основы теории сигналов и систем. ВПИ, ВолгГТУ, 2003. 251 с.
47. Ключев В.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 560 с.
48. Алексеев С. А., Медведев И. В. Применение оптических датчиков перемещения в мехатронных системах. Мехатроника, автоматизация, управление. Вып. 2. М: 2004.
49. Christopher P. Tools for embedded-systems debugging. Dr. Dobb"s Journal. 1993. 54 c.
50. Липаев В.В. Надежность программных средств. СИНТЕГ, Москва, 1998. - 151 с.
51. Богачев К.Ю. Операционные системы реального времени. М: МГУ им. Ломоносова, 2000. - 96 стр.
52. Anthony J. Masssa. Embedded software development with eCos. New Jersey, Prentice Hall PIR, 2003.-399 sheets.
53. Hiroaki Takada. The ITRON Project: Overview and recent results. RTCSA, 1998. - 25 sheets.
54. Олифер В.Г, Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. С-П: Питер, 2002. - 672 с.
55. Самоненко Ю.А. Психология и педагогика. М: Юнити, 2001. - 272 с.
56. Тихонов А.О. Распределенная система разделения ресурсов лабораторных стендов по ме-хатронике (для специальности 652000): Диссертация, магистр техники и технологии. М: МГТУ «Станкин» 2001.- 105 стр.
57. Пьезоэлектрические двигатели вращения как элементы автоматических систем. Автореферат на соискателя к. т. н. М.:1998 г.-15 с. Код АР-1693;
58. Дьяченко В.А. Пьезоэлектрические системы мехатроники. //Мехатроники, № 2, 2002 / В. А Дьяченко, А. Б Смирнов.
59. Третьяков С.А. CAN локальная сеть контроллеров. / Электроника, Минск. № 9. С. 5-30. 61. Богачсв К. Ю. Операционные системы реального времени. М: МГУ им. Ломоносова,2000 96 с.
60. Каннингхэм В. Введение в теорию нелинейных систем. М.: Госэнергоиздат, 1962 - 456 с.
61. Карасев Н А. Прецизионные шаговые позиционеры со встроенным пьезодвигателем. Питер, 1997 65 с.
62. Науман Ш., Хендтик В. Компьютерные сети. Проектирование, создание, обслуживание. ДМК 2000-435 с.
63. Кульгин М. Ю. Технологии корпоративных сетей. Питер. 2000 511 с.
64. Robbins Н., Monro S.A. Stochastic approximation of method annals of mathematical statistics. 1951 Vol. 22. No 1.
65. Васильев П. E. Вибродвигатель / П. E. Васильев, К. М. Рагульскис, А.-А. И. Зубас //Вильнюс. 1979-58 с.
66. Васильев П. Е. Вибродвигатель / П. Е. Васильев, А.-А.И. Зубас, М.-А. К. Жвирблис // МГА 1981,-№12.
67. Жальнерович Е.А. и др. Применение промышленных роботов. Е.А. Жальнерович, A.M. Титов, А И. Федосов. - Беларусь. Минск. 1984. 222 с.
68. Вибродвигатель вращательного движения /Р.Ю. Бансевичюс, В. J1. Рагульскене, К. М. Рагульскис, Л.-А. Л. Штацас //ГМА- 1978 №15.
69. Пьезоэлектрический двигатель / Р. В. Узолас, А. Ю. Славенас, К. М. Рагульскис, И. И. Могильницкас // ГМА 1979.-№15.
70. Вибропривод / В. Л. Рагульскене, К. М. Рагульскис, Л.-А. Л. Штацас // ГМА 1981.-№34.
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.