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.

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 об этом есть в постах по ремонту механики.
Этот пост про ремонт ультразвукового мотора, который просто изнашивается со временем.

Как извлечь мотор, я не пишу, нет ничего проще.

В моторе нечему ломаться, три детали.

Для усложнения задачи сломаем шлейф.

Ремонтируется прсто, всего три провода, средний земля.
И 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 и происходит фокусировка.

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 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, 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.

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.

Отдельно двигатель вращается.

С редуктором вращается

Тубус объектива вращает

Это для общего развития замер напряжения на двигателе.
Пиковое напряжение доходит до 19 вольт, бъет чувствительно.

А знаете как проверить работает ли статор отдельно?
Погрузить его в воду и получите фонтан. Я не снял, а сейчас уже лень разбирать двигатель.

Да и ещё, эти двигатели не ремонтопригодны их просто меняют.
Причем, если заменить на донорский с поломанного объектива, неизвестно сколько он проработает.

Успехов в фотографии.

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.

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

Области применения миниатюрных двигателей и приводов довольно обширны - это и приводы для измерительных устройств, таких как электронные и туннельные микроскопы, приводы манипуляторов различных сборочных роботов, а также исполнительные механизмы в технологическом оборудовании и бытовой технике. В качестве микромоторов могут использоваться коллекторные и бесколлекторные электромагнитные микродвигатели, пьезомоторы и интегральные приводы MEMS. В статье пойдет речь о пьезоэлектрических двигателях.

Взависимости от степени миниатюризации используются различные типы микромоторов. Для макроуровня, где требуется большая мощность при относительно малых размерах, применяются миниатюрные электромагнитные двигатели и соленоиды. Для микроустройств в настоящее время широко используются интегральные приводы, созданные по MEMS-технологии.

Пьезоприводы проигрывают электромагнитным двигателям по мощности, а MEMS микромоторам - по степени микроминиатюризации. Однако основное преимущество микропьезомоторов - возможность прямого позиционирования с субмикронной точностью. Кроме того, эти приводы имеют и множество других преимуществ перед своими электромагнитными конкурентами.

Электромагнитные микроэлектродвигатели (коллекторные, шаговые и бесколлекторные) в настоящее время достигли предела миниатюризации. Например, серийно выпускаемый шаговый электродвигатель типа А0820 имеет диаметр 8 мм, весит 3,3 грамма и стоит около $10. Двигатели этого типа довольно сложны и содержат сотни деталей. При дальнейшем уменьшении размеров усложняется процесс сборки, а также теряется эффективность двигателя. Для намотки катушек статора приходится использовать более тонкий провод, который имеет более высокое сопротивление. Так, при уменьшении размеров коллекторного микроэлектродвигателя до 6 мм гораздо большая часть подводимой электрической энергии преобразуется в тепло, нежели в механическую энергию. В большинстве случаев для получения линейных приводов на базе электродвигателей необходимо применение дополнительных механических передач и редукторов, которые преобразуют вращательное движение в поступательное и обеспечивают нужную точность позиционирования. При этом возрастают размеры всего устройства в целом, а значительная часть энергии тратится на преодоление трения в механической передаче. Диаграмма, приведенная на рис. 1, показывает, что при размерах менее 7 мм (диаметр корпуса двигателя) выгоднее применять пьезокерамические двигатели, а не электромагнитные.

Рис. 1. При размерах менее 7 мм пьезоэлектродвигатели более эффективны, чем электромагнитные двигатели

В настоящее время многими фирмами освоено серийное производство пьезомоторов. В статье рассматривается продукция двух производителей пьезоприводов: немецкого Physik Instrumente (PI) и американского New Scale Technologies. Выбор фирм не случаен. Американская фирма на данный момент производит самые маленькие в мире пьезодвигатели, а немецкая является одним из лидеров в секторе пьезоприводов для прецизионного оборудования. Производимые ею пьезомоторы имеют уникальные функциональные характеристики и пользуются заслуженной репутацией среди производителей прецизионного технологического и измерительного оборудования. Обе фирмы используют свои патентованные решения. Принцип работы двигателей обеих фирм, а также их конструкция различны.

Конструкция и принцип работы пьезоэлектродигателя SQUIGGLE

На рис. 2 показаны конструкция и принцип работы пьезопривода SQUIGGLE фирмы New Scale Technologies.

Рис. 2. Конструкция и принцип работы микропривода SQUIGGLE

Основа привода - муфта прямоугольного сечения с внутренней резьбой и ходовой винт (червяк). На гранях металлической муфты смонтированы пьезокерамические пластины актуаторов. При подаче двухфазных сигналов на пары пьезоэлектрических актуаторов создаются вибрационные колебания, которые передаются в массу муфты. Для более эффективного преобразования электрической энергии в механическую актуаторы работают в резонансном режиме. Частота возбуждения зависит от размеров пьезопривода и находится в диапазоне от 40 до 200 кГц. Механические колебания, действующие на границе двух рабочих поверхностей муфты и винта, вызывают появление сил сдавливания с поворотом (типа вращения хула-хупа). Результирующая сила обеспечивает вращение червяка относительно неподвижного основания - муфты. При движении винта и происходит преобразование вращательного движения в линейное перемещение. В зависимости от сдвига фаз управляющих сигналов можно получать вращение винта как по часовой, так и против часовой стрелки.

В качестве материалов винта и муфты используются немагнитные материалы, такие как бронза, нержавеющая сталь, титан. Резьбовая пара муфта–червяк не требует смазки для работы.

Пьезоприводы практически безынерционные, обеспечивают отличную приемистость (движение с ускорением до 10 g), практически бесшумны в звуковом диапазоне (30 Гц - 15 кГц). Точность позиционирования может достигаться без использования датчиков положения - благодаря тому, что движение происходит без проскальзывания (при условии, что нагрузка на рабочий винт находится в рабочих пределах), и перемещение прямо пропорционально числу импульсных сигналов, приложенных к пластинам актуатора. Пьезоприводы имеют практически неограниченный срок службы, разве что со временем за счет износа винтовой передачи может быть частично потеряна точность позиционирования. Пьезопривод может выдерживать режим блокировки движения за счет приложения сил торможения, превосходящих усилие тяги привода. В этом случае будет происходить проскальзывание без разрушения винтовой передачи.

Сегодня микромоторы серии SQL признаны самыми маленькими электродвигателями в мире, которые производятся серийно.

Рис. 3. Рабочий чертеж промышленного пьезомотора серии SQL

Основные характеристики пьезопривода SQUIGGLE:

• масштабируемые размеры (можно получать заказные приводы с заданными размерами);
• минимальные габариты привода 1,55×1,55×6 мм;
• простота конструкции (7 составных частей);
• низкая цена;
• высокая технологичность изготовления составных компонентов и сборки привода;
• прямой линейный привод, не требующий применения дополнительных механических передач;
• субмикронная точность позиционирования привода;
• бесшумность работы;
• широкий рабочий температурный диапазон (–30...+70 °С).

Параметры микромоторов серии SQL:

• мощность потребления - 500 мВт (только в процессе перемещения штока);
• разрешение - 0,5 мкм;
• вес - 1,7 г;
• скорость перемещения - 5 мм/с (под нагрузкой 100 г);
• усилие перемещения - более 200 г;
• частота возбуждения пьезоактуаторов - 116 кГц;
• электрическая емкость каждой из четырех фаз пьезопривода - 1,35 нФ;
• коннектор (кабель) - печатный шлейф (6 проводников - 4 фазы и 2 общих);
• рабочий ресурс - 300 тыс. циклов (при длине хода якоря 5 мм);
• диапазон линейных перемещений якоря:

– модель SQL-3.4 - 10–40 = 30 мм (40 мм - длина ходового винта);

– модель SQL-3.4 - 10–30 = 20 мм (30 мм - длина ходового винта);

– модель SQL-3.4 - 10–15 = 5 мм (15 мм - длина ходового винта).

• крепление привода - фланцевое соединение или опрессовка.

По заказу фирмы New Scale Technologies разработан интегральный драйвер для пьезоприводов серии SQL (рис. 4). Таким образом, потребитель имеет возможность использовать набор готовых компонентов для получения своего OEM электромеханического модуля.

Рис. 4. Серия SQL микропьезоприводов для портативной аппаратуры

Микросхема драйвера привода (рис. 5) содержит преобразователь напряжения и выходные драйверы, работающие на емкостную нагрузку. Входное напряжение 3 В. Уровни выходных напряжений формирователей - до 40 В.

Рис. 5. Микросхема драйвера пьезопривода

Области применения пьезоприводов SQUIGGLE

Привод для объективов фото- и видеокамер

Один из самых больших секторов применения микроэлектроприводов - цифровые фотокамеры и видеокамеры (рис. 6). Микропривод используется в них для управления фокусировкой объектива и оптическим зумом.

Рис. 6. Прототип привода оптического зума для цифровой фотокамеры

На рис. 7 показан пьезопривод SQUIGGLE для применения во встроенных фотокамерах сотовых телефонов. Привод производит смещение двух линз вдоль направляющих вверх–вниз и обеспечивает автофокусировку (длина хода оптики 2 мм) и зум (ход перемещения линз до 8 мм).

Рис. 7. Модель объектива с приводом SQUIGGLE для камеры, встроенной в сотовый телефон

Медицинский шприц-дозатор

Во всем мире насчитывается сотни миллионов людей, нуждающихся в периодических дозированных инъекциях медицинских препаратов. В этом случае следить за временем, дозами, а также проводить процедуру инъекции должен сам пациент. Этот процесс можно значительно упростить и тем самым облегчить жизнь пациента, если создать программируемый шприц-дозатор (рис. 8). На базе пьезопривода SQL уже реализован программируемый насос-шприц для инъекций инсулина. Дозатор состоит из микроконтроллерного модуля управления, емкости с препаратом, шприца и управляемого привода. Управление дозатором осуществляется встроенным микроконтроллерным модулем с батарейным питанием. Элемент питания - литиевая батарея. Модуль дозатора может быть встроен в одежду больного и размещен, например, в области рукава. Временные интервалы между инъекциями и дозы медикамента программируются под конкретного клиента.

Рис. 8. Использование привода в программируемом шприце-дозаторе

Величина дозы прямо пропорциональна длине перемещения штока привода.

Предполагается использование микрошприцев с противошоковым препаратом, вмонтированных в «интеллектальную броню» военнослужащего. Защитная одежда, кроме армированных силовых элементов, содержит также интегрированные датчики пульса, температуры, датчики механических повреждений текстильной «брони». Активация шприцев происходит как по инициативе самого бойца, так и по команде из блока носимой электроники или же по радиоканалу из командного терминала на основании показаний датчиков при потере бойцом сознания, например, после ранения или в результате контузии.

Немагнитные двигатели

Поскольку в пьезоприводах SQL не используются ферросплавные материалы, а также электромагнитные поля, двигатели этого типа могут использоваться для создания носимых медицинских диагностических устройств, совместимых с методом магниторезонасной томографии. Данные приводы также не будут вносить помехи при размещении в рабочих зонах оборудования, использующего ядерный магнитный резонанс, а также вблизи электронных сканирующих микроскопов, микроскопов с фокусированием ионных потоков и т. п.

Лабораторный микронасос

На базе пьезопривода могут быть созданы микронасосы для дозированной подачи жидкостей в лабораторном исследовательском оборудовании. Основные достоинства микронасоса такой конструкции - высокая точность дозирования и надежность работы.

Двигатель для вакуумного оборудования

Пьезопривод подходит для создания механических устройств, работающих в условиях как высокого, так и сверхвысокого вакуума, и обеспечивающих высокую точность позиционирования (рис. 9). Материалы привода обладают малым газовыделением в вакууме. При работе привода в режиме микроперемещений выделяется мало тепла.

Рис. 9. Привод для вакуумного оборудования на базе микромотора серии SQL

В частности, такие двигатели найдут широкое применение при создании новых поколений сканирующих электронных микроскопов, ионных сканирующих масс-спектрометров, а также в технологическом и тестирующем оборудовании для электронной промышленности, в оборудовании, применяемом в ускорителях частиц, таких как синхротроны.

Приводы для криогенного оборудования

Уникальные параметры пьезопривода позволяют использовать его при очень низких температурах. Фирмой уже выпускаются варианты исполнений приводов для коммерческих и космических применений при низких температурах.

В настоящее время на базе микромоторов SQL созданы приводы для различных функциональных узлов в криогенном лабораторном оборудовании, а также механические приводы для подстройки параметров космических телескопов.

На рис. 10 показан пьезопривод для работы при температурах жидкого гелия.

Рис. 10. Исполнение пьезопривода для работы при температурах от комнатной до 4 К (жидкий гелий)

Работа при низких температурах требует других частот и амплитуд сигналов для возбуждения пьезоактуаторов.

Оценочный набор

Фирма New Scale Technologies выпускает оценочный набор, который содержит: пьезодвигатель SQL (рис. 11), плату привода, программное обеспечение, интерфейс с компьютером, а также дополнительный пользовательский пульт управления приводом.

Рис. 11. Оценочный набор для пьезопривода SQL

В качестве интерфейса с ПК может использоваться USB или RS-232.

Пьезоприводы фирмы PI

Немецкая фирма Physik Instrumente (PI) (www.physikinstrumente.com/en) была образована в 1970 году. В настоящее время имеет подразделения в США, Великобритании, Японии, Китае, Италии и Франции. Основной сектор - оборудование для нанопозиционирования и обеспечения контроля движения с высокой точностью. Фирма является одним из ведущих производителей оборудования данного профиля. Используются уникальные запатентованные решения. Так, в отличие от большинства пьезоприводов, в том числе и SQUIGGLE, в приводах PI обеспечивается принудительная фиксация каретки после останова. За счет отсутствия смещения эти устройства обладают высокой точностью позиционирования.

Конструкция и принцип работы пьезприводов PI

На рис. 12 показана конструкция пьезодвигателя фирмы PI.

PILine - патентованная конструкция пьезопривода, разработанная фирмой PI. Сердцем системы является прямоугольная монолитная керамическая плата - статор, которая разделена с одной стороны на два электрода. В зависимости от направления движения, левый или правый электрод керамической платы возбуждается импульсами с частотой в десятки и сотни килогерц. Алюминиевый фрикционный наконечник (толкатель) прикреплен к керамической плате. Он обеспечивает передачу движения от колеблющейся пластины статора к фрикциону каретки. Материал фрикционной полоски обеспечивает оптимальную силу трения при работе в паре с алюминиевым наконечником.

Благодаря контакту с полоской фрикциона обеспечивается сдвиг подвижной части привода (каретки, платформы, поворотного столика микроскопа) вперед или назад. С каждым периодом колебаний керамического статора выполняется сдвиг каретки на несколько нанометров. Движущая сила возникает из продольных колебаний пластины актуатора. В настоящее время ультразвуковые пьезоприводы могут обеспечивать движение с ускорением до 20 g и скорость движения до 800 мм/с! Усилие привода пьезодвигателя может достигать 50 Н. Приводы PILine могут работать без обратной связи и обеспечивать разрешение 50 нм.

На рис. 13 показана конструкция пьезокерамического статора PILine.

Рис. 13. Конструкция керамического статора пьезопривода PILine

При отсутствии сигнала наконечник толкателя прижат к полоске фрикциона и сила трения, действующая на границе между наконечником и фрикционом, обеспечивает фиксацию каретки.

PILine - серия пьезоприводов с линейным перемещением

Фирма PI выпускает серию линейных пьезоприводов по технологии PILine с различными функциональными параметрами. В качестве примера рассмотрим характеристики конкретной модели P-652 (рис. 14).

Рис. 14. Вариант реализации пьезопривода PILine P-652 (рядом для сравнения мяч для гольфа)

Пьезопривод PILine P-652 может использоваться в OEM приложениях, для которых важны малые габариты и масса. Модуль привода P-652 может заменить классический привод на основе двигателя с вращающимся валом и механической передачей, а также другие линейные электромагнитные приводы. Самофиксация каретки при останове не требует дополнительной энергии. Привод предназначен для перемещения малых объектов с высокой скоростью и точностью.

Компактный пьезомотор с интегрированной схемой управления может обеспечивать движение с ускорением до 2,5 g и скоростью до 80 мм/с. При этом выдерживается высокая точность позиционирования каретки и достаточно высокий уровень силы фиксации в неподвижном состоянии. Наличие фиксации каретки обеспечивает возможность работы привода в любых положениях и гарантирует фиксацию положения каретки после останова даже под действием нагрузки. В схеме драйвера для возбуждения пьезоактуаторов используются короткие импульсы амплитудой всего 3 В. Схема обеспечивает автоподстройку резонансного режима под конкретные размеры керамических актуаторов.

Основные характеристики линейного пьезомотора P-652 PILine:

• низкая стоимость серийного производства;
• размер пьезомотора - 9,0×6,5×2,4 мм;
• рабочий ход перемещения каретки 3,2 мм;
• скорость движения до 80 мм/с;
• самофиксация при останове;
• MTBF - 20 тыс. часов.

Модули приводов со встроенным контроллером

Фирма PI производит модули управления (контроллеры) для своих пьезоприводов. Плата управления содержит интерфейс управления, преобразователь напряжения и выходной драйвер для возбуждения пьезокерамического актуатора. В контроллерах приводов используется традиционная схема пропорционального управления. В зависимости от условий применения приводов в контроллере может использоваться цифровой или аналоговый тип пропорционального управления. Для управления самими актуаторами применяются синусоидальные сигналы, а также может использоваться обратная связь по датчикам положения. Фирма PI выпускает готовые модули с датчиками положения. Фирма PI разработала и производит емкостные датчики положений для своих интегральных модулей (рис. 15).

Рис. 15. Модуль пьезопривода со встроенной платой управления

Цифровой (импульсный) режим управления

Импульсный режим управления движением подходит для приложений, требующих малых перемещений с большой скоростью, таких как микроскопия или автоматика. Двигатель управляется 5-вольтовыми TTL-импульсами. Ширина импульса определяет длину шага двигателя. Шаг перемещения в таком режиме - до 50 нм. Для реализации одного такого шага подается импульс напряжения длительностью около 10 мкс. Длительность и скважность импульсов управления зависит от скорости движения и величины выполняемого перемещения каретки.

Режим аналогового управления

В данном режиме в качестве входных сигналов управления положением используются аналоговые сигналы амплитудой ±10 В. Величина перемещения каретки в этом случае прямо пропорциональна амплитуде управляющего сигнала.

Области применения прецизионных пьезоприводов:

• биотехнологии;
• микроманипуляторы;
• микроскопия;
• лабораторное оборудование контроля качества;
• тестовое оборудование для полупроводниковой промышленности;
• метрология;
• тестирование дисковых накопительных устройств;
• НИР и ОКР.

Преимущества ультразвуковых пьезодвигателей PILine:

• Малые габариты . Например, модель M-662 обеспечивает рабочий ход 20 мм при габаритах корпуса 28×28×8 мм.
• Малая инерция . За счет этого достигается перемещение с большими скоростями, высокими ускорениями и сохраняется высокое разрешение. PILine обеспечивает скорости движения до 800 мм/с и ускорение до 20 g. Жесткость конструкции обеспечивает очень малое время продвижения за один шаг и высокую точность позиционирования - 50 нм.
• Отличный показатель удельной мощности . Привод PILine обеспечивает высокие характеристики в минимальных габаритах. Никакой другой двигатель не может обеспечить такую же комбинацию ускорений, скоростей и точности.
• Безопасность . Минимальный момент инерции наряду с фрикционной муфтой обеспечивает безопасность при работе. Такой привод не может разрушиться и повредить окружающие предметы в результате нарушения режима работы. Использование фрикционной муфты предпочтительнее, чем червячная передача в двигателе SQUIGGLE. Несмотря на большие скорости перемещения каретки, риск повреждения, например, пальца оператора гораздо меньше, чем при использовании любого другого привода. Это означает, что пользователь может прикладывать меньше усилий, чтобы обеспечить безопасность работы привода.
• Автофиксация каретки .
• Возможность работы привода в вакууме .
• Незначительный уровень ЭМИ . Приводы PILine при работе не создают магнитных полей и не имеют в конструкции ферромагнитных материалов.
• Гибкость решений для OEM . Приводы PILine могут поставляться как с датчиками, так и без датчиков положения. Кроме того, могут поставляться и отдельные компоненты привода.

Линейные пьезоприводы типа NEXLINE

Пьезоприводы NEXLINE обеспечивают более высокую точность позиционирования. Конструкция привода содержит несколько актуаторов, работающих согласованно. В отличие от приводов PILine, в этих устройствах актуаторы работают не в резонансном режиме. В этом случае получается многотактная схема перемещения подвижной каретки несколькими толкателями актуаторов. Тем самым не только повышается точность позиционирования, но и увеличиваются моменты сил движения и удержания каретки. Приводы этого типа, так же как и приводы PILine, могут поставляться как с датчиками положения каретки, так и без них.

Основные преимущества серии пьезоприводов NEXLINE:

• Очень высокое разрешение, ограниченное только чувствительностью датчиков положения. В режиме аналогового перемещения с использованием датчиков положения достигается точность позиционирования 50 нм (0,05 мкм).
• Работа с высокой нагрузкой и большой силой фиксации каретки. Приводы NEXLINE могут обеспечивать усилия до 600 Н. Жесткая конструкция и применение резонансных частот возбуждения в диапазоне сотен герц позволяют конструкции подавлять вибрацию от внешних воздействий. Аналоговый режим работы может активно применяться для сглаживания вибрации и дрожания основания привода.
• Может работать как в режиме с открытым контуром обратной связи, так и с обратной связью по датчикам положения. Цифровой контроллер NEXLINE может использовать сигналы положения от линейных энкодеров или же от лазерных интерферометров, а для очень высокой точности позиционирования использовать сигналы абсолютного положения от емкостных датчиков.
• Сохраняет стабильное положение каретки при выключении питания.
• Длительный срок службы - более 10 лет.
• Привод NEXLINE не содержит ферроманитных деталей, не подвержен действию магнитных полей, не является источником электромагнитного излучения.
• Устройства работать в очень тяжелых условиях внешней среды. Активные части приводов NEXLINE выполнены из вакуумной керамики. NEXLINE также может работать без нарушений при облучении жестким ультрафиолетом.
• Очень прочная конструкция. Приводы NEXLINE в процессе транспортировки могут выдерживать удары и вибрации до нескольких g.

Гибкость дизайна для OEM

Приводы NEXLINE выпускаются в трех вариантах интеграции. Пользователь может заказать готовый OEM двигатель, только пьезоактуаторы для двигателя своей конструкции, либо комплексную систему под ключ, например такую, как многоосный поворотный столик или же сборочный микроробот с шестью степенями свободы. На рис. 16–19 показаны различные варианты реализации многокоординатных устройств позиционирования на базе пьезоприводов фирмы PI.

Фирма специализируется на разработке и производстве керамических микроэлектродвигателей для применения в миниатюрных устройствах. Компания New Scale Technologies Inc. (www.NewScaleTech.com) была основана в 2002 году группой специалистов, имеющих десятилетний опыт в области проектирования пьезоэлектрических приводов. Первый коммерческий образец привода SQUIGGLE был создан уже в 2004 году. Созданы специальные исполнения привода для работы в экстремальных условиях, для работы в вакууме, в криогенных установках при сверхнизкой температуре, а также для работы в зоне сильных электромагнитных полей.

За короткое время пьезодвигатели SQUIGGLE нашли широкое применение в лабораторном оборудовании для нанотехнологий, в технологическом оборудовании микроэлектроники, устройствах лазерной техники, медицинском оборудовании, приборах аэрокосмического назначения, установках оборонного назначения, а также в промышленных и бытовых устройствах, например, таких как цифровые камеры и сотовые телефоны.