автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Пьезоэлектрические позиционирующие устройства с коррекцией гистерезиса

СНКНГРАЛСХИХ П)Ст?СТННКй ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЗЩШГЛРУВДЕ УСТРОЙСТВА С КОРГьКШЖЙ Г/СТЕРЕоИСЛ

СпециЕЛЬНОСЛ. 05.13.05 - Элементы и устройства

вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Для служебного пользования

Экз. №.

ПОПЛЁВКИК ТЖООЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

УДК 581.585.V73

Ленинград - 1991

Ленннгр".дскнГ[ госуд;? рстпс::::'.::'

техническ:" - — Вход. Г; . С ^ С

Работа выполнена в Ленинградском Государственном трхн::,,лском

университете на каФедре "Систем управления движением".

Научный руководитель - член-корреспондент \:2i IVJ4-CГ. ;:октор

технических наук, профессор А.А.Крофеев

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Р.Ю.Бансявичус

кандидат технических наук, доцент л.А.Кудряаюв

Ведущая организация - ВНИК проблем вычислительной техники и информатики, г. Москва

Зашита диссертации состоится '»ДО» НОЯБРЯ ;р?1 г. в_

часов на заседании специализированного совета Л 0Г£.'.'8.С"< Ленинградского Государственного технического университета.

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментально" Зн^лиотеке университета.

• Автореферат разослан " 1/»СЕНТЯБРЯ 1991г.

Ваш отзыв в двух экземплярах, скрепленный гербовой печатью,' про сим направлять по адресу: 195251, Ленинград, Политехническая ул.,29 ЛГТУ, ученому секретарю.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,

доцент , к.П.Лурандин

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЗЩКОНИГЛЩЕ УСТРОЙСТВА С КОРРЕКЦИЕЙ ГИСТЕРЕЗИСА

)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИ1-СА РАБОТЫ

Актуальность темы. Б таких областях науки и техники юн: микроэлектроника, оптика, точное машиностроение и приборостроение одной из актуальных и технически сложных является задача осуществления прецизионных перемещений подвимшх органов систем автоматического управления £САУ) различи:зли объектами. К этому классу систем, отличающемуся большим разнообразием, предъявляется совокупность самых различных и, как правило, высоких технических требований. К их числу, в первую очередь, относится большая точность, значительное быстродействие, малые габаритное размера и масса, низкое энергопотребление, высокие устойчивость к эксплуатационным факторам, надежность, технологичность и гпзкая стоимость. Обеспечить эти условия во многом способны пьезоэлектрические позиционируйте устройства (ППУ). 3 последнее время становится очевидным преимущество использования ППУ как в качестве силовых исполнительных элементов в диапазона до 10 Вт, которыми являются линейные пьезоэлектрические двигатели С®Д). так и в качестве многокоордипатпых пьезомл1кршанипуляторов(ПММ"), используемых в прецизионной технике для позиционирования на атомарном уровне (^например, в нанотехнологии, микробиологии, когерентной оптоэлектро-ннке, при производстве ССБПС). При реыешги ряда технологических задач для увеличения диапазона перемещений используются ППУ шагового типа: с различными типами фиксирующих узлов.

Наиболее перспективным! для -работы в прецизионных устройствах являются монолитные к составные конструкции ППУ. Однако ППУ присущ такой недостаток, как значительная гистерезиснач зависимость деформации от приложенного электрического напряжения. Зти характеристики определяются но только параметрами пъезокерамяческих материалов конструкцией ППУ, но амплитудой и скоростью изменения внешних воздействии.

Поэтому для повышения точности позиционирования устройств с использованием ППУ, создаваемых на базе сер:й:ю выпускаемой пьезокера-мики, необходга.:о исследовать гистерэзисные характеристики ППУ и, соответственно, режить задачу компенсации их неоднозначности и нестабильности. Решить эту задачу мо.тло нутом создания нор г« конструкций ППУ, разработкой программно-аппаратных способов' и устройств, кпяраз» лошшх на корсекпи'о гистерезиса.

Кроме того., на сегодняшний день нерешенными остаются задачи, связанные с повышением стабильности работы электростатических фиксирующих узлов ППУ. Таким образом, разработка и исследование ГИТУ, а такие создание теории и устройств управления на их основе является актуальной и важной задачей как в теоретическом, так и в практическом плаке,

Цель работы - исследование свойств петель гистерезиса, разработ-■ ка принципов построения безгистерезисных, вксокостабильных пьезоэлектрических позиционирующих устройств.

Методы исследования. Проведенные в диссертационной работе исследования основаны ка использовании теории упругости, теории радиотехнических цепей и сигналов, теории автоматического управления, теории колебаний, методах аппроксимации объектов и систем, математическом моделировании на ЭШ. Экспериментальные исследования проводились с использованием специально разработанного стенда.

Научную новизну работы составляют:

1. Новые залащенные двумя авторскими свидетельствами СССР на изобретение конструкции ППУ с компенсацией температурных дрейфов и гистерезиса, обеспечивающие высокую точность позиционирования рабочего органа.

2. Методика анализа нелинейных статических характеристик ЦПУ и полученные ка ее основе зависимости, описывающие изменение формы петли гистерезиса с учетом конструктивных, климатических и алгоритмичес-

* ких факторов.

3. Математическая модель петли гистерезиса с учетом особенности режимов функционирования ППУ, выраженных в виде симметричного, несимметричного и частного циклов.

4. Инженерная методика расчета ППУ шагового типа с электростатическими фиксирующими узлами, основанная на двумерной методике расчет; пьезопреобразователей и позволяющая анализировать влияние внешних возмущений на динамические свойства ППУ.

Практическая ценность работы;

1. Разработаны структурные и функциональные схемы устройств для исследования петель диэлектрического (ПДГ) и электромеханического (ПШГ) гистерезиса.

2. Реализовано устройство стабилизации усилия с коррекцией гистерезиса ка базе программируемого универсального контроллера.

3. Разработаны перспективные способы и устройства коррекции гистерезиса в ППУ, основанные на свойствах стабильности статических характеристик.

2

4. Разработаны способы и устройства коррекции гистерезиса в ППУ : учетом возмущакких факторов.

Новизна и оригинальность технических решений подтверждена авторами свидетельствуя! СССР на изобретение: №M46310G,1505398,1604118.

Реализация результатов рзботи. Основные научные и практические )езультаты диссертационной работы использованы в рамках НИР " Разработка и исследование систем автоматического управления пространст-;с!г;пж положением оптических элементов"^ государственной регистрации )189.0034281) на предприятии п/я Р- 6581, в рамках НИР " Исследование i разработка пьезоманипулятора и системы управления для устройств iTO,парного уровня"^ государственной регистрации 0187.0001549)на 1редприятии п/я А-3390, шифр ''Барьер". Результаты работы использова-ш также на предприятии п/я B-80S1 при проведении НИР "КРАБ" и "СПРУТ" i в рамках НИР "Пьезопривод продольных перемещений, управляемый от ЭК,?", сифр "Предел", проводимой на предприятии п/я Г-4671.

Результатом работы явилось создание ряда образцов ППУ, которые 1ро:пли испытание и внедряются на предприятиях п/я Г-4671 и п/я А-3390. {роме того, предложенные способы коррекции неоднозначности статичес-шх характеристик ГКМ использованы предприятием п/я А-ЗЗЭО при созда-ши сканирующего туннельного микроскопа.

Апробащтя работы. Основные пелог.енпя и результаты диссертадлон-юй работы докладывались и обседались во время работы 'Шестой Всесоюзной гзг.олы-семинара по оптической обработке информации (^г. Фрунзе, l98Gr.), на Третьей Всесоазкой конференции "Актуальные проблем:: получения и применения сегнсто- и пьэзоолектрических материалов и их роль э ускорении научно-технического прогресса (г.!.госква, 1937г.-), па Кра-звой научно-технической конференции "Автоматизация электроприводов и эптга.тзацнл рогпмов мектродотреблення" (г.Красноярск, 1988г.), на Всесоюзном семинаре "Применение пьезоактивных материаюз в промыплнн-иостп" ( г.Ленинград, 1988г.), на Всесоюзном семинаре-совещании "Нало-гехнологня и п;;тзгралы::;е квантовые схемы" ( г.Москва, НПО "Микроэлектроника", 1939г.) , lia научно-:пхкичсском семинаре "Лрецизнопныз электроприводы и дптчкки малых перемещений" ( г.Ленинград, 1990г.) , . «s первой мег-отраслевсй кон:?оргшзм "С-упкгп'ональпая злектрокика" ( г, ,1е;пнграл, 1:ГЮ "Амгтарл", 1990г.), а таку.е па научно-технических семинарах xaîezp "Автоматика и вычислительная техника" и "Системы "" ~Г7У.

-и. "о i'"';ультатам гр-оь-дс-нлих исследований :: р'пработо::

опубликовано 15 печатных работ, в том числе: 4 описания изобретений, 6 статей, 4 тезисов' докладов и одна брошюра. Кроме того, результаты работы отражены е 5 отчетах по НИР.

Структура и объем диссертации. Диссертация_состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 154 наимено вания, и четырех приложений; содержит 125 страниц основного текста, 45 страниц иллюстраций и 6 таблиц.

СОДЕНКАШЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы, цель работы и задачи исследований. Отмечено, что использование ППУ как инструмента для но вых технологий привело в середине 80-х годов к резкому увеличению ко личества работ, посвященных ЛПД, ПММ, способам и устройствам их управления. Повышается интерес к ППУ в США, Японии, Германии и Франции В СССР наиболее интенсивно работы ведутся в Каунасском политехническом института под руководством академика АН Литовской республики К.М.Рагульскиса, в Ленинградском государственное техническом универ-' ситете под руководством члена-корреспондента АЕН РСОСР А.А.Ерофеева, в Киевском политехническом институте под руководством профессора 'Ю.И.Якименко, з Московском институте электронной техники под руковод ством доцента Е.И.Иванова. Перечислены основные результаты, выноси-• мне на защиту.

В первой главе проводится анализ известных конструкций ППУ и предлагается классификация, отражающая их основные особенности. Отме чается, что ППУ в конструкционном отношении можно подразделить на тр основные группы: монолитные, биморфные и составные.:

Анализируя качественно новый тип ППУ - многостепенные ПШ, ' сформированы следующие основные требования, предъявляемые ко всем конструкциям ППУ: максимальная частота собственного резонанса, минимальные размеры, отсутствие температурных дрейфов, минимальный гистерезис. Показано, что наилучшим образом предъявляемым требованиям соответствуют монолитные и составные конструкции ГШУ (рис:1) . Предложены новые конструкции ПЬИ, в которых предусмотрена компенсация температурных дрейфов. Разработан- шаговый ПММ, позволяющий в мос-кости осуществлять перемещение по трем координатам. Всем этим конст-•рукциям присущ гистерезис. 1

Проведен анализ способов и устройств компенсации гистерезиса и показано, что на сегодняшний день помимо рекомендации использования 4

lYc.l чопотрлтш! разработанных пъозоэлрктричоскпх поз;:и.:э1шруп::шх устройств

малых электрических полей применяются способч с локализацией вершин неоднозначной статической характеристики ППУ и способы локализации частного цикла петли гистерезиса. Предлагаемые способы компенсации гистерезиса сдерживают применение ППУ в тех устройствах и условиях их работы, в которых алгоритмы их функционирования не могут ограничиваться свойствами частных гистерезисных циклов. Поэтому для расширения области применения ППУ предложено исследовать свойствс нелинейных статических характеристик ППУ, на основании которых могут быть созданы новые способы и уотроГлва коррекции гистерезиса.

Вторая глава посвящена анализу гистерезисных явлений и разработке математической модели ППУ. Изучение монолитных и составных конструкций ППУ показало, что статические характеристики перемещения рабочего органа ППУ от подаваемого напряжения управления неоднозначны, имеют ёкд петли гистерезиса (ПГ) и обладают следующими свойствами:

1. Форма ПГ зависит от многих параметров, к которым относятся особенности внутреннего строения образца ППУ, предыстория, количества и формы ранее проведенных циклов, изменения направления и формы управляющего напряжения и т.д. Но если управляющее напряжение циклически изменяется между двумя равными по величине и противоположными по знаку значениями, то воспроизводимые при этом перемещения происходят по частным лстерезисным циклам с высокой степенью точности до Ъ% (ъ случае термостабилизации ППУ).

2. Начальный участок ПГ является геометрическим местом вершин . частных циклов. Воспроизводимость начального участка ПГ из начала

3. Частные циклы ПГ симметричны, подобны и сохраняют свою форму в области слабых полей.

4. Относительная величина остаточных деформаций Д^О зависит от максимального значения напряжения управления.

5. При управлении ППУ пилообразным напряжением ширина ПГ уменьшается практически в 1,5 раза по отношению к ширине ПГ при управление синусоидальным напряжением.

Предлагается оценивать неоднозначность статических характеристш в монолитных конструкциях ППУ петлями диэлектрического гистерезиса (ЛИГ), а в составных конструкциях проявление гистерезиса в пьезокера-мике усугубляется гистерезисом в местах соединения пьезоолементов. поэтому оценивать неоднозначность характеристик в это^ (.„-учае предлагается при помощи петель электромеханического гистгве&кса ^•МГ).

осуществляться с точностью силовых воздействиях").

При этом предложено вести оценку с помощью коэффициента гистерезис-ности:

. Ид! . (1)

где^Т(Еу)| - функциональная зависимость ПЦГ или ПЗМГ,|Еу|- изменение входной величины в рабочих пределах ^у^л*- Е^п! »"Тх ~ выходная величина ППУ.

Влияние внепяшх возмущающих факторов на гистерезис ППУ предложено оценивать при помощи параметра Ьк , значение которого получают при^х-0 , ГП-ЭСК . Обобщенные результаты экспериментальных исследовании позволяют выразить зависимость Ек от температуры 9 следующим образом: , •

Е _ Ек(6о)-Ек(6т) д | Ек(9о>9гту-Ек(8.п>6о (2)

к Во" 0 т От ~ 0о

гдеЕк(Во) ,Ек(6т)_ значение коэффициента при начальной температура 00 и максимальной температуре 0 т., ссотвзтственно, 0 - текущее значение температуры.

Для ППУ, работающего на частоте 75 и нагруженного аксиальной нагрузкой Рп , создающей в пьезоэлементах механическое напряжение "Уз > изменение Л Ек. за время может быть вычислено согласно выражению:

о.

I

/ п 1 4- . п i i. . _ _ -ч- {

дЕк'-А-

+В,сз)

где А , В - коэффициенты, определяющие изменение сирины потлп пьезоэлектрического гистерезиса от формы управляющего напряжения и состава пьезокерамики,с£к - коэффициент теплоотдачи кснвокцпвй.дС -удельная теплоемкость, р - плотность пьезокяраиичесг:ого материала, • - аосолютная диэлектрическая проницаемость материала,^ О" - тангенс угла диэлектрических потерь.

Сут,зст|»7!хз!0 модели описывают ППУ кал-: электромеханический преобразователь, осиоркг,аясь на эквивалентных электрических схемах, кс-го ,. -,.гг.,.,,; ,.„т т-,-;..,чптыг^х-щсстнполпсникоп, :г.У!о ос-пчло; .и 1 'гятл'сг.«'.-:«. р<к:«п:к полисного урэяжжпя догонял точ.-:«

пьезопластины и уравнений пьезоэффекта. ■ Однако в этих моделях не учитываются гистерезисные свойства пьезокерамики и не учитывается влияние внешних воздействий на характеристики ПЛУ.

На основании анализа результатов экспериментальных исследований статических'характеристик ШУ, используя аппарат кусочно-линейн^ операторов в совокупности с методом, основанным на сопряжении (^продолжении, припасовывании)решений семейства линейных уравнений, получено приближенное выражение, описызающее статические свойства ПЛУ в виде петли гистерезиса:

=-0,5

. 1г К

М-к

(Ы-к)-([Еу-(^Екг^И-К-Ек.)I

+

.м-К

-ЬЕ-

•у

(4)

где М . , N . К - коэффициенты петли гистерезиса для участков: начального (М), восходящего и нисходящего (Ь), описывающего наклон при переходе с восходящего на нисходящий склон ПГ и наоборот (К), на участках, описывающих насыщение для предельного цикла (К)! С- узлы на оси абсцисс, б которых происходит разрыв производной; Еу - входная величина представлена в виде напряженности электрического поля, создаваемого на электродах ППУ; »^Т^К" зиаче™е входной и выходной величин в момент изменения знака входного воздействия; Ек1и Ькограницы зоны петли гистерезиса, которые определяются как:

См" Ека"

К

тлх

к

•тт

<5)

• Таким образом, выражения (3)-(5) описывают ППУ и определяют метод . предсказания и коррекции ПГ для ППУ с учетом нестационарности статической нелинейной характеристики гистерезисного типа. Приче;»: линейная динамическая часть модели ППУ определена как звено со сосредоточенными параметрами на основании электромеханических процессов в пьезокерачике с учетом граничных механических и электрических усло-ёнВ и представлена в виде:

»

ЧУ(Р)

К1

Тз3р. ^ ♦ 1

К^&ъь-ё1^;

гг^обТь , А^О-ьъЕ

, Зо . + (Ъз'ЬУ* е \Ys\So 5о

(6)

т?=

а-ьъ^^л

о г» ^ : | ,

2Л е

4 ^ Йо

ла ■ Е .

есь Ко - сопроткапение внешней электрической цепи, 00 - площадь ектродов ППУ, Л - амплитудный коэффициент затухания вол!ш в пьезо-рамике, модуль Юнга, С - длина активной части пьезоэлемеита.

Передаточная функция линейной части ППУ по возмущающему силово-■ воздействию имеет вид:

Л Т /пЛ___Ю^)_

-ргх.

(7)

К*8" т*-

е"7

2«и?о(1«

- Ко 5о

I > ^ t ¡= т

!оч е £

Получены основные расчетные соотношения и структурные схемы моде-[ ППУ с учетом ПЭМГ и температурных воздействий, позволявшие анати-[ровать влияние на динамические свойства ППУ параметров внешних [равляющях цепей и свойств пьеэокепашческих материалов.

Третья глава посвящена разработке способов и устройств компен-1пии гистерезиса в ППУ. Предложены методы коррекции, основанные на юйст?ах статических характеристик ППУ и использующие сочетание

конструкционного и электрических способов. Конструкционный способ (симметричность конструкции и использование механического поджатая пьезоэлементав} позволяет уменьшить неоднозначность ПГ и частично исключить температурные дрейфы. Электрические способы предполагают использование различного типа нелинейных корректирующих устройств (НКУ) , позволяющих в определенные моменты времени вводить специал ные переключающие сигналы и, тем самым, выполнять логическую опера цига предлагаемого способа.

Сущность первого способа заключается в том, что для конкретно ППУ один из участков ДЗМГ выбирается в качестве рабочего (например восходящий) . Если необходимая величина перемещения больше исходно ее получают простым увеличением управляющего напряжения. В противн случае управляющее устройство (НКУ) обеспечивает прохождение обеих вершин ПГ и выход в заданную точку перемещения.

В другом способе исключения неоднозначности статических харак теристик ППУ используется стабильность начального.участка ПГ. В эт случае применяется схема с НКУ типа . в которой цепь ул

равления разрывается в момент , когда'изменяется знак сигнала равления № в* . Накопленная в ППУ энергия разряжается через шунтиру щае сопротивление, при этом остаточная деформация примет значение1 (определяемое величиной IIв*!«^. Поэтому в момент времени »а ПИ подается сигнал ЦкУ I. , пропорциональный:

где [Кц+\] /Д^ -т.конструктивный коэффициент, завися-

щий от типа ППУ (обычно

Поело действия значение станет равным нулю, и толы затем движение рабочего органа ППУ вновь будет определяться начал! ным участком ПГ. При этом импульсы ЫкУ;, квантуются в зависимости с сигналаЦки*«но только по уровню, но и по длительности. Величина длительности импульса ^определяется решением уравнения:

Здесь - модуль максимального значения входного сигнала

в момент изменения его знака, сСГ - крутизна импульсов генератора пилообразного напряжения, которь"/. является составной частью НЮ".

10

Ш<У данного типа изменяет динамические характеристики САУ с ¡У. Анализ такой системы был проведен методом гармонической линеара-шии. Показано, что во втором способе коррекции гистерезиса изме-иэтся эквивалентные параметры усилителя мощности следующим образом:

Т*--Т [ А — CQSM/ |У(Д- ¡^[ooC^Ï-SiVl^-CÛ^)

Щ-nrrv- л ñ с^поиЛ-

CIO)

_ ч ~$су- о.эзшачо

це У - сдвиг Фаз, вызываемый НКУ, Ю - мгновенное значение частоты о время включения корректирующего устройства.

- Следует отметить, что для осуществления описанных выше способов оррекции гистерезиса переходные процессы должны происходить без пе-ерегулирования. В противном случае ППУ выходит на новый частнкй икл и, следовательно, нарушаются условия стабильности статических арактеристик ПГ. При этом значение колебательности ^Ъ за время несходного процесса может быть найдено из выражения:

Ж

_ показатель затухания системы, ^'млх и максимальная и

ютаточная деформации ППУ. Задавшись требуемым значение,., колебатель-юсти1, можно получить выражение, позволяющее выбирать парамэт-:ы САУ с ППУ. Показано, что при работе на начальном участке ПГ выра-(ение (11) при|%<1 прилет вид:

СП)

Яс

%> ■де Kl, Кг

>

1

, (12)

конструктивно-технологические коэффициенты, ¿ij - пьезомо-1уль, П. - количество секций (_для составного ППУ), Гс - силовое возму-ткхцее воздействие,Y¡| - модуль Юнга, Цм - механическая добротность

ИГУ. '

Лля получения монотонного переходного процесса з схему коррекции предложено ввести адаптивный ПИД регулятор, управляем1!1'! от Е\У„ 1а!;амстры кото[юго выбираются па основании критерия гдхскгдльнсЯ зтепепи устойчивости:

т — - m i ri гпа.х Re Я.!. Jcílt d

где "Re ^ - действительная часть корней характеристического полинома система. 3 качестве переменных координат используются параметры настройки коэффициентов интегрирования Ки и дифференцирования Кд, . В качестве сигналов, определяющих моменты переключения, предложено снимать напряжение с отдельной секции пьезоэлементов (для составных ППУ) или с секции обратной связи (для монолитных ППУ).

Оценивалась возможность коррекции гистерезиса путем наложения на входной сигнал периодической переменной составляющей различной формы (синусоидальной, прямоугольной и треугольной). При этом за критерий оценки принималась ширина ПГ: . л,

• SUP f TiduA М T(Ev)l

ft _ iiuv+uoi т* U^JI^Iiuv^dI T*i Л (и)

Ur_ \uYm« + Uol

Предложен амплитудно-частотно-токовый способ формирования корректирующего сигнала пилообразной формы на частоте резонанса ППУ с амплитудой А 6^0,3 'Uy , учитывающий: узкополосность резонансного участка АЧХ, дрейф ЛЧХ и ФЧХ под действием возмущающих факторов, многосвяз-нссть но входным координатам управления и возмущения.

Предложено устройство линеаризации статической характеристики ППУ (рис.2") , являющееся компенсатором адаптивного типа в условиях

U&X

-ф-

J

5BMi

У==

к<

--П

6В K'j

НУ Ке

—<2>4|

Ыич

U«a

НЭ1

И

Ка

{¡■} 2

I /ГУ\

Ki

неппшх температурных возмущений. Компенсатор включает в себя кроме нтегратора (И) и инвертора (Пнв) нелинейный элемент (НЭ1) с переменой зоной нечувствительности, блок вычисления СЕВ) зоны (сигналы Um Инг), а также нелинейный элемент ограничения (Н32). Блок вычисле-ия содержит четыре пропорциональных элемента Kß - Kg, семь сумма-оров, три блока выделения модуля ББМ1 - БВМЗ, нормирующий усили-ель (НУ).

Рассматривается возможность параллельного и последовательного ключения устройства коррекции ПГ ППУ.' Компенсатор позволяет воспро-:зводить как частные, так и предельные циклы ПГ.

Анализ разработанных способов и устройств коррекции ПГ показы-1ает, что на практике они повышают точность ППУ до 3-8%. Это позво-;яет расширить их функциональные возможности и, соответственно, об-[асть применения.

В четвертой главе рассмотрены монолитные ППУ шагового типа, [спользующие электростатические фиксирующие узлы (ЭФУ), получившие [рименение, например, в туннельных микроскопах для "грубых" г.ереме-юний и позволяющие путем разделения электродов или путем комбинации механического сочленения пьезоэлементов создавать многофункциональ-ше микроманипуляторы.

Выведены основные соотношения для перемещения данного ППУ с гчетом развиваемого им усилия, а также нестабильноетл перемещений, ¡вязанных с гистерезисом и "э'алипашем" ЭФУ. Коррекция гистерезиса з ППУ такого типа должна сопровождаться одновременно техническими ».ерами, повышающими надежность ЭФУ. Для исключения "залппання" ЭФУ тредложено в конструкции ППУ вводить звенья обратной связи (ЗОС), которые конструктивно располагаются за точкой закрепления ЭФУ. Показано, что возможны секции с поперечным и продольным ЗОС. Определена динамические модели секции ЗОС продольного типа, как обладающие Золее высокими избирательными свойствами при негармонических воздействиях.

Предложена функциональная схема управления ППУ шагового типа з использованием способа коррекции гистерезиса с наложением переменного электрического поля на частоте резонанса.

3 эт'."-оченпп приведены основные результаты работы и выводы, которые сводятся к следующему:

1. Проведен сравнительный анализ наиболее перспективных конструкций ППУ, предложена их классификация по конструктивным признакам.

13

Показанн преимущества монолитных и'составных конструкций ППУ для позиционирующих систем. Проведена оценка эффекта влияния на ширину петли гистерезиса внешних возмущений (температуры, механическог поджатия пьезоэлементов, частоты и формы управляющего напряжения}. Установлено, что для повышения точности позиционирования необходимо компенсировать гистерезис пьезокерамики и влияние температурных возмущений.

2. Установлено, что для коррекции гистерезиса ППУ целесообразно использовать совокупность электрических и конструктивных способов.

3. Разработаны конструкции и способы управления ППУ с коррекцией гистерезиса, защищенные тремя авторскими свидетельствами СССР на изобретение, позволяющие компенсировать температурные дрейфы и уменьшить ширину петли гистерезиса не менее, чем в два раза.

4. Получена математическая модель ППУ с учетом гистерезиса и температурных воздействий, позволяющая анализировать влияние на динамические свойства ППУ параметров электрических цепей управления и нелинейных, нестабильных свойств пьезокерамики.

5. Предложены выражения для кусочно-линейной аппроксимации симметричных и несимметричных циклов петли гистерезиса с возможностью ее прогнозирования, позволяющие воспроизводить статическую характеристику ППУ с точностью не хуже -8/ь. Разработано устройство коррекции гистерезиса с применением компенсатора адаптивного типа, позволяющее учитывать механические силовые возмущения и температурные,воздействия на ППУ, обеспечивающее построение устройства управления КПУ с высокими аттестационными показателями.

6. Разработаны способы и устройства коррекции гистерезиса,

. основанные на свойствах стабильности статических характеристик . Проанализированы возможности коррекции гистерезиса ППУ при введении специальных корректирующих сигналов, разработан амплитудно-частотно- токовый способ введения корректирующих сигналов, позволяющий эффективно использовать энергетические, возможности ППУ.

7. Предложены конструкции ППУ шагового типа с электростатическими фиксирующими узлами, дополненные звеньями обратной связи, по^ ноляюше исключить залипечие фиксирующих узлов, повысить стабильность воспроизведения траектории движения при внешних возмущениях.

ОСНОВНОЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. A.C. 1463103 СССР, 1,';КИ4 Н02N2/00, Н01°£ 41/08. Пьезоэлектрический микроманипулятор / А.А.Ерофеев, Т.А.Поплёвкин.- 3 4127067/31- , 25; Заявлено 04.07.86; Опубл. 01.11.88, Бш. 8.-6с. (ДСП).

2. A.C. 1505398 СССР, Ш14 II02W2/00, К01оС41/08. Пьезоэлектрический шаговый двигатель / А.А.Ерофеев, Т.А.Поплёвкин, В.Н.Никишин, П.Н.Лускинович, С.В.Ббицов.- № 4242739/31-25; Заявлено 11.05.87; Зпубл. 01.05.89, Вил. № 32.-Зс. (ДСП").

3. A.C. 1604118 СССР, ГШ4 HOloC41/09, Н02Л/2/00. Способ управления линейным пьезоэлектрическим двигателем и устройство для его осуществления / Т.А.Поплёвкин, А.А.Ерофеев, В.И.Прихно, С.В.Бойцов.-'г- 4418815/31-25; Заявлено 03.05.88; Опубл. 01.07.90, Бюл. 40.- 4с.

:дсп).

4. Ерофеев A.A., Поплёвкин Т.А. Способы и системы компенсации пьезоэлектрического гистерезиса // Труды ЛПИ / Ленингр. политехи, лн-т.- 1988.- 423.- С.38-41.

5. Ерофеев A.A., Поплёвкин Т.А., Бойцов C.B. Пьезоэлектрические ликроманипуляторы для устройств атомарного уровня // 3-я Всесоюз. юнф. по актуальным проблемам получения и применения сегнето- и 1ьезозлектрических материалов и их роль в ускорении НТП (},'.осква, 2426 авг. 1987г.): Тез.докл.- М., 1987. - С.120.

6. Ерофеев A.A., Бойцов C.B., Поплёвкин Т.А. Пьезоэлектрические микроманипуляторы для производства квантовых интегральных схем '/ Труды ЛПИ / Ленингр. политехи, ин-т. - 1989. - й 430.- С.8-12.

7. Ерофеев A.A., Бойцов C.B., Поплёвкин Т.А. Пьезоэлектрячес-сие кикроманипуляторы для СТТЛ // Вопросы туннельной микроскопии: /¡ежвуз. сб. науч. тр. / Ш1РЭА. - М., 1987. - С.32-46. (ДСП).

8. Поплёвкин Т.А., Ерофеев A.A. Математическая модель пьезоэлектрического двигателя с учетом гистерезиса // Применение туннель-юн микроскопии: Межвуз. сб. науч. тр. / ЖРЭА. - И., 1989. - С.35-15. (ДСП).

9. Ерофеев A.A., Апп'рхулсв М.Л., Дпзлэталгеэ Д.А., ПоалЗксш Т.А. ¡ьезоолектрсшшл трехкоординатныи оптнкомоханцческу;й сканатор для •строиств оптической обработки информации // 6-я Всосогсз.скола-сеча-;ар по оптической обработке информации (Орунзе, 22-28 септ. 1935гГ): 'ез. докл. - Фрунзе, 1986. -С.78-79. (ДСП).

10. Поплёвкин Т.А., Прихно В.И., Утцов Н.В. Еезгистерезнсное ун->авление линейным пьезоэлектрическим двигателем // Краевая науч,-

15

техн. конф, по автоматизации электроприводов и оптимизации режимов электропотребления (Красноярск, 4-5 окт. 1988г.) Тез. докл. - Красноярск, 1988. - С.30.

11. Ерофеев Л.А., Поплёвкин Т.А., Бойцов C.B. Микроманипуляторы с коррекцией пьезоэлектрического гистерезиса // Прецизионные электроприводы и датчики малых перемещений (Ленинград, 22-23 янв. 1990г.) : Матер, науч.-техн. семинара. - Л.: МНТП, 1990. - С.3-6.

12. Ерофеев A.A., Поплёвкин Т.А., Проклин А.И., Уланов В.П. Фун кциональная пьезоэлектроника. Перспективы и основные направления // Функциональная электроника (Ленинград, 3-5 июля 1990г.) : Матер, первой межотраслевой конф._- Л., 1990. - С. 4.(ДСП).

13. Поплёвкин Т.А., Ерофеев A.A., Филиповский В.Н. Устройство для воспроизведения неоднозначных функций типа петли гистерезиса // Положит, решение ф.1/9 от 28.12.90г. по заявке на изобретение Jé 4686046/24 МКИ5 G06&7/25.

14. Ерофеев A.A., Поплёвкин Т.А., Салтхуцишвили М.А., Бойцов С. Прецизионные пьезомикроманипуляторы для миниатюрных устройств. - Л. ЛДНТП, 1991. - 31с.

15. Ерофеев A.A., Бойцов C.B., Поплёвкин Т.А. Пьезоэлектрически микроманипуляторы для СТМ // Электронная промышленность. - 1991. -Jê 3. - С.54-57.

Подписано к печати i3.oo.ei Тиран 100 экз.

Заказ ю. Бесплатно

Отпечатано на ротапринте ЛГГУ, 195251, Ленинград, Политехническая ул., 29