автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Разработка экономичных и быстродействующих генераторов с пьезоэлектрическими резонаторами

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи Для служебного пользования Экз. Р . Р?0

ПАНКРАТОВ АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ЭКОНОМИЧНЫХ И БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ ГЕНЕРАТОРОВ С. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ РЕЗОНАТОРАМ

05.09.12 - Полупроводниковые преобразователи .

электроэнергии

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Чтений Новгород - 1994 г

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете, г. Нижний Новгород Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Маланов В.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Грязное М.И.; кандидат технических наук, доцент Кириенко В.П.

Ведущее предприятие: Научно-исследовательский радиофизический институт (ВДРФИ), г. Нижний Новгород

Защита состоится " " СШК-Л 1994 г> в /¿{ час0Б в аудитории У на заседании диссертационного, совета

К 063.85.06 по присуждению учёной степени кандидата технических наук в Нижегородском государственном техническом университете (603600, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета.

Автореферат разослан "о^у^-АЛ1994 г.

Учёный секретарь диссертационного совета ^

канд. техн. наук, с.н.с. Соколов

Л

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

(

Актуальность темы. Последние годы характеризуются внедрением в различные области науки и техники ультразвуковых генераторов с пьезоэлектрическими резонаторами. Развитие этого нового научно-технического направления способствовало появлению целого класса виброустройств широкого назначения с поступательным, вращательным, колебательным и сложным видами движений. В связи с этим, были достаточно просто и эффективно решены многие задачи высокоточной механической транспортировки элементов и обработки материалов, их неразруиащих методов исследования, сигнальной и навигационной техники, технологических процессов, ранней диагностики и лечения различных заболеваний в медицине. -

Возрастающий спрос на эти устройства привел к острой необходимости исследованиями разработке принципиально новых конструкций генераторов с более широкими функциональными возможностями и высокими технико-экономическими характеристиками. В ходе решения этих задач, основные усилия *ыли сконцентрированы как в направлении создания новых каростойких, прочных и технологичных в изготовлении резонаторов с большим электрострикционным эффектом, так и различных по назначения систем управления (СУ). Одновременно возник ряд проблем, решение которых встретило определённые трудности. Среди них наиболее важными стали: повышение быстродействия и обеспечение экономичного режима работы этих устройств.

Из известных методов, повышающих быстродействие генератора, заслуживает внимание метод, снижающий длительность затухзидог механических продольных колебаний плоского осциллятора. Сокращение длительности переходного процесса происходит в результате закорачивания обкладок части резонатора, разделённых определённым образом электрически.

Среди методов, обеспечивающих экономичность генератора,заслуживает внимание метод повышающий к.п.д. его СУ. Повышение достигается за счёт импульсного режима работы усилителя мощности (УМ), входящего в дяниую СУ.

Однако эти метода не решяог ряда проблем, я которым можно отнести такие, как снижение длительности процесса установления колебаний при подаче напряжения питания резонатора; невысокий

к.п.д. СУ, отсутствие регулировки электрической энергии, сообщаемой резонатору, при условии сохранения экономичного режима работы СУ и автоматической подстройки её под максимальное значение к.п.д. при возбуждении осцилляторов на различные типы колебаний.

Решение этих задач расширило бы.функциональные возможности и повысило технико-экономические характеристики генераторов, что является актуальной задачей, имеющей большое практическое значение в различных областях науки и техники.

Целью работы является исследование и разработка способов построения генераторов с высоким быстродействием и к.п.д.; регулировкой электрической энергии, питающей осцилляторы, при условии сохранения экономичного режима работы и автоподстройки под максимальный к.п.д.

В соответствии с поставленной целью в данной работе решаются следующие задачи:

- выбор оптимального вида питающего напряжения осцилляторов и исследование влияния его временных параметров на к.п.д. СУ;

- формирование оптимального вида питающего напряжения осцилляторов;

- разработка способов построения генераторов с высоким к.п.д. и с автоподстройкой на максимальный к.п.д.;

- исследование характера изменения амплитуды, частоты и времени установления колебаний в генераторах с автоподстройкой на максимальный к.п.д.;

- исследование и разработка способов построения генераторов с высоким быстродействием.

Методы исследования.. При составлении и решении дифференциальных уравнений, описывающих процессы протекающие в генераторах были использованы следующие методы; операторный, контурных токов, численные (Рунге - Кутта и Адамса), Ван дер Поля, Евтяно-ва, разложение функций в ряды и математическое моделирование на ЦВМ. Достоверность теоретических положений подтверждалась ре -зультатами экспериментальных исследований, проведённых на изготовленных автором образцах генераторов.

Научная новизна. При выполнении работы были получены сле-дущие новые результаты.

1. Предложены оптимальный вид нвпргтения питания пьезоке-рамических резонаторов, аналоговый метод формирования этого напряжения и способ построения генератора с высоким к.п.д.

2. Предложены цифровой метод формирования напряжений питания осцилляторов, блок-схемы анелого-цифровых преобразователей 1АЦП) - формирователей напряжений для литания резонаторов и способы построения генераторов с автоподстройкой на максимальный

к.п.а.

3. Разработаны расчётные модели генераторов с автоподстройкой на максимальный к.п. д. и проведено аналитическое исследование характера изменения их амплитуды, частоты и времени установления колебаний.

4. Предложены структурные и эквивалентные схемы генераторов с высоким быстродействием и надёжным запуском; проведены исследования времени установления их амплитуды колебаний при различных начальных условиях возбуждения.

Практическая ценность. Разработан ряд новых генераторов с пьезоэлектрическими резонаторами с Солее высокими чем у предшествующих техническими характеристиками. К ним относятся.

1. Генератор с к.п.д. СУ", достигающим 80% и возможностью регулировки в два раза энергии электрических колебаний, сообщаемой преобразователю в пределах, обусловленных её высокими значениями к. п. д.

2. Быстродействующие генераторы (практическое повышение быстродействия составляет 3 раза по сравнения с известными генераторами) с невысоким и вы?оким к.п.д., обладайте надёжным запуском.

3. Самонастраивающиеся на высокий к.п.д. генераторы с различными видами колебаний пьезоэлектрических резонаторов, к.п.д., СУ которых достигает 84%-8?%.

Разработаны эквивалентные схемы указанных вше генераторов и получены аналитические выражения, позволяшдае рассчитать их электрические параметры, амплитуды, частоты и время установления в них колебаний.

Генераторы с высоким быстродействием и к.п.д. при использовании, например, в контрольно-измерительной аппаратуре, при-

¿зоддх пьезодвигателей координатных систем и виброконвейерах повышают точность измеряемых величин и микропозициопирования последних не менее чем- в 3 pasa, экономичность их СУ - на 30%-355S.

Реализация результатов работы. Результаты выполненных исследований наили применение при проектировании и создании источников напряжения, выполненных на базе генераторов с пьезотранс-формзтсрами, которые впоследствии были использованы в электроадгезионных закрепляющих устройствах. Они были переданы и внедрена в центре "Инженер", г. Москва и НИИ полимеров им. В.А. Картина, г. Дзержинск.

' Теоретические материалы диссертационно!? работы используются в учеоном процессе НПУ в виде читаемых лекций и при курсовом и дипломном проектировании студентов.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах по автоматизации и технологии производства электронной техники, электроадгеэионным захватам и закрепляющим устройствам. Они проводились совместно Московским институтом приборостроения, секцией "Микроэлектроника" ЦП ВНГО приборостроителей им. С.И. Вавилова, Научным советом по коллоидной химии к физико-химической механике АН СССР, Москва, 1989, 1990, 1991 г.г. Кроме этого, материалы исследований докладывались на научно-технических семинарах, организованных на кафедрах "Электронной техники", "Физика и технология материалов и компонентов электронной техники", НПУ, Н. Новгород., 1993, 1994 г.г.

Публикации. По,материалам выполненных исследований опубликовано 12 научных работ, в -гом числе 7 авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объём .диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и трёх приложений; содержит 135 стр. основного текста, 35 стр. иллюстраций, 2 таблицы, 12 стр. списка использованной литературы из 102 наименований, 3 стр. приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность теми, формулирует-

ся «ель работы, а также полученные научные и практические результаты, которые выносятся на защиту.

В детвой главе дан аналитический обзор известных методов повышения быстродействия и обеспечения экономичного режима работы пьезоэлектронных устройств. Анализируются основные недостатки, особенности каждого метода и пути устранения этих недостатков. Предлагаются новые методы повышения к.п.д. и быстродействия этих устройств.

Рассматривается метод повышения быстродействия СУ гене -ратора, снижающий длительность переходного процесса установления амплитуды электрических и механических колебаний плоского осциллятора. Метод реализуется на базе известного устройства, которое имеет небольшую длительность затухающих механических колебаний резонатора.

Среди методов повьшения к.п.д. генератора рассматривается метод повышения к.п.д. его СУ. СУ позволяет регулировать энергии электрических колебаний, сообщаемой резонатору при условии сохранения высоких значений к.п.д.

Логическим продолжением решения этой задачи является другая - стабилизация максимального значения к.п.д. СУ в условиях нестабильности параметров резонатора и изменения частоты электрических колебаний генератора. В работе указывается на большое практическое значение решения этой проблемы в случаях возбуждения на основной гармонике колебаний резонатора, вяброгтяры и плоского резонатора по длине и его части - на пятой гармонике по^толщине. Указанные метода были реализованы при построении новых генераторов.

Во второй главе приводится анализ нескольких видов питающих напряжений осцилляторов, оказывающих влияние на' к.п.д. СУ генератора. Отмечается, что гармоничесхое напряжение питания является идеальным для возбуждения в них только одной моды колебаний. Это обеспечивает работу осциллятора с максимальным к.п.д. по данной моде колебаний. Однако указывается, что гармоническое напряжение питания осцилляторов снижает к.п.д. СУ генератора, т.к. к.п.д. УМ, входящих в его структуру заведомо меньше 50£. Оптимальным решением является использование пита—

гощего напряжения вира (рис. I ), которое обеспечивает экономичный режим работы УМ и содержит высокую долю h. энергии по первой гармошке колебаний „ 2

И - wnV

4 - var-zfi)'т'о > (i)

где ;9 - половина длительности временного интервала измеряемого между спадом и фронтом двух импульсов.

Это подтверждается результатами исследования проведённого на рис. 2. Практическую ценность представляет собой интервал изменения параметра 0

в котором доля энергии по первой гармонике принимает самые высокие значения 8I%-925?. Оптимальное значение /3 =0,16.Я" , которому соответствует h. =92$. -

С учётом полученных данных проведённого анализа автором был предложен аналоговый метод формирования оптимального вида питэщего напряжения осцилляторов и способ построения генератора с высоким к.п.д. (рис. 3,4). Повышение к.п.д. СУ генератора до 80$ осуществляется блоком аналогового преобразователя (АП) А. В нём формируется требуемое питающее напряжение согласно аналитического преобразования входного гармонического напряжения LUBx.

ya)*ugjt)íKi¡u'¿x(t)\, o)

где K.¿ - параметр преобразования.

В данной главе рассматривается методика проведения экспериментальных исследований генератора с высоким к.п.д.; приводятся их результаты.

В третьей главе предложен цифровой метод формирования питающих напряжений осцилляторов с представлением их ограниченным чирлом функций Уолша. В отличие от аналогового метода он позволяет обеспечить высокую стабильность значения параметра /б ( например, fi =0,16 Я ) в условиях нестабильности параметров резонатора и изменения электрической частоты колебаний генератора. Рассматриваются способы построения генераторов с автоподстройкой на максимум к.п.д., в которых используется цифро-

Последовательность разнополярных импульсов с высокой допей энергии по первой гармонике колебаний

=>Е

Р я-р ¡г

2 гг

2я

Рис. I

■ График зависимости доли энергии по первой гармонике последовательности разнополярных прямоугольных импульсов от параметра р

0,1я 0,2л 0,Ъп амя р,рад Рис. 2

Структурная схема генератора с высоким к.п.д.

Временные диаграммы работы генератора с высоким к.п.д. в соответствующих точках схемы а-з (Рис. 3)

Кллллллллллалл

А А А А А Л Л

\I V V V V Л/ У

ПО

ГТГП

Рис. 4

И.

5

вой метод формирования питающих напряжений осцилляторов. Ими являются.

1. Генератор с возбуждением в резонаторе одномерных колебаний.

В генераторе пигащее напряжение осциллятора представляется в базисе 4-х функций Уолта

4 (I) = зт ит/у, 36соси и,г) - 0,64 ша1 {6, г) - <

-0,36 илс(, (9, г) - 0,Збсиа,С (13, г)], (4)

где - амплитуда восстанавливаемого напряжения (рис. I).

2. Генератор с возбуждением в вибропаре двумерных колебаний, (рис. 5,6).

В генераторе питающее напряжение вибропары формируется согласно (4) и выражения

/а/г)- я ит1[ 1,2,6 ихсС(г,г)*0,64 ига.С(б,г)-

- 0,36 ша1 аО, гг) * 0,36 шхх1 (/V, Г)]. (5)

Кч пряжения (4, Ь) используются для отдельного возбуждения двух прямоугольных преобразователей вибропары. Она обеспечивает вращение ротора ( механической части генератора) в одну или другую стороны.

3. Генератор с возбуждением в резонаторе колебаний по его длине и толщине.

Генератор имеет два канала для отдельного питания резонатора. В них формируются напряжения двух видов. Первое напряжение возбуждает пьезореэонатор на первой гармонике колебаний по длине и формируется согласно (4). Второе напряжение возбуждает пьезореэонатор на пятой гармонике по толщине во время обратного хода преобразователя и формируется согласно выражения

/з (Г)= литг[~О,гшаи:(01т) *0,гшаЛ (г, с)* * 0,6(Ю,г)- 0,2.(маС + (б)

где амплитуда восстанавливаемого напряжения пятой гар-

.Структурная схема генератора с автоподстройкой на максимум к.п.д, и возбуждением в вибропаре двумерных колебаний

Рис. 5

13.

Временные диаграммы в точках а - к схемы генератора рис. 5

тпгии~ш_п_гш ишшшлшшиягишигш

ШЁШШШШШШШЖИ

л пп п п

у и "и

^пипипип

Рис. б

МОНИКИ.

Дополнительное возбуждение осциллятора по толщине снижает силу трения между взаимодействущими механическими частями, что повышает к.п.д. генератора.

Выражения (4-6) являются алгоритмами построения АЦП -последовательно рассмотренных вше генераторов. АЦП формируют требуемые питающие напряжения осцилляторов и обеспечивают режим работы СУ этих генераторов с к.п.д. соответственно равными 87$, 86,4%, 82.3Я.

В заключительной части главы излагается методика проведения экспериментальных исследований генераторов, приводятся их результаты.

В четвёртой.главе рассматриваются эквивалентные схемы генераторов с автолодстройкой на максимальный к.п.д., излагается метовдка их построения.

В генераторе с возбуждением в пьезорезонаторе одномерных колебаний определяются стационарная амплитуда ^¿сг и время ¿у установления колебаний

и> ЬГ -I---- -— у

^ З/а.2.//?/ 17)

где а~1 , а.2. - крутизна и вторая производная крутизны вольт-амперной характеристики усилительной части генератора, Я ± - управляющее сопротивление генератора.

где - постоянная времени генератора,

Ц.1И - начальная амплитуда колебаний, " параметры генератора,-

Я = 3/аг/в< , Я = Чи

В генераторе с возбуждением в вибропаре двумерных колебаний определяются стационарная амплитуда и частоты колебаний. Квадраты определяемых частот , Сл)о% находятся из

следующей системы уравнений

* cjpSu>oz *■ Uzu>fc¿f[c¿>ll(U~i)sD,

; COw = L2cofuj¿co£ : (U -flcúoz ^os > (9)

где it, ou¿ f to¿, c¿¡-¡ - постоянные параметры.

Стационарная амплитуда ZL¿r определяется согласно (7). В генераторе с возбуждением в пьезорезонаторе двумерных колебаний определяется частоты и амплитуда установления колебаний. Амплитуде U-oln.колебаний находится из выражения,

где bLQÍ¡1Ln- экспоненциально изменяющиеся амплитуда колебаний с частотой . - малый параметр. Квадраты частот cüoí, u)azjCjJj-определяются аналогично (9). В генераторе с возбуждением в пьезорезонаторе одномерных • колебаний приводятся методика расчёта и экспериментальные исследования стационарной вмпяитуды и времени установления колебаний.

Проведённые измерения показали, что при исходных рантах * 836,5 В-2, » -209,2- стационарная амплитуда и время установления колебаний равняются 0,55 В; 8,9'10"^ с. Это составляет соответственно 10% и 8,2% от их расчётных величин.

В пятой главе рассматриваются способы построения структурных и эквивалентных схем генераторов с высоким быстродействием; представляются их временные диаграммы работы.

В генераторах с невысоким и высоким к.п. д. определяется время установления колебаний при различных условиях возбуждения. Показано, что при нулевых начальных условиях и в мягком режиме самовозбуждения длительность процесса установления колебаний максимальна. При увеличении величины начальных возмущений посредством внешнего импульсного возбуждения длительность переходного процесса снижается, т.е. повышается быстродействие генераторов.

Теоретические исследования показали повышение быстродействия генератора с невысоким к.п.д. в 4,6 раза, с высоким к.п.д.-в 5,48 раза.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы; в приложении - документы, подтверждающие их внедрение.

ОСНОВШЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ-

1. Проведенный сравнительный анализ различных видов напряжений питания резонаторов показал, что гармоническое напряжение приводит г. значительным потерям электрической энергии в УМ, входящих в СУ генератора. Для их снижения используется оптимальный вид питающего напряжения, представляющего собой последовательность раэнополярных прямоугольных импульсов. Это позволило получить как экономичный импульсный режим работы УМ, так и' высокую долго первой гармоники для возбуждения колебаний

в пьезорезонаторе.

2. Установлено,-что с увеличением значения параметра/9 от 0 до 0,25;т происходит изменение доли первой гармоники прямоугольного импульса от Ь1% до 92%. Максимальная ее величина соответствует 0,16Л* .

3. Исследована и разработана структурная схема генератора с высоким к.п.д., в котором используется аналоговый метод формирования оптимального вида питающего напряжения осцилляторов.

4. Найдены алгоритмы и с оста влень)"струхтурмые~:хемы цифровых устройств формирования напряжений иитнния резонатора и вибропары для возбуждения в резонаторе колебаний по длин« и толщине; в- вибропаре-двумерннх колебаний. На базе полученных результатов разработаны самонастраивающиеся на высокий к.п.д. генера-

торы с различными видами колебаний их пьезоэлектрических резонаторов. Проведённые экспериментальные исследования подтвердили их высокую энергетическую эффективность.

5. Составлены эквивалентные схемы самонастраивающихся на высокий к.п.д. генераторов. Для них составлены и решены системы уравнений, позволяющие определить амплитуды, частоты и время установления колебаний. Экспериментальные исследования показали удовлетворительную достоверность полученных теоретических результатов.

6. Установлено, что регулируя величину начальных возмущений посредством внешнего импульсного возбуждения, можно изменять длительность переходного процесса нарастающих колебаний и тем самым повысить быстродействие генераторов в несколько раз, а также обеспечить их более надежный запуск в условиях жёсткого режима самовозбуждения.

Проведённые исследования позволяют сделать вывод о возможности применения полученных аналитических выражений для расчётов разработанных генераторов и их перспективного применения для различных устройств таких как, например, пьезодвигатели, виброконвейеры, вибростенпы и т.д.

Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в следующих работах.

1. A.c. 1000120 СССР, ЫКИ3 В 06 В 1/06. Устройство для питания пьезокерамического-преобразователя / A.B.. Панкратов tCCCP). - 4 е.: ил.

2. A.c. 1062607 СССР, МКИ3 Н OIL 41/08. Устройство для питания шагового вибродвигятеля / A.B. Панкратов (СССР). -

- 4 е.: и«.

3. A.c. II275I9 СССР. Устройство для управления вибродвигателем / A.B. Панкратов, Л.В. Панкратов (СССР). - не подлежит публикации.

4. A.c. 1205726 СССР. Устройство для управления вибродвигателем / A.B. Панкратов, Я.В. Панкратов (СССР). - не подлежит публикации.

5. A.c. I2I0629 СССР. Устройство дяя управления вибродвига-

телем / A.B. Панкратов (СССР).- - не подлежит публикации.

6. A.c. 1235428 СССР. Устройство для управления вибродвигателем ] A.B. Панкратов (СССР) - не подлежит публикации.

7. A.c. 1290974 СССР. Вибропривод / A.B. Панкратов, Л.В. Панкратов (СССР) - не подлежит публикации.

6. Панкратов A.B. Быстродействующие системы управления пьезогенераторами // Сб. Электронная техника (закрытый вариант). - 1987. - Сер. 5. - Вып. I (16).

9. Панкратов A.B., Алалыкин В.Е., Маланов В.В. Система управления пьезогенератора на функциях Уолта // Сб. Электронная техника. Сер. 7,-Вып. 5 (144) - 1987.

10. Панкратов A.B. Экономичная система управления пьезогенератора на функциях Уолша. - Горький, 1987 - 19 с. - Деп. в ЦШИ "Электроника", ВД2 - 4745.

11. Панкратов A.B. Система управления реверсивным пьезодви-гателем на функциях Уолша. - Горький, 1986 16 с. - Деп. в ЦНИИ "Электроника" 1987, II.11.86, Щ2 -4235.

12. Абраров В.Н., Панкратов A.B., Поздняков A.A. Пьезогене-ратор для электроадгезионного устройства // Сб. научн. тр.:"Автоматизация технология производства электронной техники, ШП. -Москва; 1992 - С. 20-24.

Личный уклад автора.

В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежит постановка задачи [З, 7, 9] , теоретически исследования, разработка алгоритмов и схемных решений {3, 4,,7, 9, Ii] , методический подход {4, 7, 9J , экспериментальные исследования [з, 4] .

*