Дослідження супутнього ударно-вібраційного шуму п’єзоелектричного двигуна в режимі мікро- та наношвидкостей

Ключові слова: п’єзоелектричний двигун, швидкість, вібрація, мікродіапазон, нанодіапазон

Анотація

В роботі розглянуті методи керування швидкістю п’єзоелектричних двигунів в мікро- та нанодіапазонах. На основі фізичних принципів роботи п’єзоелектричного двигуна, з врахуванням специфіки сигналів керування і зворотнього зв`язку, досліджено ударно-вібраційні ефекти лінійного п’єзоелектричного двигуна квазірезонансного типу при різних режимах керування швидкістю в діапазоні 0,1мкм/с…10мм/с. Описано конструкцію та принцип роботи п’єзоелектричного двигуна класу LPM-5 фірми DTI (який широко застосовується на практиці і має типову конструкцію для лінійних типів двигунів), а також стенд для дослідження вібрацій при роботі двигуна в різних діапазонах швидкостей. Показано, що механічна ударна деформація формується при зупинці двигуна (при знятті збудження). Це вказує на те, що ударне перевантаження при самогальмуванні двигуна вище, ніж при розгоні, тобто двигун розганяється повільніше, ніж гальмує. З метою зменшення ударно-вібраційного ефекту, вся подальша методологія керування швидкістю будувалася за принципом або повного виключення ділянок розгону і гальмування шляхом безперервного керування, або їх максимального “згладжування“ при імпульсному керуванні. Запропоновані алгоритми керування швидкістю забезпечили зменшення в 2…10 разів ударно-вібраційного ефекту порівняно з широтно-імпульсною модуляцією. Встановлено, що в мікродіапазоні швидкостей найбільш ефективним є комбіновані алгоритми, які поєднують в собі як елементи безперервного керування шляхом сканування по частотній характеристиці двигуна, так і імпульсного — шляхом внутрішньої модуляції частоти збудження. Показано, що найбільш ефективним керуванням в нанодіапазоні є частотне керування при фіксованій тривалості імпульсу керування – нанокроку двигуна. Отримані результати дозволяють забезпечити діапазон керування швидкістю (5 порядків) лінійного п’єзоелектричного двигуна з врахуванням його умов експлуатації в мікроманіпуляційній системі, а також дають можливості для використання лінійних п`єзоелектричних двигунів квазірезонансного типу в робототехнічних і маніпуляційних системах мікро- і нанодіапазону і подальшого вдосконалення з точки зору мініатюризації і підвищення точності.

Біографії авторів

С. Ф. Петренко, ТОВ "Лілея"

Петренко С. Ф., д. т. н., проф., директор

А. В. Омелян, ТОВ "Лілея"

Омелян А. В., інженер

О. М. Лисенко, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського"

Лисенко О. М., д. т. н., проф. кафедри конструювання електронно-обчислювальної апаратури

В. С. Антонюк, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського"

Антонюк В. С., д.т.н., проф. кафедри виробництва приладів

Посилання

Wang D.H., Yang Q. and Dong H.M. (2013) A Monolithic Compliant Piezoelectric-Driven Microgripper: Design, Modeling, and Testing. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 18, Iss. 1, pp. 138-147. DOI: 10.1109/tmech.2011.2163200

Amin-Shahidi D. and Trumper D.L. (2014) Design and control of a piezoelectric driven reticle assist device for prevention of reticle slip in lithography systems. Mechatronics, Vol. 24, Iss. 6, pp. 562-571. DOI: 10.1016/j.mechatronics.2014.03.001

Kongthon J. and Devasia S. (2013) Iterative Control of Piezoactuator for Evaluating Biomimetic, Cilia-Based Micromixing. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 18, Iss. 3, pp. 944-953. DOI: 10.1109/tmech.2012.2194302

Gu G., Zhu L., Su C. and Ding H. (2013) Motion Control of Piezoelectric Positioning Stages: Modeling, Controller Design, and Experimental Evaluation. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 18, Iss. 5, pp. 1459-1471. DOI: 10.1109/tmech.2012.2203315

Gu G., Zhu L., Su C., Ding H. and Fatikow S. (2016) Modeling and Control of Piezo-Actuated Nanopositioning Stages: A Survey. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, Vol. 13, Iss. 1, pp. 313-332. DOI: 10.1109/tase.2014.2352364

Alonso-delPino M., Jung-Kubiak C., Reck T., Llombart N. and Chattopadhyay G. (2019) Beam Scanning of Silicon Lens Antennas Using Integrated Piezomotors at Submillimeter Wavelengths. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, Vol. 9, Iss. 1, pp. 47-54. DOI: 10.1109/tthz.2018.2881930

Petrenko S.F. (2002) P'ezoelektricheskii dvigatel' v priborostroenii [A piezoelectric motor in instrument]. Korniichuk Publ., 96 p.

Digital International Technology. Available at: www.dtimotors.com

Lavrinenko V. V. (2015) Printsipy postroeniya p'ezoelektricheskikh motorov. Osnovy teorii i realizatsiya [The principles of construction of piezoelectric motors. Fundamentals of theory and implementation]. Lambert, 227 p.

Piezo Technologies. Available at: piezotech.com.ua

Halchenko V.Y., Filimonov S.A., Batrachenko A.V. and Filimonova N.V. (2018) Increase the Efficiency of the Linear Piezoelectric Motor. Journal of Nano- and Electronic Physics, Vol. 10, Iss. 4, pp. 04025-1. DOI: 10.21272/jnep.10(4).04025

Petrenko S., Omelyan A., Antonyuk V. and Novakovsky O.G. (2018) Piezoelectric motor control system. Bulletin of Kyiv Polytechnic Institute. Series Instrument Making, Iss. 55(1), pp. 5-10. DOI: 10.20535/1970.55(1).2018.135857

Опубліковано
2019-09-30
Як цитувати
Петренко, С. Ф., Омелян, А. В., Лисенко, О. М. і Антонюк, В. С. (2019) «Дослідження супутнього ударно-вібраційного шуму п’єзоелектричного двигуна в режимі мікро- та наношвидкостей», Вісник НТУУ "КПІ". Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування, (78), с. 67-73. doi: 10.20535/RADAP.2019.78.67-73.
Номер
Розділ
Функціональна електроніка. Мікро та наноелектронна техніка