改善效率的压电体驱动器系统技术方案

本发明专利技术利用一个中间的电感器（４）将能量从一个元件（５）转移到另一个元件（６）来驱动一个压电元件。可从一个电源（１）得到附加的能量用以补偿内部损耗，并提供给压电元件实现作功。根据需要，由开关进行切换来转移能量，而开关的切换由一个控制器操纵，以适当的定时，以在压电元件之间转移能量和从电源补加能量。（*该技术在2013年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及压电激励器(piezoelectricactuator)的电气驱动，特别涉及为了提高系统的运行效率而在两个压电元件之间的能量转移。压电激励器及其它高电容性器件都需要高的电压驱动。应用常规的放大器来线性地驱动它们，需要一个大的电抗性电流，因而会导致大的损耗。业已对此作出了一些改进，例如美国专利4628275的Skipper，对此类装置提供了效率高的功率放大器。然而，被回收并为减小激励器系统的能量需求而储存在压电激励器中的电容性能量，像循环周期的充电期间那样，在回复期间该能量也历经同样的损耗。本专利技术利用储存在已激励的但即将“退激励”的压电激励器中电容性能量来激励另一个储存的能量很小、或者没有能量的压电激励器。一个电容性激励器中的能量经一个电感器被切换接能到另一个激励器。切换接通的定时和能量的转移速率均适合于那个激励器功能上的需要。由一个电压源向系统施加能量，以补偿系统中的损耗和补偿各激励器所作的功。本专利技术的一个目的是要通过从一个激励器向另一个激励器的直接转移电容性能量来提高压电激励器系统的效率，而不是使一个激励器放电时将能量返回到一个电源能量存储器中。本专利技术的其它目的、优点和新颖性的特点将结合附图详细说明本专利技术的下文中可明显地得知。附图说明图1示出具有一个压电激励器的有关先有技术的电路原理图，该激励器将其电容性能量返回给电源。图2示出本专利技术一个实施例的电路原理图，图中使用储存在一个压电激励器中的电容性能量来激励另一个压电激励器。图3示出本专利技术的第二实施例的电路原理图。图4示出本专利技术的电路原理图的一部分，其内应用了一个非线性电感器。图5示出图4所示电路的电压和电流的波形图。图6示出本专利技术的电路原理图的一部分，其内应用了一个线性电感器。图7示出图6所示电路的电压和电流的波形图。诸如压电材料之类的电可变形材料能实现电能到机械作用的转换。这种机械作用表现为电的负载，其性质上主要是电容性的，而机械作用能对驱动电路呈现为一个小的电阻分量负载。电荷必须转移到该电容上以产生能驱动一个机械负载以产生机械作用的运动。如果没有机械负载，则由电荷转移而储存在电容上的能量在电荷移去时随后被回收，该运动反转。不存在机械负载时，损耗只限于电路损耗加上压电元件的内部损耗。附图中示出了压电元件的等效电路，其中，压电激励器5和6具有一个电容以该表明压电器件起电容的作用;一个串联的可变电阻代表机械负载;和一个串联的固定电阻，代表夺电器件内部损耗的最小电阻值。压电材料一般能把它们所接收到的电能的2%到13%转换为有用功。因此，电驱动能量与机械作用能量之比很大;如果对驱动器中的能量转移和回复电路不采取重要的措施来收回压电材料中储存的表现为电容性能量的电能，则会使系统的效率十分低。如同所有高效率的电容充电系统一样，充电电路里控制开关元件的电阻性损耗和电感中的电阻性损耗必须做得最小。图1中示出一种典型的LC充电系统。将开关SW1移动到位置1时，电源1通过电感4向压电激励器5传递能量。充电电流的大小和所得到的充电速率受控于开关SW1从位置1到位置3的更迭，由经所加的平均电压和平均电流决定了充电速率。当充电到达所需要的充电电压(或电流时间积)时，可将开关SW1移动到位置2，以保持住所充的电荷。要释放电荷时，可将开关SW1移至位置4，以使储存的能量返回到电源以实现能量回收。回复电路有许多种电路变型，所有这些电路变型都必须解决这样的问题，即循环周期的充电部分和放电部分。转移能量期间在电感和开关部件里都经历能量的损耗。由一个电源、多个开关元件、能量传递电感组成的一个典型的电路系统在精心设计的情况下可使效率达到0.9至0.95。假设压电转移效率为0.05，则可按下式计算出系统总效率nsns＝负载能量/(损耗能量+负载能量)式中，负载能量＝EL＝0.05EC，而EC＝充电能量;损耗能量＝E1＝(1-0.92)Ec。由于能量损耗在充电和放电期间都会发生，故nS= (0.05EC)/([2(1-0.92)EC+0.05EC)= 0.05/(0.16+0.05)=0.24可见，对于92%效率的电路和无损耗的压电元件，由于大的循环运行的能量要受到电路引入的损耗，其系统效率只能做到24%。在某些压电激励器中，将多个压电材料层堆叠在一起，每层由一个不同波形的电信号驱动，以使各层的机械作用的总和引起所希望的激励器机械运动。作为一个完整的释例，可参看洛克韦尔国际公司(RockwellInternationalCorporation)的未决中国专利申请(申请号为90106979.5，申请日为1990年8月15日)，它提出一种分段式换能器的电驱动。在本文中引用它构成本专利技术的一个部分，并作为参考文件。在某些激励器设计中，诸如1990年5月22日公布的美国专利4928030的压电激励器、1991年5月21日公布的美国专利5017820的压电旋转联合系统和1991年11月26日公布的美国专利5068566的电牵引电动机，它们在本文中都构成本专利技术的一部分，并作为参考文件;多对激励器工作于平稳的摆动(smoothwalking)运动，交替地接触和移动物体。这些激励器都特别适用于本专利技术，因为当一个激励器在被放电时，一个相邻的激励器正在充电。图2示出由具有两个或多个交替工作的激励器来实现明显的系统效率的改进，使能量从一个激励器直接转移到另一个激励器。作为例子，假设初始状态下压电激励器5充满了电荷，而压电激励器6电荷为零。开关2(SW2)处于位置1，将压电激励器6连接至能量传递电感4，而开关1(SW1)由一个控制器控制在位置1和位置3之间交替切换，以所需要的速率将压电激励器5的能量通过能量传递电感4转移至压电激励器6上。在这种电路结构中，能量的转移可使电荷对压电激励器上的电压进行均衡。如果开关2(SW2)保持在位置1上，直至电流以正弦规律上升达到由以下关系V/L / C]]>决定的峰值，并又衰减到零，所有电荷都从压电激励器5转移至压电激励器6上。然后，开关2(SW2)可移动到位置3，以隔离开压电激励器6上的电荷。在这一过程中，压电激励器5运行至它的休止状态，而压电激励器6运行至它们的被激励状态。由于能量的转移会引入一些损耗，并由于压电激励器6如果进行某些作功还会发生附加的能量损耗，所以经几次转移后系统中的能量将耗尽至零。然而，利用控制开关SW1和SW2的位置2以从电源中取得附加的能量来补偿能量损耗，便可对系统补加进附加能量。如果由于所需的压电激励器的运动而不希望充电电流作正弦形转移，另一种工作模式是开关SW1和SW2都在位置1和3之间交替地转换，则利用能量从压电激励器的静电场转移到电感器的电磁场的运动和随后又转移成第二个压电激励器的静电场的运动，可使能量以片段方式(piece wise)从压电激励器5流到压电激励器6。应用相同的倒转波形对一对压电激励器充电和放电的限制排除了将全部回收能量转移给电源、尔后再转移给另一个压电激励器的可能性，因而转移损耗约减一半。系统的净效率大约为nS= (0.05EC)/([(1-0.92)EC+0.05EC])= 0.05/((0.08+0.05)) = 0.38该值是前一数值(0.24)的1.6倍。应用线性和非线性感性元件组成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用以在压电元件间转移电荷的驱动器系统，其特征在于包括：一个第一个压电元件；一个第二个压电元件；一个电感器，连接在上述第一和第二压电元件之间；一个连接线，位于第一和第二压电元件之间用以接通一个电路；一个开关，用以断开和闭合上述电路；一个控制装置，用以控制上述开关的位置。

【技术特征摘要】
US 1992-4-13 07/867,5591.一种用以在压电元件间转移电荷的驱动器系统，其特征在于包括一个第一个压电元件；一个第二个压电元件；一个电感器，连接在上述第一和第二压电元件之间；一个连接线，位于第一和第二压电元件之间用以接通一个电路；一个开关，用以断开和闭合上述电路；一个控制装置，用以控制上述开关的位置。2.根据权利要求1所述的驱动器系统，其特征在于，所述的电感器是一个可饱和电感器，用以传递非线性的波形。3.根据权利要求1或2所述的驱动器系统，其特征在于包括一个用以把电源的能量补加给该系统的装置。4.根据权利要求2所述的驱动器系统，其特征在于，包括一个把电源的能量补加给该系统的装置。5.一种用以在两个压电元件之间转移电荷的驱动器系统，其特征在于包括一个第一个压电元件;一个第二个压电元件;一个第一个开关和一个第二个开关;一个电感器，连接在第一和第二压电元件之间，其中，上述第一开关位于上述第一压电元...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯罗伯特霍尔，
申请(专利权)人：洛克威尔国际有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]