改善效率的壓電體驅動器系統的製作方法

2023-05-23 07:11:01

專利名稱：改善效率的壓電體驅動器系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及壓電激勵器(piezoelectricactuator)的電氣驅動，特別涉及為了提高系統的運行效率而在兩個壓電元件之間的能量轉移。
壓電激勵器及其它高電容性器件都需要高的電壓驅動。應用常規的放大器來線性地驅動它們，需要一個大的電抗性電流，因而會導致大的損耗。
業已對此作出了一些改進，例如美國專利4628275的Skipper，對此類裝置提供了效率高的功率放大器。然而，被回收並為減小激勵器系統的能量需求而儲存在壓電激勵器中的電容性能量，像循環周期的充電期間那樣，在回復期間該能量也歷經同樣的損耗。
本發明利用儲存在已激勵的但即將「退激勵」的壓電激勵器中電容性能量來激勵另一個儲存的能量很小、或者沒有能量的壓電激勵器。
一個電容性激勵器中的能量經一個電感器被切換接能到另一個激勵器。切換接通的定時和能量的轉移速率均適合於那個激勵器功能上的需要。由一個電壓源向系統施加能量，以補償系統中的損耗和補償各激勵器所作的功。
本發明的一個目的是要通過從一個激勵器向另一個激勵器的直接轉移電容性能量來提高壓電激勵器系統的效率，而不是使一個激勵器放電時將能量返回到一個電源能量存儲器中。
本發明的其它目的、優點和新穎性的特點將結合附圖詳細說明本發明的下文中可明顯地得知。


圖1示出具有一個壓電激勵器的有關先有技術的電路原理圖，該激勵器將其電容性能量返回給電源。
圖2示出本發明一個實施例的電路原理圖，圖中使用儲存在一個壓電激勵器中的電容性能量來激勵另一個壓電激勵器。
圖3示出本發明的第二實施例的電路原理圖。
圖4示出本發明的電路原理圖的一部分，其內應用了一個非線性電感器。
圖5示出圖4所示電路的電壓和電流的波形圖。
圖6示出本發明的電路原理圖的一部分，其內應用了一個線性電感器。
圖7示出圖6所示電路的電壓和電流的波形圖。
諸如壓電材料之類的電可變形材料能實現電能到機械作用的轉換。這種機械作用表現為電的負載，其性質上主要是電容性的，而機械作用能對驅動電路呈現為一個小的電阻分量負載。電荷必須轉移到該電容上以產生能驅動一個機械負載以產生機械作用的運動。如果沒有機械負載，則由電荷轉移而儲存在電容上的能量在電荷移去時隨後被回收，該運動反轉。不存在機械負載時，損耗只限於電路損耗加上壓電元件的內部損耗。附圖中示出了壓電元件的等效電路，其中，壓電激勵器5和6具有一個電容以該表明壓電器件起電容的作用;一個串聯的可變電阻代表機械負載;和一個串聯的固定電阻，代表奪電器件內部損耗的最小電阻值。
壓電材料一般能把它們所接收到的電能的2%到13%轉換為有用功。因此，電驅動能量與機械作用能量之比很大;如果對驅動器中的能量轉移和回復電路不採取重要的措施來收回壓電材料中儲存的表現為電容性能量的電能，則會使系統的效率十分低。
如同所有高效率的電容充電系統一樣，充電電路裡控制開關元件的電阻性損耗和電感中的電阻性損耗必須做得最小。
圖1中示出一種典型的LC充電系統。將開關SW1移動到位置1時，電源1通過電感4向壓電激勵器5傳遞能量。充電電流的大小和所得到的充電速率受控於開關SW1從位置1到位置3的更迭，由經所加的平均電壓和平均電流決定了充電速率。
當充電到達所需要的充電電壓(或電流時間積)時，可將開關SW1移動到位置2，以保持住所充的電荷。
要釋放電荷時，可將開關SW1移至位置4，以使儲存的能量返回到電源以實現能量回收。
回復電路有許多種電路變型，所有這些電路變型都必須解決這樣的問題，即循環周期的充電部分和放電部分。轉移能量期間在電感和開關部件裡都經歷能量的損耗。
由一個電源、多個開關元件、能量傳遞電感組成的一個典型的電路系統在精心設計的情況下可使效率達到0.9至0.95。假設壓電轉移效率為0.05，則可按下式計算出系統總效率nsns＝負載能量/(損耗能量+負載能量)式中，負載能量＝EL＝0.05EC，而EC＝充電能量;
損耗能量＝E1＝(1-0.92)Ec。
由於能量損耗在充電和放電期間都會發生，故nS= (0.05EC)/([2(1-0.92)EC+0.05EC)= 0.05/(0.16+0.05)=0.24可見，對於92%效率的電路和無損耗的壓電元件，由於大的循環運行的能量要受到電路引入的損耗，其系統效率只能做到24%。
在某些壓電激勵器中，將多個壓電材料層堆疊在一起，每層由一個不同波形的電信號驅動，以使各層的機械作用的總和引起所希望的激勵器機械運動。作為一個完整的釋例，可參看洛克韋爾國際公司(RockwellInternationalCorporation)的未決中國專利申請(申請號為90106979.5，申請日為1990年8月15日)，它提出一種分段式換能器的電驅動。在本文中引用它構成本發明的一個部分，並作為參考文件。
在某些激勵器設計中，諸如1990年5月22日公布的美國專利4928030的壓電激勵器、1991年5月21日公布的美國專利5017820的壓電旋轉聯合系統和1991年11月26日公布的美國專利5068566的電牽引電動機，它們在本文中都構成本發明的一部分，並作為參考文件;多對激勵器工作於平穩的擺動(smoothwalking)運動，交替地接觸和移動物體。這些激勵器都特別適用於本發明，因為當一個激勵器在被放電時，一個相鄰的激勵器正在充電。
圖2示出由具有兩個或多個交替工作的激勵器來實現明顯的系統效率的改進，使能量從一個激勵器直接轉移到另一個激勵器。
作為例子，假設初始狀態下壓電激勵器5充滿了電荷，而壓電激勵器6電荷為零。
開關2(SW2)處於位置1，將壓電激勵器6連接至能量傳遞電感4，而開關1(SW1)由一個控制器控制在位置1和位置3之間交替切換，以所需要的速率將壓電激勵器5的能量通過能量傳遞電感4轉移至壓電激勵器6上。在這種電路結構中，能量的轉移可使電荷對壓電激勵器上的電壓進行均衡。
如果開關2(SW2)保持在位置1上，直至電流以正弦規律上升達到由以下關係
V/L / C]]>決定的峰值，並又衰減到零，所有電荷都從壓電激勵器5轉移至壓電激勵器6上。然後，開關2(SW2)可移動到位置3，以隔離開壓電激勵器6上的電荷。
在這一過程中，壓電激勵器5運行至它的休止狀態，而壓電激勵器6運行至它們的被激勵狀態。
由於能量的轉移會引入一些損耗，並由於壓電激勵器6如果進行某些作功還會發生附加的能量損耗，所以經幾次轉移後系統中的能量將耗盡至零。然而，利用控制開關SW1和SW2的位置2以從電源中取得附加的能量來補償能量損耗，便可對系統補加進附加能量。
如果由於所需的壓電激勵器的運動而不希望充電電流作正弦形轉移，另一種工作模式是開關SW1和SW2都在位置1和3之間交替地轉換，則利用能量從壓電激勵器的靜電場轉移到電感器的電磁場的運動和隨後又轉移成第二個壓電激勵器的靜電場的運動，可使能量以片段方式(piece wise)從壓電激勵器5流到壓電激勵器6。
應用相同的倒轉波形對一對壓電激勵器充電和放電的限制排除了將全部回收能量轉移給電源、爾後再轉移給另一個壓電激勵器的可能性，因而轉移損耗約減一半。系統的淨效率大約為nS= (0.05EC)/([(1-0.92)EC+0.05EC])= 0.05/((0.08+0.05)) = 0.38
該值是前一數值(0.24)的1.6倍。
應用線性和非線性感性元件組成的許多種LC能量轉移電路可以得到實施，但是，如果使用最少的中間能量存儲元件和開關來使能量在兩個壓電激勵器之間作循環轉移，則系統的效率總可以提高。
在圖3所示的實施例中，從電源1流出的電流激勵電感4，然後轉移給一個或另一個的壓電激勵器5或6，直至達到所需要的電荷(因而達到所要的充電速率)，再按照所需使能量從壓電激勵器5轉移到壓電激勵器6，並反過來轉移;偶爾地從電源的補充以彌補損耗並供給正在作功所需的能量。
上述設計中可以採用多種的電感器電路。例如圖4和圖6示出兩種都可應用。
圖4示出一種非線性電感(飽和電抗器)轉移電路的一個例子，它產生出準方波形的振蕩波形。圖中壓電激勵器5和6有相等的電容，轉移電感4是一個可飽和的電感，具有不飽和的L值(LUNSAT)和飽和的L值(LSAT)。
如圖5的波形圖所示，當開關SW1閉合以在零時刻啟動工作循環時，壓電激勵器5充電，壓電激勵器6處於零電荷狀態。電感4中的電流慢慢增長，當達到電感4的伏特·秒額定值時電流飽和。電感飽和後，電路阻抗迅速下降至一個由LSAT決定的新的值。然後，在T1到T2的期間內，有一個正弦電流從壓電激勵器5經過導線流向壓電激勵器6。當電流下降至零時，電感4不飽和。在T2到T3的期間內，壓電激勵器6充電，壓電激勵器5上沒有電荷，於是，從壓電激勵器6開始向壓電激勵器5進行低頻的電荷轉移。象振蕩頻率一樣，振蕩電流的幅度也決定於LUNSAT值。電流慢慢增加，在V·t時間內達到飽和電流值ISAT，此時，電感器4在B-H磁滯回線的另一端上飽和，並迅速地發生電荷的再轉移。轉移時間由Lsat控制，而保持時間由LUNSAT控制。當電流為零時，斷開關開SW1，可使保持時間延長下去。由可飽和電感器和開關相組合來使保持時間受控，與應用固定的電感和開關相比，它在開關上形成的感應電勢(stress)較小;這是因為，在開關閉合後，大的LUNSAT值減小了di/dt，並在電流增長到大的值之前可有足夠的時間來完成開關的閉合。如圖7中所示，圖6中的固定電感電路在電荷轉移脈衝之間不存在電流的慢變化情況(它表示較長的時間常數t =LU N S A T· CP Z]]>)。
應用多個開關、線性電感器或非線性電感器的多種其它組合來產生各式充電電流波形，以形成希望的壓電激勵器運行;而若壓電器件間工作於互補運行狀態，則儲存在系統每半部分中的能量可轉移給系統的另一半，而不需返回至電源，這樣，轉移損耗能減至最小，可達到較高的系統效率。
用以操縱開關的控制器可以在壓電元件和電感器上設置傳感器，以告訴控制器壓電元件或電感器處於什麼的狀態以及提供壓電激勵器位置的信息。
很顯然，可按照上文的解說，可以對本發明作出各種修改和變型。因此，應理解到，在所附的權利要求書的範圍內，可以用不同於具體所述的電路來實踐本發明。
權利要求
1.一種用以在壓電元件間轉移電荷的驅動器系統，其特徵在於包括一個第一個壓電元件；一個第二個壓電元件；一個電感器，連接在上述第一和第二壓電元件之間；一個連接線，位於第一和第二壓電元件之間用以接通一個電路；一個開關，用以斷開和閉合上述電路；一個控制裝置，用以控制上述開關的位置。
2.根據權利要求1所述的驅動器系統，其特徵在於，所述的電感器是一個可飽和電感器，用以傳遞非線性的波形。
3.根據權利要求1或2所述的驅動器系統，其特徵在於包括一個用以把電源的能量補加給該系統的裝置。
4.根據權利要求2所述的驅動器系統，其特徵在於，包括一個把電源的能量補加給該系統的裝置。
5.一種用以在兩個壓電元件之間轉移電荷的驅動器系統，其特徵在於包括一個第一個壓電元件;一個第二個壓電元件;一個第一個開關和一個第二個開關;一個電感器，連接在第一和第二壓電元件之間，其中，上述第一開關位於上述第一壓電元件與上述電感器之間，上述第二開關位於上述電感器與上述第二壓電元件之間;一個電源，具有一個與第一壓電元件和第二壓電元件連接共用的接地端，上述開關可選擇上述電感器是否與電源、壓電元件或公共接地端相連接;一個控制裝置，用以控制兩個開關的切換位置，以在上述壓電元件之間轉移能量和從電源補加能量。
6.根據權利要求5所述的驅動器系統，其特徵在於，所述的電感器是一個可飽和電感器，用以傳遞非線性的波形。
7.一種用以在兩個壓電元件之間轉移電荷的驅動器系統，其特徵在於包括一個第一個壓電元件;一個第二個壓電元件;一個電源;一個開關，一個電感器，具有一個與上述第一、第二壓電元件和電源相連接共用的接地端;藉此，上述開關可交替地將上述電感器與上述第一個壓電元件、上述第二個壓電元件或上述電源相連接;一個控制裝置，用以控制該開關切換位置，以在上述壓電元件之間轉移能量和從上述電源補加能量。
8.根據權利要求7所述的驅動器系統，其特徵在於，所述的電感器是一個可飽和電感器，用以傳遞非線性的波形。
全文摘要
本發明利用一個中間的電感器(4)將能量從一個元件(5)轉移到另一個元件(6)來驅動一個壓電元件。可從一個電源(1)得到附加的能量用以補償內部損耗，並提供給壓電元件實現作功。根據需要，由開關進行切換來轉移能量，而開關的切換由一個控制器操縱，以適當的定時，以在壓電元件之間轉移能量和從電源補加能量。
文檔編號H02N2/00GK1083972SQ9310422
公開日1994年3月16日 申請日期1993年4月12日 優先權日1992年4月13日
發明者詹姆斯·羅伯特·霍爾 申請人:洛克威爾國際有限公司