專利名稱：改善效率的壓電體驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電激勵(lì)器(piezoelectricactuator)的電氣驅(qū)動(dòng)，特別涉及為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率而在兩個(gè)壓電元件之間的能量轉(zhuǎn)移。
壓電激勵(lì)器及其它高電容性器件都需要高的電壓驅(qū)動(dòng)。應(yīng)用常規(guī)的放大器來(lái)線性地驅(qū)動(dòng)它們，需要一個(gè)大的電抗性電流，因而會(huì)導(dǎo)致大的損耗。
業(yè)已對(duì)此作出了一些改進(jìn)，例如美國(guó)專利4628275的Skipper，對(duì)此類裝置提供了效率高的功率放大器。然而，被回收并為減小激勵(lì)器系統(tǒng)的能量需求而儲(chǔ)存在壓電激勵(lì)器中的電容性能量，像循環(huán)周期的充電期間那樣，在回復(fù)期間該能量也歷經(jīng)同樣的損耗。
本發(fā)明利用儲(chǔ)存在已激勵(lì)的但即將“退激勵(lì)”的壓電激勵(lì)器中電容性能量來(lái)激勵(lì)另一個(gè)儲(chǔ)存的能量很小、或者沒(méi)有能量的壓電激勵(lì)器。
一個(gè)電容性激勵(lì)器中的能量經(jīng)一個(gè)電感器被切換接能到另一個(gè)激勵(lì)器。切換接通的定時(shí)和能量的轉(zhuǎn)移速率均適合于那個(gè)激勵(lì)器功能上的需要。由一個(gè)電壓源向系統(tǒng)施加能量，以補(bǔ)償系統(tǒng)中的損耗和補(bǔ)償各激勵(lì)器所作的功。
本發(fā)明的一個(gè)目的是要通過(guò)從一個(gè)激勵(lì)器向另一個(gè)激勵(lì)器的直接轉(zhuǎn)移電容性能量來(lái)提高壓電激勵(lì)器系統(tǒng)的效率，而不是使一個(gè)激勵(lì)器放電時(shí)將能量返回到一個(gè)電源能量存儲(chǔ)器中。
本發(fā)明的其它目的、優(yōu)點(diǎn)和新穎性的特點(diǎn)將結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的下文中可明顯地得知。


圖1示出具有一個(gè)壓電激勵(lì)器的有關(guān)先有技術(shù)的電路原理圖，該激勵(lì)器將其電容性能量返回給電源。
圖2示出本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的電路原理圖，圖中使用儲(chǔ)存在一個(gè)壓電激勵(lì)器中的電容性能量來(lái)激勵(lì)另一個(gè)壓電激勵(lì)器。
圖3示出本發(fā)明的第二實(shí)施例的電路原理圖。
圖4示出本發(fā)明的電路原理圖的一部分，其內(nèi)應(yīng)用了一個(gè)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(fā)明的電路原理圖的一部分，其內(nèi)應(yīng)用了一個(gè)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(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械作用的轉(zhuǎn)換。這種機(jī)械作用表現(xiàn)為電的負(fù)載，其性質(zhì)上主要是電容性的，而機(jī)械作用能對(duì)驅(qū)動(dòng)電路呈現(xiàn)為一個(gè)小的電阻分量負(fù)載。電荷必須轉(zhuǎn)移到該電容上以產(chǎn)生能驅(qū)動(dòng)一個(gè)機(jī)械負(fù)載以產(chǎn)生機(jī)械作用的運(yùn)動(dòng)。如果沒(méi)有機(jī)械負(fù)載，則由電荷轉(zhuǎn)移而儲(chǔ)存在電容上的能量在電荷移去時(shí)隨后被回收，該運(yùn)動(dòng)反轉(zhuǎn)。不存在機(jī)械負(fù)載時(shí)，損耗只限于電路損耗加上壓電元件的內(nèi)部損耗。附圖中示出了壓電元件的等效電路，其中，壓電激勵(lì)器5和6具有一個(gè)電容以該表明壓電器件起電容的作用;一個(gè)串聯(lián)的可變電阻代表機(jī)械負(fù)載;和一個(gè)串聯(lián)的固定電阻，代表奪電器件內(nèi)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(zhuǎn)換為有用功。因此，電驅(qū)動(dòng)能量與機(jī)械作用能量之比很大;如果對(duì)驅(qū)動(dòng)器中的能量轉(zhuǎn)移和回復(fù)電路不采取重要的措施來(lái)收回壓電材料中儲(chǔ)存的表現(xiàn)為電容性能量的電能，則會(huì)使系統(tǒng)的效率十分低。
如同所有高效率的電容充電系統(tǒng)一樣，充電電路里控制開(kāi)關(guān)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(tǒng)。將開(kāi)關(guān)SW1移動(dòng)到位置1時(shí)，電源1通過(guò)電感4向壓電激勵(lì)器5傳遞能量。充電電流的大小和所得到的充電速率受控于開(kāi)關(guān)SW1從位置1到位置3的更迭，由經(jīng)所加的平均電壓和平均電流決定了充電速率。
當(dāng)充電到達(dá)所需要的充電電壓(或電流時(shí)間積)時(shí)，可將開(kāi)關(guān)SW1移動(dòng)到位置2，以保持住所充的電荷。
要釋放電荷時(shí)，可將開(kāi)關(guān)SW1移至位置4，以使儲(chǔ)存的能量返回到電源以實(shí)現(xiàn)能量回收。
回復(fù)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(wèn)題，即循環(huán)周期的充電部分和放電部分。轉(zhuǎn)移能量期間在電感和開(kāi)關(guān)部件里都經(jīng)歷能量的損耗。
由一個(gè)電源、多個(gè)開(kāi)關(guān)元件、能量傳遞電感組成的一個(gè)典型的電路系統(tǒng)在精心設(shè)計(jì)的情況下可使效率達(dá)到0.9至0.95。假設(shè)壓電轉(zhuǎn)移效率為0.05，則可按下式計(jì)算出系統(tǒng)總效率nsns＝負(fù)載能量/(損耗能量+負(fù)載能量)式中，負(fù)載能量＝EL＝0.05EC，而EC＝充電能量;
損耗能量＝E1＝(1-0.92)Ec。
由于能量損耗在充電和放電期間都會(huì)發(fā)生，故nS= (0.05EC)/([2(1-0.92)EC+0.05EC)= 0.05/(0.16+0.05)=0.24可見(jiàn)，對(duì)于92%效率的電路和無(wú)損耗的壓電元件，由于大的循環(huán)運(yùn)行的能量要受到電路引入的損耗，其系統(tǒng)效率只能做到24%。
在某些壓電激勵(lì)器中，將多個(gè)壓電材料層堆疊在一起，每層由一個(gè)不同波形的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)，以使各層的機(jī)械作用的總和引起所希望的激勵(lì)器機(jī)械運(yùn)動(dòng)。作為一個(gè)完整的釋例，可參看洛克韋爾國(guó)際公司(RockwellInternationalCorporation)的未決中國(guó)專利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)枮?0106979.5，申請(qǐng)日為1990年8月15日)，它提出一種分段式換能器的電驅(qū)動(dòng)。在本文中引用它構(gòu)成本發(fā)明的一個(gè)部分，并作為參考文件。
在某些激勵(lì)器設(shè)計(jì)中，諸如1990年5月22日公布的美國(guó)專利4928030的壓電激勵(lì)器、1991年5月21日公布的美國(guó)專利5017820的壓電旋轉(zhuǎn)聯(lián)合系統(tǒng)和1991年11月26日公布的美國(guó)專利5068566的電牽引電動(dòng)機(jī)，它們?cè)诒疚闹卸紭?gòu)成本發(fā)明的一部分，并作為參考文件;多對(duì)激勵(lì)器工作于平穩(wěn)的擺動(dòng)(smoothwalking)運(yùn)動(dòng)，交替地接觸和移動(dòng)物體。這些激勵(lì)器都特別適用于本發(fā)明，因?yàn)楫?dāng)一個(gè)激勵(lì)器在被放電時(shí)，一個(gè)相鄰的激勵(lì)器正在充電。
圖2示出由具有兩個(gè)或多個(gè)交替工作的激勵(lì)器來(lái)實(shí)現(xiàn)明顯的系統(tǒng)效率的改進(jìn)，使能量從一個(gè)激勵(lì)器直接轉(zhuǎn)移到另一個(gè)激勵(lì)器。
作為例子，假設(shè)初始狀態(tài)下壓電激勵(lì)器5充滿了電荷，而壓電激勵(lì)器6電荷為零。
開(kāi)關(guān)2(SW2)處于位置1，將壓電激勵(lì)器6連接至能量傳遞電感4，而開(kāi)關(guān)1(SW1)由一個(gè)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(lì)器5的能量通過(guò)能量傳遞電感4轉(zhuǎn)移至壓電激勵(lì)器6上。在這種電路結(jié)構(gòu)中，能量的轉(zhuǎn)移可使電荷對(duì)壓電激勵(lì)器上的電壓進(jìn)行均衡。
如果開(kāi)關(guān)2(SW2)保持在位置1上，直至電流以正弦規(guī)律上升達(dá)到由以下關(guān)系
V/L / C]]>決定的峰值，并又衰減到零，所有電荷都從壓電激勵(lì)器5轉(zhuǎn)移至壓電激勵(lì)器6上。然后，開(kāi)關(guān)2(SW2)可移動(dòng)到位置3，以隔離開(kāi)壓電激勵(lì)器6上的電荷。
在這一過(guò)程中，壓電激勵(lì)器5運(yùn)行至它的休止?fàn)顟B(tài)，而壓電激勵(lì)器6運(yùn)行至它們的被激勵(lì)狀態(tài)。
由于能量的轉(zhuǎn)移會(huì)引入一些損耗，并由于壓電激勵(lì)器6如果進(jìn)行某些作功還會(huì)發(fā)生附加的能量損耗，所以經(jīng)幾次轉(zhuǎn)移后系統(tǒng)中的能量將耗盡至零。然而，利用控制開(kāi)關(guān)SW1和SW2的位置2以從電源中取得附加的能量來(lái)補(bǔ)償能量損耗，便可對(duì)系統(tǒng)補(bǔ)加進(jìn)附加能量。
如果由于所需的壓電激勵(lì)器的運(yùn)動(dòng)而不希望充電電流作正弦形轉(zhuǎn)移，另一種工作模式是開(kāi)關(guān)SW1和SW2都在位置1和3之間交替地轉(zhuǎn)換，則利用能量從壓電激勵(lì)器的靜電場(chǎng)轉(zhuǎn)移到電感器的電磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)和隨后又轉(zhuǎn)移成第二個(gè)壓電激勵(lì)器的靜電場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)，可使能量以片段方式(piece wise)從壓電激勵(lì)器5流到壓電激勵(lì)器6。
應(yīng)用相同的倒轉(zhuǎn)波形對(duì)一對(duì)壓電激勵(lì)器充電和放電的限制排除了將全部回收能量轉(zhuǎn)移給電源、爾后再轉(zhuǎn)移給另一個(gè)壓電激勵(lì)器的可能性，因而轉(zhuǎn)移損耗約減一半。系統(tǒng)的凈效率大約為nS= (0.05EC)/([(1-0.92)EC+0.05EC])= 0.05/((0.08+0.05)) = 0.38
該值是前一數(shù)值(0.24)的1.6倍。
應(yīng)用線性和非線性感性元件組成的許多種LC能量轉(zhuǎn)移電路可以得到實(shí)施，但是，如果使用最少的中間能量存儲(chǔ)元件和開(kāi)關(guān)來(lái)使能量在兩個(gè)壓電激勵(lì)器之間作循環(huán)轉(zhuǎn)移，則系統(tǒng)的效率總可以提高。
在圖3所示的實(shí)施例中，從電源1流出的電流激勵(lì)電感4，然后轉(zhuǎn)移給一個(gè)或另一個(gè)的壓電激勵(lì)器5或6，直至達(dá)到所需要的電荷(因而達(dá)到所要的充電速率)，再按照所需使能量從壓電激勵(lì)器5轉(zhuǎn)移到壓電激勵(lì)器6，并反過(guò)來(lái)轉(zhuǎn)移;偶爾地從電源的補(bǔ)充以彌補(bǔ)損耗并供給正在作功所需的能量。
上述設(shè)計(jì)中可以采用多種的電感器電路。例如圖4和圖6示出兩種都可應(yīng)用。
圖4示出一種非線性電感(飽和電抗器)轉(zhuǎn)移電路的一個(gè)例子，它產(chǎn)生出準(zhǔn)方波形的振蕩波形。圖中壓電激勵(lì)器5和6有相等的電容，轉(zhuǎn)移電感4是一個(gè)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(dāng)開(kāi)關(guān)SW1閉合以在零時(shí)刻啟動(dòng)工作循環(huán)時(shí)，壓電激勵(lì)器5充電，壓電激勵(lì)器6處于零電荷狀態(tài)。電感4中的電流慢慢增長(zhǎng)，當(dāng)達(dá)到電感4的伏特·秒額定值時(shí)電流飽和。電感飽和后，電路阻抗迅速下降至一個(gè)由LSAT決定的新的值。然后，在T1到T2的期間內(nèi)，有一個(gè)正弦電流從壓電激勵(lì)器5經(jīng)過(guò)導(dǎo)線流向壓電激勵(lì)器6。當(dāng)電流下降至零時(shí)，電感4不飽和。在T2到T3的期間內(nèi)，壓電激勵(lì)器6充電，壓電激勵(lì)器5上沒(méi)有電荷，于是，從壓電激勵(lì)器6開(kāi)始向壓電激勵(lì)器5進(jìn)行低頻的電荷轉(zhuǎn)移。象振蕩頻率一樣，振蕩電流的幅度也決定于LUNSAT值。電流慢慢增加，在V·t時(shí)間內(nèi)達(dá)到飽和電流值ISAT，此時(shí)，電感器4在B-H磁滯回線的另一端上飽和，并迅速地發(fā)生電荷的再轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移時(shí)間由Lsat控制，而保持時(shí)間由LUNSAT控制。當(dāng)電流為零時(shí)，斷開(kāi)關(guān)開(kāi)SW1，可使保持時(shí)間延長(zhǎng)下去。由可飽和電感器和開(kāi)關(guān)相組合來(lái)使保持時(shí)間受控，與應(yīng)用固定的電感和開(kāi)關(guān)相比，它在開(kāi)關(guān)上形成的感應(yīng)電勢(shì)(stress)較小;這是因?yàn)?，在開(kāi)關(guān)閉合后，大的LUNSAT值減小了di/dt，并在電流增長(zhǎng)到大的值之前可有足夠的時(shí)間來(lái)完成開(kāi)關(guān)的閉合。如圖7中所示，圖6中的固定電感電路在電荷轉(zhuǎn)移脈沖之間不存在電流的慢變化情況(它表示較長(zhǎng)的時(shí)間常數(shù)t =LU N S A T· CP Z]]>)。
應(yīng)用多個(gè)開(kāi)關(guān)、線性電感器或非線性電感器的多種其它組合來(lái)產(chǎn)生各式充電電流波形，以形成希望的壓電激勵(lì)器運(yùn)行;而若壓電器件間工作于互補(bǔ)運(yùn)行狀態(tài)，則儲(chǔ)存在系統(tǒng)每半部分中的能量可轉(zhuǎn)移給系統(tǒng)的另一半，而不需返回至電源，這樣，轉(zhuǎn)移損耗能減至最小，可達(dá)到較高的系統(tǒng)效率。
用以操縱開(kāi)關(guān)的控制器可以在壓電元件和電感器上設(shè)置傳感器，以告訴控制器壓電元件或電感器處于什么的狀態(tài)以及提供壓電激勵(lì)器位置的信息。
很顯然，可按照上文的解說(shuō)，可以對(duì)本發(fā)明作出各種修改和變型。因此，應(yīng)理解到，在所附的權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)，可以用不同于具體所述的電路來(lái)實(shí)踐本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種用以在壓電元件間轉(zhuǎn)移電荷的驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)，其特征在于包括一個(gè)第一個(gè)壓電元件；一個(gè)第二個(gè)壓電元件；一個(gè)電感器，連接在上述第一和第二壓電元件之間；一個(gè)連接線，位于第一和第二壓電元件之間用以接通一個(gè)電路；一個(gè)開(kāi)關(guān)，用以斷開(kāi)和閉合上述電路；一個(gè)控制裝置，用以控制上述開(kāi)關(guān)的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)，其特征在于，所述的電感器是一個(gè)可飽和電感器，用以傳遞非線性的波形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)，其特征在于包括一個(gè)用以把電源的能量補(bǔ)加給該系統(tǒng)的裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)，其特征在于，包括一個(gè)把電源的能量補(bǔ)加給該系統(tǒng)的裝置。
5.一種用以在兩個(gè)壓電元件之間轉(zhuǎn)移電荷的驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)，其特征在于包括一個(gè)第一個(gè)壓電元件;一個(gè)第二個(gè)壓電元件;一個(gè)第一個(gè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)第二個(gè)開(kāi)關(guān);一個(gè)電感器，連接在第一和第二壓電元件之間，其中，上述第一開(kāi)關(guān)位于上述第一壓電元件與上述電感器之間，上述第二開(kāi)關(guān)位于上述電感器與上述第二壓電元件之間;一個(gè)電源，具有一個(gè)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(kāi)關(guān)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(gè)控制裝置，用以控制兩個(gè)開(kāi)關(guān)的切換位置，以在上述壓電元件之間轉(zhuǎn)移能量和從電源補(bǔ)加能量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)，其特征在于，所述的電感器是一個(gè)可飽和電感器，用以傳遞非線性的波形。
7.一種用以在兩個(gè)壓電元件之間轉(zhuǎn)移電荷的驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)，其特征在于包括一個(gè)第一個(gè)壓電元件;一個(gè)第二個(gè)壓電元件;一個(gè)電源;一個(gè)開(kāi)關(guān)，一個(gè)電感器，具有一個(gè)與上述第一、第二壓電元件和電源相連接共用的接地端;借此，上述開(kāi)關(guān)可交替地將上述電感器與上述第一個(gè)壓電元件、上述第二個(gè)壓電元件或上述電源相連接;一個(gè)控制裝置，用以控制該開(kāi)關(guān)切換位置，以在上述壓電元件之間轉(zhuǎn)移能量和從上述電源補(bǔ)加能量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)，其特征在于，所述的電感器是一個(gè)可飽和電感器，用以傳遞非線性的波形。
全文摘要
本發(fā)明利用一個(gè)中間的電感器(4)將能量從一個(gè)元件(5)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)元件(6)來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)壓電元件?？蓮囊粋€(gè)電源(1)得到附加的能量用以補(bǔ)償內(nèi)部損耗，并提供給壓電元件實(shí)現(xiàn)作功。根據(jù)需要，由開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換來(lái)轉(zhuǎn)移能量，而開(kāi)關(guān)的切換由一個(gè)控制器操縱，以適當(dāng)?shù)亩〞r(shí)，以在壓電元件之間轉(zhuǎn)移能量和從電源補(bǔ)加能量。
文檔編號(hào)H02N2/00GK1083972SQ9310422
公開(kāi)日1994年3月16日 申請(qǐng)日期1993年4月12日 優(yōu)先權(quán)日1992年4月13日
發(fā)明者詹姆斯·羅伯特·霍爾 申請(qǐng)人:洛克威爾國(guó)際有限公司