Пьезоэлектрические приводы являются превосходными, быстрыми и точными средствами для создания и контроля движений микро-, нано- и даже атомного масштаба на миллисекундных и более коротких временных интервалах. К сожалению, они также являются превосходными высокодобротными резонаторами. На Рисунке 1 показано, чего можно ожидать, если вы торопитесь переместить пьезоэлемент и просто подаете на него единичный скачок. Результат: огромный (почти 100-поцентный) выброс с продолжительным последующим звоном.
 |
|
| Рисунок 1. | Типичная реакция пьезопривода на прямоугольный управляющий импульс: звон и почти 100-процентный выброс. |
Не волнуйтесь. Все получится. В конце концов. Но не задерживайте дыхание. Очевидно, что необходимо что-то сделать для изменения формы управляющего сигнала, если нас вообще интересуют скорость и время установления. Существует множество возможностей, но на Рисунке 2 показан удивительно простой, но эффективный прием, который фактически основан на использовании естественного двукратного выброса пьезоэлектрического привода: алгоритм управления Половина и Половина.
 |
|
| Рисунок 2. | Алгоритм «Половина и Половина» с половинной амплитудой ступени и половиной периода резонансных колебаний уничтожает выбросы и звон. |
Удивительно простой трюк заключается в том, чтобы разделить ступеньку возбуждения привода на начальную с половиной желаемой амплитуды движения и длительностью ровно в половину периода резонансных колебаний пьезоэлемента. Отсюда и название принципа управления: «Половина и Половина» (Half & Half, H&H). А затем за половинной ступенькой подать полную амплитуду для удержания привода в новом положении.
В основе физики H&H лежит предположение, что кинетическая энергия, сообщаемая массе привода в течение первой четверти цикла, достаточна для преодоления упругости привода во второй четверти, что обеспечивает плавную остановку привода в конце половины цикла. Затем управляющее напряжение повышается до полного значения, удерживая привод в неподвижном состоянии в конечном положении.
На Рисунке 3 показано, как H&H будет работать для последовательности произвольных перемещений пьезопривода.
 |
|
| Рисунок 3. | Пример реализации алгоритма H&H для трех произвольных перемещений пьезопривода: (T2 – T1) = (T4 – T3) = (T6 – T5) = ½ периода резонансных колебаний. |
При программной реализации алгоритм H&H был бы предельно прост и выглядел бы примерно так:
Пусть DAC – текущее содержимое выходного регистра ЦАП;
N – новое содержимое ЦАП, необходимое для создания желаемого перемещения пьезопривода;
Шаг 1: заменить DAC = (DAC + N)/2;
Шаг 2: ждать пол полупериода резонансных колебаний пьезоэлемента;
Шаг 3: заменить DAC = N;
Готово.
Если реализовать H&H в виде аналоговой схемы, она могла бы выглядеть как на Рисунке 4. Вот как это работает.
 |
|
| Рисунок 4. | Аналоговая реализация алгоритма H&H. |
Делитель напряжения C1, R1, C2, R2||R3 выполняет функцию деления амплитуды пополам в соответствии с алгоритмом H&H, в то время как двуполярные компараторы U2 обнаруживают передние фронты каждого перепада напряжения. Обнаружение перепада запускает ждущий мультивибратор U3a, который с помощью потенциометра ПОДСТРОЙКА настраивается так, чтобы иметь тайм-аут, равный половине периода резонансных колебаний, что дает нам другую «половину».
По окончании тайм-аута выходной импульс U3a запускает мультивибратор U3b, который включает коммутатор U1, выдавая полную амплитуду перепада и завершая перемещение. Используется более старая КМОП микросхема 4066 с металлическим затвором из-за ее превосходных характеристик закрытого канала с низким током утечки, в то время как параллельное соединение всех четырех ее внутренних ключей обеспечивает достаточно низкое сопротивление в замкнутом состоянии.
U4 – это всего лишь место для подходящего усилителя пьезопривода, преобразующего уровни 5-вольтовой логики схемы H&H в напряжение и мощность драйвера пьезопривода.
