CN100546165C

CN100546165C - 双振动模态驱动的压电陶瓷超声波电机小波差动控制方法

Info

Publication number: CN100546165C
Application number: CNB2006100404763A
Authority: CN
Inventors: 徐从裕; 余晓芬; 范伟
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2006-05-17
Filing date: 2006-05-17
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2026-05-17
Also published as: CN1848654A

Abstract

双振动模态驱动的压电陶瓷超声波电机小波差动控制方法，其特征是提供39.6KHz频率的由N个周期组成的小波电压，至少有一个周期的波形峰值大于死区电压值，以小波电压为一个驱动元，改变小波电压输出速率以控制滑块的运动速度；将小波电压分两路以差动方式同时加到压电陶瓷超声波电机两组电极上，控制两组电极上的电压差值以控制一阶弯曲振动模态的幅度，从而改变驱动头的椭圆形运动轨迹。本发明方法应用于工作台的纳米级定位驱动控制，可任意降低滑块的运动速度，并能提高滑块的单步定位精度。

Description

双振动模态驱动的压电陶瓷超声波电机小波差动控制方法

技术领域：

本发明涉及双振动模态驱动的压电陶瓷超声波电机变速驱动控制方法，尤其是要求纳米级定位精度的驱动控制方法。

背景技术：

双振动模态驱动的压电陶瓷超声波电机是近年来发展起来的新型电机，其快速、高效、控制灵活、结构简单的优点使其应用领域不断扩大；由于其输出功率不大、对环境无污染、体积小、连续驱动和步进驱动一体完成，所以更适用于仪器和微型器件加工机械领域，这些领域往往对定位精度有很高的要求。驱动有两种情况：一为位移长度已知，其可通过闭环控制实现要求的定位精度；另一为要求到达空间某位置，而位移长度未知，这时则要求高的开环控制精度；不论是哪种驱动，欲实现快速定位，均要求速度和步距有很好的“可控性”。

目前，双振动模态驱动的压电陶瓷超声波电机采用的驱动方式之一，即交流驱动方式，是用一路39.6KHz的等幅正弦波电压，同时激发电机定子的一阶纵向振动模态和一阶弯曲振动模态，使驱动头沿椭圆形轨迹运动；当滑块与驱动头压紧时，滑块即可在摩擦力驱动下沿直线方向运动；该压电陶瓷超声波电机内有两组电极，通过切换电压施加的电极，可改变滑块运动的方向。压电陶瓷超声波电机的驱动速度随着驱动电压幅值的增大而增大，但用上述方式控制驱动时，存在一个控制死区，即驱动电压必须大于某一电压值时，才有可能驱动滑块，因此无法获得纳米级精确定位所要求的慢速运动，特别是不能做到整周期驱动，使开环驱动控制的定位精度受到很大影响。双振动模态驱动的压电陶瓷超声波电机还有两种驱动方式：脉冲驱动和直流驱动。前者的步距由驱动脉冲的持续时间确定，因脉冲长度难以与驱动波的整周期匹配，实验证明驱动步距不恒定，在开环控制时仍无法实现快速精确定位；后者的驱动范围太小，只有300nm，仅能用于闭环控制时的精密调整。即使将上述三种驱动模式配合使用，速度和步距的“可控性”仍不理想，实现满足要求的定位需花费较长时间。

发明内容：

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种双振动模态驱动的压电陶瓷超声波电机小波差动控制方法，以提高速度和步距的“可控性”，缩短滑块的定位时间，提高了滑块的开环定位精度。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

本发明的方法的特点是：

驱动电压采用频率为39.6KHz的由N个周期组成的小波电压，以所述具有N个周期的小波电压为一个驱动元，作为一个驱动元的小波电压中至少有一个周期的波形的峰值大于死区电压值，所述N值不小于3；两个驱动元之间的时间间隔t可调，改变所述时间间隔t即改变小波电压输出速率，从而控制滑块的运动速度；

采用差动控制，将所述用于控制的小波电压分两路，以差动方式同时加到压电陶瓷超声波电机的两组电极上，通过控制两组电极上的小波电压差值，即控制一阶弯曲振动模态的幅度，以改变驱动头的椭圆形运动轨迹。

本发明方法的特点也在于所述分成两路的小波电压，其中一路直接加在压电陶瓷超声波电机的一组电极上，另一路通过外加电容加在压电陶瓷超声波电机的另一组电极上，改变所述外加电容的大小，即调节加在电极上小波电压的大小。

本发明方法通过控制驱动元的输出速度，控制滑块的运动速度；通过控制两组电极上的小波电压差值，改变滑块位移的单步定位精度。采用本发明方法，双振动模态驱动的压电陶瓷超声波电机完全可以在单一的交流控制模式下，实现滑块速度和步距的“可控性”。

已有技术相比，本发明方法的有益效果体现在：

1、本发明方法可以使滑块的运动速度任意降低，且运行平稳。而已有技术中，用于低速运行的脉冲驱动模式，其脉冲宽度难以与驱动波的整周期匹配，所以驱动步距不是恒定的；已有技术中的交流控制模式，由于存在控制死区，滑块的运动速度也无法任意降低。

2、本发明方法使滑块定位精度比已有技术中的交流控制模式至少提高一个数量级；其单步定位精度与已有技术中的直流控制模式下的微调控制精度相媲美，但不存在直流控制模式下的压电陶瓷固有的迟滞现象和蠕变现象，易于实现开环控制。已有技术中的直流控制模式下的压电陶瓷，由于存在迟滞现象和蠕变现象，其定位精度需要通过闭环控制来保证。

附图说明：

图1为双振动模态驱动的压电陶瓷超声波电机基本架构示意图。

图2为本发明方法小波差动控制系统示意图。

图3为本发明两个驱动元小波电压波形示意图。

下面通过实施例，并结合附图对本发明方法进一步说明。

实施例：

参见图1，A、B、C为双振动模态驱动的压电陶瓷超声波电机的三个电极，其中，A、C组成一组电极，B、C组成另一组电极；x为一阶纵向振动模态，y为一阶弯曲振动模态，z为一阶纵向振动模态和一阶弯曲振动模态复合的驱动头1的椭圆形运动轨迹。

已有技术是将39.6KHz的正弦电压Vac通过S1、S2方向切换开关，分别加在A、C电极上或B、C电极上，以控制滑块2的运动方向；而滑块2的运动速度则通过控制Vac的大小实现。

本实施例采用小波差动控制方法，系统构成如图2所示，“波形合成电路”用于产生主频为39.6KHz的小波电压；“小波驱动元触发控制电路”用于控制小波电压输出速度；“功率放大电路”对小波电压进行功率放大；“升压变压器”用于将小波电压升压至能驱动压电陶瓷电机工作时的电压，升压变压器的参数与压电陶瓷电机的等效电容在图2中具有良好的谐振。A、B、C为双振动模态驱动的压电陶瓷超声波电机的三个电极，A、C组成一组电极，B、C组成另一组电极；C0为外加可变电容，可连续调节、也可分几档进行调节；S1、S2开关同步切换，用于控制滑块的运动方向。

压电陶瓷超声波电机的两组电极等效为电容，因而改变外加电容的大小，可以调节加到电极上小波电压的大小。本发明方法中，外加电容越大，一阶弯曲振动模态的幅度就越小，但一阶纵向振动模态的幅度不会随一阶弯曲振动模态的幅度变小而等量变小。这里，一阶弯曲振动模态的幅度决定了滑块的单步位移量。由此可见，增大外加电容，可以提高滑块位移的单步定位精度。根据实际需要，电容的大小可以设置为连续可调，也可设置为几档。

控制方法：

由“波形合成电路”提供39.6KHz频率的由N个周期组成的小波电压，并以该N个周期的小波电压为一个驱动元，图3示出了两个驱动元小波电压波形，在每一个驱动元的小波电压中至少有一个周期的波形的峰值大于死区的电压值，其它周期的峰值小于死区电压，两个驱动元之间的时间间隔t可调，改变时间间隔t即改变小波电压输出速率，从而控制滑块的运动速度，t值可以为零；

将用于控制的小波电压分两路以差动方式同时加到压电陶瓷超声波电机的两组电极上，其中一路小波电压直接加在压电陶瓷超声波电机的一组电极上，另一路小波电压通过外加电容加在压电陶瓷超声波电机的另一组电极上，改变所述外加电容的大小，即调节加在电极上小波电压的大小，通过控制两组电极上的小波电压差值，即控制一阶弯曲振动模态的幅度，以改变驱动头的椭圆形运动轨迹，即由固定运动轨迹变为可变运动轨迹。

Claims

1、双振动模态驱动的压电陶瓷超声波电机小波差动控制方法，其特征是：

采用差动控制，将所述用于控制的小波电压分两路，以差动方式同时加到压电陶瓷超声波电机的两组电极上，通过控制两组电极上的小波电压差值，以改变驱动头的椭圆形运动轨迹。

2、根据权利要求1所述的控制方法，其特征是所述分成两路的小波电压，其中一路直接加在压电陶瓷超声波电机的一组电极上，另一路通过外加电容加在压电陶瓷超声波电机的另一组电极上，改变所述外加电容的大小，即调节加在电极上小波电压的大小。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征是所述外加电容的大小设置为连续可调，或分设为几档可调。