CN104022682B - 弯振复合模态足式压电驱动器的跨尺度驱动方法 - Google Patents
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Abstract
弯振复合模态足式压电驱动器的跨尺度驱动方法，属于压电驱动技术领域。本发明是为了解决现有的弯振复合模态足式压电驱动器的定位精度和分辨力低的问题。它选择下述三种激励模式之一、两种激励模式的组合或者三种激励模式的组合来实现不同位移尺度的输出：第一种为交流连续激励模式，该激励模式给两组弯振压电陶瓷片分别施加在时间上具有90度相位差的两相连续交流激励电压；第二种为脉冲步进激励模式，该激励模式给两组弯振压电陶瓷片分别施加在时间上具有90度相位差的两相脉冲激励电压；第三种为直流微驱动模式，该激励模式给一组弯振压电陶瓷片施加直流电压，另一组弯振压电陶瓷片为悬空状态。本发明用于实现足式压电驱动器的跨尺度驱动。
Description
技术领域
本发明涉及弯振复合模态足式压电驱动器的跨尺度驱动方法，属于压电驱动技术领域。
背景技术
压电超声驱动技术是一种利用压电陶瓷的逆压电效应，在弹性体中激励出超声频段内的振动，在弹性体表面特定点或特定区域形成具有特定轨迹的质点运动，进而通过定子、转子之间的摩擦耦合将质点的微观运动转换成转子的宏观运动的技术。压电超声驱动器具有低速大转矩、无需变速机构、无电磁干扰、响应速度快和断电自锁等优点。
基于弯曲振动复合实现驱动的压电超声驱动器具有结构简单、无需模态简并、效率高、出力大的突出优点，例如中国专利《弯振模态梁式直线超声电机振子》，公开号为101626203，公开日为2010-01-13，提出了一种弯振模态梁式直线超声驱动器的振子，它解决了因陶瓷材料抗拉强度低和机电耦合效率低造成的超声驱动器的机械输出能力受到制约的问题，具有结构简单、设计灵活、机电耦合效率高、可实现大力矩输出、性能稳定、易于控制、可系列化生产的优点。
但是，具有这种振子的驱动器实际工作时通过给两组弯振压电陶瓷片施加连续的交流电压来激励出驱动足处质点的连续的椭圆轨迹振动，进而通过摩擦耦合实现动子致动；由于采用连续交变电压进行驱动，其定位精度和分辨力一般只能达到微米级，难于实现进一步提高，因此，无法满足超精密加工、微纳制造和生命科学等领域飞速发展的需要。
发明内容
本发明目的是为了解决现有的弯振复合模态足式压电驱动器的定位精度和分辨力低的问题，提供了一种弯振复合模态足式压电驱动器的跨尺度驱动方法。
本发明所述弯振复合模态足式压电驱动器的跨尺度驱动方法，所述弯振复合模态足式压电驱动器包括两组弯振压电陶瓷片和驱动足，所述驱动器的驱动方法根据目标输出位移选择下述三种激励模式之一、两种激励模式的组合或者三种激励模式的组合来实现不同位移尺度的输出；三种激励模式分别为：
第一种为交流连续激励模式，该激励模式给两组弯振压电陶瓷片分别施加在时间上具有90度相位差的两相连续交流激励电压，以实现驱动器两个正交弯曲振动的复合激励，从而在驱动足处产生持续的椭圆轨迹的振动；该振动能够驱动动子实现大推力、大位移、快速及连续的运动输出，所述大位移指位移大小不受限制；
第二种为脉冲步进激励模式，该激励模式给两组弯振压电陶瓷片分别施加在时间上具有90度相位差的两相脉冲激励电压，以实现驱动器两个正交弯曲振动的脉冲式复合激励，从而在驱动足处产生间歇性的椭圆轨迹的振动；该振动能够驱动动子实现微米尺度分辨力、低速及断续的步进输出；
第三种为直流微驱动模式，该激励模式给一组弯振压电陶瓷片施加直流电压，另一组弯振压电陶瓷片为悬空状态，实现驱动器单方向的弯曲变形，从而在驱动足处产生单一方向的位移输出；该位移输出能够驱动动子实现纳米尺度分辨力及微米尺度行程的输出，通过调整直流电压幅值实现动子输出位移的精确调整。
所述弯振复合模态足式压电驱动器在直流微驱动模式下获得的驱动足最大输出位移高于脉冲步进激励模式下能够获得的驱动足最佳分辨力。
当驱动器目标输出位移小于或者等于直流微驱动模式的最大输出位移时，该目标输出位移为微米量级，驱动器采用直流微驱动模式实现小尺度位移、高定位精度和分辨力的输出。
当驱动器目标输出位移大于直流微驱动模式的最大输出位移且不高于毫米量级，则驱动器首先采用脉冲步进激励模式，直至该激励模式获得的输出位移与目标输出位移的差值小于或者等于直流微驱动模式的最大输出位移时，驱动器切换至直流微驱动模式，实现最终的精确定位。
当驱动器目标输出位移为数十毫米量级以上时，则驱动器首先采用交流连续激励模式；在实际输出位移未达到目标输出位移时，每一设定采样周期采集一次当前实际输出位移；再计算当前实际输出位移与目标输出位移的差值，并采用下述方法之一实现最终精确定位：
方法一：当当前实际输出位移与目标输出位移的差值大于直流微驱动模式的最大输出位移并且不高于毫米量级时，切换至脉冲步进激励模式，进行步进调整；
继续采集当前实际输出位移，当当前实际输出位移与目标输出位移的差值小于或者等于直流微驱动模式的最大输出位移时，驱动器切换至直流微驱动模式，实现最终精确定位；
方法二：当当前实际输出位移与目标输出位移的差值小于或者等于直流微驱动模式的最大输出位移时，驱动器直接切换至直流微驱动模式，实现最终精确定位。
交流连续激励模式和脉冲步进激励模式的激励电压波形为正弦波波形、方波波形、三角波波形或者梯形波波形。
本发明的优点：本发明针对现有压电驱动器在具备快速、大行程响应能力的同时，难于兼具高精度、纳米尺度定位功能这一突出问题，通过三种激励模式的结合解决了强载、快速、大行程和高精度之间的矛盾。其中交流连续激励模式可以驱动动子实现大推力、大位移、快速、连续的运动输出；脉冲步进激励模式可以驱动动子实现微米尺度分辨力、低速、断续的步进输出；直流微驱动模式可以驱动动子实现纳米尺度分辨力、微米尺度行程的输出。通过三种激励模式的复合应用，使得弯振复合模态足式压电驱动器不仅具备快速、大行程响应能力，同时具备高精度、纳米尺度定位功能。本发明可以应用到超精密压电驱动技术中。
本发明实现了对驱动器真正的跨尺度、超精密驱动，该方法广泛适用于驱动各种利用弯曲振动模态复合实现致动的压电驱动器。
附图说明
图1是本发明所述驱动方法的驱动器在交流连续激励模式下两组弯振压电陶瓷片分别施加的两相连续交流激励电压的波形图；
图2是本发明所述驱动方法的驱动器在脉冲步进激励模式下两组弯振压电陶瓷片分别施加的两相脉冲激励电压的波形图；
图3是本发明所述驱动方法的驱动器在直流微驱动模式下两组弯振压电陶瓷片分别施加的直流电压的波形图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式为一种弯振复合模态足式压电驱动器的跨尺度驱动方法，所述弯振复合模态足式压电驱动器包括两组弯振压电陶瓷片和驱动足，所述驱动器的驱动方法根据目标输出位移选择下述三种激励模式之一、两种激励模式的组合或者三种激励模式的组合来实现不同位移尺度的输出；三种激励模式分别为：
第一种为交流连续激励模式，该激励模式给两组弯振压电陶瓷片分别施加在时间上具有90度相位差的两相连续交流激励电压，以实现驱动器两个正交弯曲振动的复合激励，从而在驱动足处产生持续的椭圆轨迹的振动；该振动能够驱动动子实现大推力、大位移、快速及连续的运动输出，所述大位移指位移大小不受限制；
第二种为脉冲步进激励模式，该激励模式给两组弯振压电陶瓷片分别施加在时间上具有90度相位差的两相脉冲激励电压，以实现驱动器两个正交弯曲振动的脉冲式复合激励，从而在驱动足处产生间歇性的椭圆轨迹的振动；该振动能够驱动动子实现微米尺度分辨力、低速及断续的步进输出；
第三种为直流微驱动模式，该激励模式给一组弯振压电陶瓷片施加直流电压，另一组弯振压电陶瓷片为悬空状态，实现驱动器单方向的弯曲变形，从而在驱动足处产生单一方向的位移输出；该位移输出能够驱动动子实现纳米尺度分辨力及微米尺度行程的输出，通过调整直流电压幅值实现动子输出位移的精确调整。
本实施方式中的直流微驱动模式中，弯振压电陶瓷片的悬空状态指其不被施加电压，该模式可通过调整直流电压幅值实现动子输出位移的精确调整。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述弯振复合模态足式压电驱动器在直流微驱动模式下获得的驱动足最大输出位移高于脉冲步进激励模式下能够获得的驱动足最佳分辨力。
本实施方式能够保证脉冲步进激励模式和直流微驱动模式实现有效的衔接与互补。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，当驱动器目标输出位移小于或者等于直流微驱动模式的最大输出位移时，该目标输出位移为微米量级，驱动器采用直流微驱动模式实现小尺度位移、高定位精度和分辨力的输出。
具体实施方式四：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，当驱动器目标输出位移大于直流微驱动模式的最大输出位移且不高于毫米量级，则驱动器首先采用脉冲步进激励模式，直至该激励模式获得的输出位移与目标输出位移的差值小于或者等于直流微驱动模式的最大输出位移时，驱动器切换至直流微驱动模式，实现最终的精确定位。
具体实施方式五：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，当驱动器目标输出位移为数十毫米量级以上时，则驱动器首先采用交流连续激励模式；在实际输出位移未达到目标输出位移时，每一设定采样周期采集一次当前实际输出位移；再计算当前实际输出位移与目标输出位移的差值，并采用下述方法之一实现最终精确定位：
方法一：当当前实际输出位移与目标输出位移的差值大于直流微驱动模式的最大输出位移并且不高于毫米量级时，切换至脉冲步进激励模式，进行步进调整；
继续采集当前实际输出位移，当当前实际输出位移与目标输出位移的差值小于或者等于直流微驱动模式的最大输出位移时，驱动器切换至直流微驱动模式，实现最终精确定位；
方法二：当当前实际输出位移与目标输出位移的差值小于或者等于直流微驱动模式的最大输出位移时，驱动器直接切换至直流微驱动模式，实现最终精确定位。
具体实施方式六：本实施方式对实施方式一、二、三、四或五作进一步说明，交流连续激励模式和脉冲步进激励模式的激励电压波形为正弦波波形、方波波形、三角波波形或者梯形波波形。
本发明方法在工作时，首先设置驱动器的目标输出位移，然后根据目标输出位移的实际大小来判断采用何种激励方式或者激励方式的组合来实现驱动：
(1)若弯振复合模态足式压电驱动器的目标输出位移小于或者等于直流微驱动模式下可以获得的驱动足最大输出位移，该位移一般在微米量级，则直接进入直流微驱动模式实现小尺度位移、高定位精度和分辨力输出。
(2)若弯振复合模态足式压电驱动器的目标输出位移高于直流微驱动模式下可以获得的驱动足最大输出位移且不高于毫米量级，则首先进入脉冲步进激励模式，实现步进输出，直至输出位移与目标位移之间差值低于直流微驱动模式下可以获得的驱动足最大输出位移为止，然后切换至直流微驱动模式，实现最终的精确定位。
(3)若弯振复合模态足式压电驱动器的目标输出位移在数十毫米以上，则首先进入交流连续激励模式实现快速大位移输出，接近目标位移后停止，然后进行判断，若实际位移与目标输出位移的差值小于或者等于直流微驱动模式下可以获得的驱动足最大输出位移，则直接转换至直流驱动模式，实现最终的精确定位；若交流连续激励模式输出位移与目标位移差值大于直流微驱动模式下可以获得的驱动足最大输出位移，则首先切换至脉冲步进激励模式，实现步进调整，直至输出位移与目标位移之间差值低于或者等于直流微驱动模式下可以获得的驱动足最大输出位移为止，最后再切换至直流微驱动模式，实现最终的精确定位。
本发明方法适用于背景技术中提到的中国专利：弯振模态梁式直线超声电机振子，采用本发明的驱动方法能够提高该电机振子的定位精度和分辨力。
Claims (5)
1.一种弯振复合模态足式压电驱动器的跨尺度驱动方法，所述弯振复合模态足式压电驱动器包括两组弯振压电陶瓷片和驱动足，其特征在于，所述驱动器的驱动方法根据目标输出位移选择下述三种激励模式之一、两种激励模式的组合或者三种激励模式的组合来实现不同位移尺度的输出；三种激励模式分别为：
第一种为交流连续激励模式，该激励模式给两组弯振压电陶瓷片分别施加在时间上具有90度相位差的两相连续交流激励电压，以实现驱动器两个正交弯曲振动的复合激励，从而在驱动足处产生持续的椭圆轨迹的振动；该振动能够驱动动子实现大推力、大位移、快速及连续的运动输出，所述大位移指位移大小不受限制；
第二种为脉冲步进激励模式，该激励模式给两组弯振压电陶瓷片分别施加在时间上具有90度相位差的两相脉冲激励电压，以实现驱动器两个正交弯曲振动的脉冲式复合激励，从而在驱动足处产生间歇性的椭圆轨迹的振动；该振动能够驱动动子实现微米尺度分辨力、低速及断续的步进输出；
第三种为直流微驱动模式，该激励模式给一组弯振压电陶瓷片施加直流电压，另一组弯振压电陶瓷片为悬空状态，实现驱动器单方向的弯曲变形，从而在驱动足处产生单一方向的位移输出；该位移输出能够驱动动子实现纳米尺度分辨力及微米尺度行程的输出，通过调整直流电压幅值实现动子输出位移的精确调整；
所述弯振复合模态足式压电驱动器在直流微驱动模式下获得的驱动足最大输出位移高于脉冲步进激励模式下能够获得的驱动足最佳分辨力。
2.根据权利要求1所述的弯振复合模态足式压电驱动器的跨尺度驱动方法，其特征在于，当驱动器目标输出位移小于或者等于直流微驱动模式的最大输出位移时，该目标输出位移为微米量级，驱动器采用直流微驱动模式实现小尺度位移、高定位精度和分辨力的输出。
3.根据权利要求1所述的弯振复合模态足式压电驱动器的跨尺度驱动方法，其特征在于，当驱动器目标输出位移大于直流微驱动模式的最大输出位移且不高于毫米量级，则驱动器首先采用脉冲步进激励模式，直至该激励模式获得的输出位移与目标输出位移的差值小于或者等于直流微驱动模式的最大输出位移时，驱动器切换至直流微驱动模式，实现最终的精确定位。
4.根据权利要求1所述的弯振复合模态足式压电驱动器的跨尺度驱动方法，其特征在于，当驱动器目标输出位移为十毫米量级以上时，则驱动器首先采用交流连续激励模式；在实际输出位移未达到目标输出位移时，每一设定采样周期采集一次当前实际输出位移；再计算当前实际输出位移与目标输出位移的差值，并采用下述方法之一实现最终精确定位：
方法一：当当前实际输出位移与目标输出位移的差值大于直流微驱动模式的最大输出位移并且不高于毫米量级时，切换至脉冲步进激励模式，进行步进调整；
继续采集当前实际输出位移，当当前实际输出位移与目标输出位移的差值小于或者等于直流微驱动模式的最大输出位移时，驱动器切换至直流微驱动模式，实现最终精确定位；
方法二：当当前实际输出位移与目标输出位移的差值小于或者等于直流微驱动模式的最大输出位移时，驱动器直接切换至直流微驱动模式，实现最终精确定位。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的弯振复合模态足式压电驱动器的跨尺度驱动方法，其特征在于，交流连续激励模式和脉冲步进激励模式的激励电压波形为正弦波波形、方波波形、三角波波形或者梯形波波形。
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