CN104038101B - 一种纵弯复合模态足式压电驱动器实现跨尺度驱动的方法 - Google Patents
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Abstract
一种纵弯复合模态足式压电驱动器实现跨尺度驱动的方法，涉及压电驱动技术领域。本发明是为了解决现有纵向振动和弯曲振动复合实现驱动的压电超声驱动器定位精度和分辨力难于提高、无法克服强载、快速、大行程和高精度之间的矛盾的问题。驱动器包括纵振压电陶瓷片、弯振压电陶瓷片和驱动足，驱动器的驱动方法根据目标输出位移选择交流连续激励模式、脉冲步进激励模式和直流微驱动模式三种激励模式之一、两种激励模式组合或者三种激励模式组合来实现不同位移尺度输出，使驱动器能够驱动动子实现大推力、大位移、快速及连续运动输出，实现微米尺度分辨力、低速及断续步进输出；纳米尺度分辨力及微米尺度行程输出。它可应用到超精密压电驱动技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种纵弯复合模态足式压电驱动器实现跨尺度驱动的方法。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。
基于纵向振动和弯曲振动复合实现驱动的压电超声驱动器具有结构简单、效率高、出力大的突出优点，例如专利号为ZL200710071944.8、发明名称为“单驱动足夹心换能器式纵弯直线超声电机”的授权发明专利，它提出了一种纵弯复合模态夹心式单驱动足超声驱动器振子，解决了现有技术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，该压电驱动器实际工作时通过给纵振压电陶瓷片和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为微米级，难于实现进一步提高，也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
本发明是为了解决现有纵向振动和弯曲振动复合实现驱动的压电超声驱动器定位精度和分辨力难于提高、无法克服强载、快速、大行程和高精度之间的矛盾的问题。现提供一种纵弯复合模态足式压电驱动器实现跨尺度驱动的方法。
一种纵弯复合模态足式压电驱动器实现跨尺度驱动的方法，所述纵弯复合模态足式压电驱动器包括纵振压电陶瓷片、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，该激励模式给纵振压电陶瓷片和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，以实现驱动器纵向振动和弯曲振动的复合激励，从而在驱动足处产生稳定而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，该激励模式给纵振压电陶瓷片和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，实现驱动器纵向振动和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，该激励模式给纵振压电陶瓷片施加直流电压，给弯振压电陶瓷片保持悬空状态，或是给弯振压电陶瓷片施加直流电压，给纵振压电陶瓷片保持悬空状态，实现驱动器的纵向伸缩变形或弯曲变形的激励，从而在驱动足处获得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，
当驱动器的目标输出位移在数十毫米以上时，则驱动器首先进入交流连续激励模式，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：当实际位移与目标位移之间的差值小于或者等于直流微驱动模式下获得的驱动足最大输出位移，直接转换至直流驱动模式，实现最终的精确定位；
方法二：当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获得的驱动足最大输出位移，首先切换至脉冲步进激励模式，实现步进调整，直至驱动器输出位移与目标位移之间差值小于或者等于直流微驱动模式下获得的驱动足最大输出位移时，驱动器再切换至直流微驱动模式，实现最终的精确定位。
所述纵弯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。
当驱动器的目标输出位移小于或者等于直流微驱动模式的驱动足最大输出位移时，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。
当驱动器的目标输出位移大于直流微驱动模式下获得的驱动足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，实现步进输出，直至输出位移与目标位移之间差值小于等于直流微驱动模式下获得的驱动足最大输出位移时，驱动器切换至直流微驱动模式，实现最终的精确定位。
所述交流连续激励模式和脉冲步进激励模式下所施加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。
本发明的有益效果在于，本发明的一种纵弯复合模态足式压电驱动器实现跨尺度驱动的方法通过上述交流连续激励模式、脉冲步进激励模式、直流微驱动模式的组合应用，使得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，最终实现真正的跨尺度、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是本发明所述的一种纵弯复合模态足式压电驱动器在交流连续激励模式下纵振压电陶瓷片和弯振压电陶瓷片所分别施加的两相连续交流激励电压的示意图；
图2是本发明所述一种纵弯复合模态足式压电驱动器在脉冲步进激励模式下纵振压电陶瓷片和弯振压电陶瓷片所分别施加的两相脉冲激励电压的示意图；
图3是本发明所述一种纵弯复合模态足式压电驱动器在直流微驱动模式下纵振压电陶瓷片和弯振压电陶瓷片所分别施加的直流电压的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种纵弯复合模态足式压电驱动器实现跨尺度驱动的方法，所述纵弯复合模态足式压电驱动器包括纵振压电陶瓷片、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，该激励模式给纵振压电陶瓷片和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，以实现驱动器纵向振动和弯曲振动的复合激励，从而在驱动足处产生稳定而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，该激励模式给纵振压电陶瓷片和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，实现驱动器纵向振动和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，该激励模式给纵振压电陶瓷片施加直流电压，给弯振压电陶瓷片保持悬空状态，或是给弯振压电陶瓷片施加直流电压，给纵振压电陶瓷片保持悬空状态，实现驱动器的纵向伸缩变形或弯曲变形的激励，从而在驱动足处获得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，所述纵弯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获得的驱动足最佳分辨力；这样可以保证两种工作模式可以实现有效的衔接与互补。
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)若所述纵弯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的输出。
(2)若所述纵弯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)若所述纵弯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，若实际位移与目标位移支架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。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的一种纵弯复合模态足式压电驱动器实现跨尺度驱动的方法的不同点在于，所述纵弯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。
具体实施方式三、本实施方式与具体实施方式一所述的一种纵弯复合模态足式压电驱动器实现跨尺度驱动的方法的不同点在于，当驱动器的目标输出位移小于或者等于直流微驱动模式的驱动足最大输出位移时，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、本实施方式与具体实施方式一所述的一种纵弯复合模态足式压电驱动器实现跨尺度驱动的方法的不同点在于，当驱动器的目标输出位移大于直流微驱动模式下获得的驱动足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，实现步进输出，直至输出位移与目标位移之间差值小于等于直流微驱动模式下获得的驱动足最大输出位移时，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、本实施方式与具体实施方式一所述的一种纵弯复合模态足式压电驱动器实现跨尺度驱动的方法的不同点在于，当驱动器的目标输出位移在数十毫米以上时，则驱动器首先进入交流连续激励模式，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：当实际位移与目标位移之间的差值小于或者等于直流微驱动模式下获得的驱动足最大输出位移，直接转换至直流驱动模式，实现最终的精确定位；
方法二：当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获得的驱动足最大输出位移，首先切换至脉冲步进激励模式，实现步进调整，直至驱动器输出位移与目标位移之间差值小于或者等于直流微驱动模式下获得的驱动足最大输出位移，驱动器再切换至直流微驱动模式，实现最终的精确定位。
具体实施方式六、本实施方式与具体实施方式一、二、三、四或五所述的一种纵弯复合模态足式压电驱动器实现跨尺度驱动的方法的不同点在于，所述交流连续激励模式和脉冲步进激励模式下所施加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。
Claims (5)
1.一种纵弯复合模态足式压电驱动器实现跨尺度驱动的方法，所述纵弯复合模态足式压电驱动器包括纵振压电陶瓷片、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，该激励模式给纵振压电陶瓷片和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，以实现驱动器纵向振动和弯曲振动的复合激励，从而在驱动足处产生稳定而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，该激励模式给纵振压电陶瓷片和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，实现驱动器纵向振动和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，该激励模式给纵振压电陶瓷片施加直流电压，给弯振压电陶瓷片保持悬空状态，或是给弯振压电陶瓷片施加直流电压，给纵振压电陶瓷片保持悬空状态，实现驱动器的纵向伸缩变形或弯曲变形的激励，从而在驱动足处获得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，
当驱动器的目标输出位移在数十毫米以上时，则驱动器首先进入交流连续激励模式，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：当实际位移与目标位移之间的差值小于或者等于直流微驱动模式下获得的驱动足最大输出位移，直接转换至直流驱动模式，实现最终的精确定位；
方法二：当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获得的驱动足最大输出位移，首先切换至脉冲步进激励模式，实现步进调整，直至驱动器输出位移与目标位移之间差值小于或者等于直流微驱动模式下获得的驱动足最大输出位移，驱动器再切换至直流微驱动模式，实现最终的精确定位。
2.根据权利要求1所述的一种纵弯复合模态足式压电驱动器实现跨尺度驱动的方法，其特征在于，所述纵弯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。
3.根据权利要求1所述的一种纵弯复合模态足式压电驱动器实现跨尺度驱动的方法，其特征在于，当驱动器的目标输出位移小于或者等于直流微驱动模式的驱动足最大输出位移时，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。
4.根据权利要求1所述的一种纵弯复合模态足式压电驱动器实现跨尺度驱动的方法，其特征在于，当驱动器的目标输出位移大于直流微驱动模式下获得的驱动足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，实现步进输出，直至输出位移与目标位移之间差值小于或者等于直流微驱动模式下获得的驱动足最大输出位移时，驱动器切换至直流微驱动模式，实现最终的精确定位。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种纵弯复合模态足式压电驱动器实现跨尺度驱动的方法，其特征在于，所述交流连续激励模式和脉冲步进激励模式下所施加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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