CN107040163B - 一种步进式微型压电电机及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种步进式微型压电电机及其工作方法，电机包括定子、动子及底座，所述动子通过导轨连接在底座上，所述定子设置于底座上，定子包括驱动足以及弹性预紧机构，在弹性预紧机构的预紧力下，定子上的驱动足和动子在整个电机工作周期中始终保持紧密接触；所述驱动足包括一组平行动子导轨布置的压电叠层和一组垂直于动子导轨布置的压电叠层，分别为定子驱动足提供平行于导轨方向和垂直于导轨方向的微幅振动，在一个运动周期内该驱动足在平行于导轨方向具有非对称位移输出特性；本发明步进式微型压电电机能够在较宽频域范围内分别容易实现纳米级和微米级的位移分辨率，同时兼具制作成本低、寿命长和断电自锁的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种步进式微型压电电机，属于压电精密致动技术领域。
背景技术
随着微/纳米技术的发展，众多工程技术领域的研究都迫切需要亚微米级、微/纳米级的精密作动器。但由于传统电磁电机需要减速装置，在微型化、高功重比的发展方向上很难突破。随着材料科学的发展，新型功能材料为这些应用提出了新的解决方案，其中，逆压电效应的发现及具有优越性能的压电陶瓷(PZT)材料的出现使得压电精密作动器的研究得到了广泛关注，并在精密作动领域显示出了广泛的应用前景。
直线步进式微型压电电机主要包括共振型超声电机和非共振型步进电机。共振型超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应激发弹性体的共振，并将弹性体的微变形通过摩擦耦合转换成转子或动子的宏观运动。由于超声电机在共振状态下运行，致使其性能受环境影响较大，同时对定子的加工精度要求较高。非共振型步进电机是利用压电叠层的精确位移输出特性，结合惯性冲击原理或者尺蠖原理，能够实现运动件连续、精密的步进运动。与共振式步进式微型压电电机相比，非共振状态具有较宽的工作频带，对周围环境的抗干扰性强；且对电机定子的尺寸和加工精度要求不太高，易于保证电机运行的平稳性。但是惯性冲击型和尺蠖原理非共振直线电机对驱动控制信号要求较为苛刻、驱动力很小。
现有的非共振摩擦驱动原理型直线电机在保证大行程的同时，并没有很好地解决高分辨率的难题，目前该类型电机的分辨率通常为微米级。现有的非共振摩擦驱动型电机两压电叠层的位移输出具有耦合性，电机定子驱动足在垂直于导轨方向和平行于导轨方向的位移输出特性往往与两个压电叠层都相关，因此不容易独立控制电机定子在两个方向的位移输出性能。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出一种步进式微型压电电机，能够在较宽频域范围内分别容易实现纳米级和微米级的位移分辨率，同时兼具制作成本低、寿命长和断电自锁的优点。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下具体的技术方案：
一种步进式微型压电电机，所述电机包括定子、动子及底座，所述动子通过导轨连接在底座上，所述定子设置于底座上，定子包括驱动足以及弹性预紧机构，在弹性预紧机构的预紧力下，定子上的驱动足和动子在整个电机工作周期中始终保持紧密接触；
所述驱动足包括横向振动块、纵向振动框、固定板、一组平行动子导轨布置的横向压电叠层和一组垂直于动子导轨布置的纵向压电叠层，所述横向振动块设置于纵向振动框内部，横向振动块的一侧通过横向压电叠层与纵向振动框连接、另一侧通过预紧弹簧与纵向振动框连接；
所述固定板平行设置在所述纵向振动框的下方，固定板和纵向振动框之间通过所述纵向压电叠层连接。
所述弹性预紧机构包括：支座以及两片预压板簧，其中，支座与底座固定连接，支座上设有沿垂直导轨方向布置的通槽，驱动足设置在所述通槽内，支座上位于通槽的上、下两端分别设有一片所述预压板簧，在上、下两片预压板簧的弹力下，定子上的驱动足和动子保持紧密接触。
每片所述预压板簧包括：环形框架结构、柔性铰链和方板；环形框架结构的短边和方板通过柔性铰链连接，环形框架上设有与支座固定连接的圆孔，方板上设有与驱动足固定连接的通孔。
所述支座上位于通槽的两侧分别设有与底座相固定以及导向作用的通孔，支座上位于通槽的上、下两端分别设有用于与两片预压板簧固定连接的螺纹孔。
所述横向振动块在垂直导轨方向上通过两个平行布置的悬臂柔性梁与纵向振动框连接。
所述横向压电叠层和纵向振动框之间设有平行于导轨方向安装的导向块，在纵向振动框的外部设置有用于调节所述横向压电叠层与纵向振动框之间松紧度的预紧螺栓。
所述导向块在垂直导轨方向上通过柔性铰链与纵向振动框柔性连接，
所述固定板与纵向振动框之间位于所述纵向压电叠层的两侧对称布置有预紧弹簧，垂直于导轨布置的纵向压电叠层通过预紧弹簧结构的预变形与纵向振动框压紧连接。
所述的步进式微型压电电机的工作方法，用非对称的周期信号分别激励平行于导轨方向布置的横向压电叠层和垂直于导轨方向布置的纵向压电叠层，实现电机定子和动子之间的摩擦驱动特性在驱动阶段和回程阶段具有明显差异，从而使得动子在驱动阶段的运动距离大于在回程阶段的运动距离，上述非对称的位移输出使得在驱动阶段和回程阶段，电机动子的运动存在一个位移差，即差动式位移。
包括正向差动摩擦驱动过程和反向差动摩擦驱动过程：其中，
在一个作动周期T内，电机的动作时序如下：
正向差动摩擦驱动过程：
驱动阶段，在0～大于1/2T，用非对称周期信号激励纵向压电叠层，纵向压电叠层的激励电压为最大值，纵向压电叠层迅速伸长，电机定子和动子之间的接触正压力最大；同时用三角波信号激励横向压电叠层，此时三角波处于升坡阶段，因此位于横向振动块一侧的横向压电叠层缓慢持续伸长，并通过定子和动子接触面的摩擦力带动动子向右运动，产生的位移为Δx1；
回程阶段：在剩余的小于1/2T～T，纵向压电叠层的激励电压为最小值，相对于驱动阶段大幅下降，纵向压电叠层迅速收缩直至初始状态，此时电机定子和动子之间的接触正压力最小；同时用三角波信号激励横向压电叠层，此时三角波信号处于降坡阶段，因此横向压电叠层快速持续收缩，由于定子和动子间存在初始正压力，所以在摩擦的作用下定子带动动子向左运动，产生位移为Δx2；
综上，虽然横向振动块在驱动阶段和回程阶段的位移相等，但是驱动阶段时定子和动子之间的摩擦力大于回程阶段时定子和动子之间的摩擦力，并且，驱动阶段定子和动子的接触时间更长，所以Δx1>Δx2，从而动子在整体上实现向右的差动位移Δx；
反向差动摩擦驱动过程：反过来，如果在驱动阶段，纵向压电叠层的激励电压为最小值，在回程阶段，纵向压电叠层的激励电压为最大值，并且驱动阶段时间小于回程阶段时间，其他条件不变，则能够实现整个运动周期内动子沿反向有一差动位移Δx。
本发明一种步进式微型压电电机及其工作方法相对于现有超声电机而言，具有的有益效果是：
本发明定子上的所述驱动足包括一组横向布置的压电叠层和一组纵向布置的压电叠层，分别为定子驱动足提供平行于导轨方向和垂直于导轨方向的微幅振动，该驱动足在平行于导轨方向具有非对称结构和非对称位移输出特性；
所述驱动足采用了横向振动块和纵向振动框结构，这能够保证平行于导轨方向的位移输出与垂直于导轨方向的位移输出具有解耦特性，有利于独立控制两个方向的压电元件的位移输出；
本发明用周期信号激励平行于导轨方向的横向压电叠层，用非对称的周期信号激励垂直于导轨方向的纵向压电叠层，实现电机定子和动子之间的摩擦驱动特性在驱动阶段和回程阶段具有明显差异，从而使得动子在驱动阶段的运动距离大于在回程阶段的运动距离，上述非对称的位移输出特性使得在推程阶段和回程阶段电机动子的运动存在一个位移差，即差动式位移。由于该电机在0～1KHz频率范围内具有明显不同的差动摩擦特性，所以当驱动频率从低频到高频变化时，该类电机的定位精度也从纳米级向微米级渐变，这有望部分代替结构复杂的宏微结合的定位平台。
因此，本发明相对于超声电机而言，具有非共振、宽频域的特点，能够在较宽频域范围内分别容易实现纳米级和微米级的位移分辨率，同时兼具制作成本低、寿命长和断电自锁的优点。
附图说明
图1是本发明所述的步进式微型压电电机立体结构示意图；
图2是本发明所述的步进式微型压电电机定子结构示意图；
图3是本发明所述的步进式微型压电电机定子驱动足结构示意图；
图4是图3的A-A剖视图；
图5是图3的仰视图；
图6是本发明所述的步进式微型压电电机预压板簧结构示意图；
图7是本发明所述的步进式微型压电电机支座结构示意图；
图8是图7的仰视图；
图9是电机正向运动时纵向压电叠层的电激励信号；
图10是电机正向运动时横向压电叠层的电激励信号；
图11是电机反向运动时纵向压电叠层的电激励信号；
图12是电机反向运动时横向压电叠层的电激励信号；
图13是电机正向运动时纵向压电叠层的另一种异形电激励信号。
图14是电机正向运动时横向压电叠层的另一种异形电激励信号。
图15是电机反向运动时纵向压电叠层的另一种异形电激励信号；
图16是电机反向运动时横向压电叠层的另一种异形电激励信号；
图17是本发明所述的步进式微型压电电机的运动过程。
图1至图3中：1-动子；2-定子；3-底座；4-预压板簧；4-1-短边；4-2-方板；4-3-柔性铰链；5-驱动足；6-支座；7-预压板簧；(8，16)-预紧弹簧；9-纵向振动框；10-纵向压电叠层；(11，18)-导向块；(12，17)-预紧螺栓；13-固定螺栓；14-挡板；15-固定板；19-横向压电叠层；20-横向振动块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步详细说明：
如图1所示的步进式微型压电电机结构，包括动子1、定子2及底座3；动子由通过螺栓固定在底座的侧板上；定子通过螺栓固定在底座的底板上；通过控制定子在底座的前后位置可控制定子与动子之间初始压力的大小。
如图2所示的步进式微型压电电机定子结构，包括驱动足5、支座6以及两片预压板簧；驱动足的上下两端分别通过螺栓固定在预压板簧的方板上；预压板簧的环形框架通过螺栓固定在支座上。
如图2所示的步进式微型压电电机夹持机构为两片对称布置的预压板簧；如图4所示，预压板簧包括环形框架结构、柔性铰链和方板；环形框架结构的短边和方板通过柔性铰链连接；环形框架设有圆孔，可以与支座6固定连接；方板上有通孔，与驱动足5固定连接。该预压板簧在平行于其长边方向上具有较大刚度，能保证驱动足在平行于导轨方向的稳定性；该预压板簧在平行于板簧厚度方向的刚度较小，能够保证在垂直于导轨运动方向发生较大的弹性变形，该弹性变形保证电机定子和动子在整个驱动阶段均处于接触状态。
如图3，图4和图5所示的步进式微型压电电机定子驱动足包括横向振动块20、纵向振动框9、固定板15、导向块、挡板14、纵向压电叠层10和横向压电叠层19；横向振动块由两平行预紧弹簧支撑连接在纵向振动框内，横向振动块的一侧安装有平行于导轨布置的横向压电叠层19，横向压电叠层19的另外一侧布置有平行于导轨方向的导向块，导向块由悬臂柔性梁支撑连接在纵向振动框上，在平行于导轨方向有较大的柔性，导向块避免了横向压电叠层19直接与预紧螺栓接触，起保护压电叠层的作用。
横向振动块20、导向块及横向压电叠层19均安装在纵向振动框9内；纵向振动框9为U形刚性结构，有利于保持几何结构的不变性。
纵向振动框9通过两平行预紧弹簧16与固定板15连接，纵向振动框下方安装有垂直于导轨布置的纵向压电叠层10；
纵向压电叠层10下方布置导向块；纵向压电叠层10和导向块通过挡板14固定；导向块避免纵向压电叠层与预紧螺栓直接接触，并设计平行于纵向压电叠层的柔性铰链，消除预紧时产生的切向力；挡板14通过固定螺栓固定在固定板15上；平行于导轨布置的横向压电叠层19与横向振动块20通过预紧螺栓17压紧，垂直于导轨布置的纵向压电叠层10通过预紧弹簧16结构的预变形与纵向振动框压紧。
总体上，电机定子具有“推拉式”框架结构，框架的内部结构用于实现平行于导轨方向的运动；在纵向压电叠层10的作用下，纵向振动框9连同其内部各部分结构一起作垂直于导轨方向的运动。因此，这种“推拉式”框架结构能够保证横向振动块的位移输出与纵向振动框9垂直方向的位移输出具有解耦特性，有利于独立控制的横向压电叠层19和纵向压电叠层10的位移输出，提高电机的定位精度。
如图7和图8所示的步进式微型压电电机支座，中间为通槽，两侧设有起固定与导向作用的通孔,通过控制定子2在底座3的前后位置可控制定子与动子之间初始压力的大小；上下两侧分别有四个螺纹孔；支座的上下两端分别与上、下两片预压板簧的外围连接。
本发明一种步进式微型压电电机的工作方式：
图9所示为电机正向运动时为垂直于导轨布置的纵向压电叠层10的电激励信号a，图10为电机正向运动时为平行于导轨布置的横向压电叠层19的电激励信号b，激励信号a为非对称矩形信号，其占空比大于0.5，激励信号b为三角波信号。
结合差动运动过程，对本发明的差动摩擦驱动过程做进一步论述，定义动子向右，x正向的运动为正方向，动子向左，x负向的运动为反方向：
正向差动摩擦驱动过程：
在驱动阶段，给纵向压电叠层10施加如图9所示的激励信号a，此时的激励电压为最大值，纵向压电叠层10迅速伸长，此时定子2和动子1之间的正压力最大；给横向压电叠层19施加如图10所示的激励信号b，此时的激励电压处于升坡，横向压电叠层19缓慢伸长，横向压电叠层19的伸长带动横向振动块20产生x正方向的位移；因此驱动足5在摩擦作用下带动动子1实现x正方向的位移Δx1。
在回程阶段，给纵向压电叠层10施加如图9所示的激励信号a，此时纵向压电叠层10的激励电压为最小值，纵向压电叠层10迅速收缩，此时定子2和动子1之间的正压力最小；横向压电叠层19的激励电压处于降坡，横向压电叠层19缓慢收缩，横向压电叠层19的收缩带动横向振动块20产生x负方向的位移；因此驱动足5在摩擦作用下带动动子1实现x负方向的位移Δx2。
综上，横向振动块20在驱动阶段和回程阶段的位移相等，但是驱动阶段时定子2和动子1之间的摩擦力大于回程阶段时定子和动子之间的摩擦力，且驱动阶段时间要大于回程阶段时间，所以Δx1>Δx2，从而动子1在整体上实现正向的差动位移Δx。
反向差动摩擦驱动过程：
在驱动阶段，给纵向压电叠层10施加如图9所示的激励信号c，此时的激励电压为最小值，纵向压电叠层10由最长状态迅速收缩至初始状态，此时定子2和动子1之间的正压力最小；给横向压电叠层19施加如图12所示的激励信号为d，此时的激励电压处于升坡，横向压电叠层19缓慢伸长，横向压电叠层19的伸长带动横向振动块20产生x正方向的位移；因此驱动足5在摩擦作用下带动动子1实现x正方向的位移Δx1。
在回程阶段，给纵向压电叠层10施加如图9所示的激励信号c，此时的激励电压为最大值，纵向压电叠层10迅速伸长，此时定子2和动子1之间的正压力最大；横向压电叠层19的激励电压处于降坡，横向压电叠层19缓慢收缩，横向压电叠层19的收缩带动横向振动块20产生x负方向的位移；因此驱动足5在摩擦作用下带动动子1实现x负方向的位移Δx2。
综上，横向振动块20在驱动阶段和回程阶段的位移相等，但是驱动阶段时定子2和动子1之间的摩擦力小于回程阶段时定子和动子之间的摩擦力，且驱动阶段时间小于回程阶段时间，所以Δx1<Δx2，从而动子1在整体上实现反向的差动位移Δx。
本发明步进式微型压电电机在结构上和激励方式上都是非对称的，非对称电压激励方式可以有多种选择，也可以采用如图13～图16的异形波信号。
Claims (9)
1.一种步进式微型压电电机的工作方法，基于一种步进式微型压电电机，所述电机包括定子、动子及底座，其特征在于，所述动子通过导轨连接在底座上，所述定子设置于底座上，定子包括驱动足以及弹性预紧机构，在弹性预紧机构的预紧力下，定子上的驱动足和动子在整个电机工作周期中始终保持紧密接触；
所述驱动足包括横向振动块、纵向振动框、固定板、一组平行动子导轨布置的横向压电叠层和一组垂直于动子导轨布置的纵向压电叠层，所述横向振动块设置于纵向振动框内部，横向振动块的一侧通过横向压电叠层与纵向振动框连接、另一侧通过预紧弹簧与纵向振动框连接；
所述固定板平行设置在所述纵向振动框的下方，固定板和纵向振动框之间通过所述纵向压电叠层连接；
在一个运动周期内，通过非对称的周期信号激励所述横向压电叠层和所述纵向压电叠层，实现驱动足在平行于导轨方向上非对称的位移输出；
其特征在于，用非对称的周期信号分别激励平行于导轨方向布置的横向压电叠层和垂直于导轨方向布置的纵向压电叠层，实现电机定子和动子之间的摩擦驱动特性在驱动阶段和回程阶段具有明显差异，从而使得动子在驱动阶段的运动距离大于在回程阶段的运动距离，上述非对称的位移输出使得在驱动阶段和回程阶段，电机动子的运动存在一个位移差，即差动式位移。
2.根据权利要求1所述的步进式微型压电电机的工作方法，其特征在于，所述弹性预紧机构包括：支座以及两片预压板簧，其中，支座与底座固定连接，支座上设有沿垂直导轨方向布置的通槽，驱动足设置在所述通槽内，支座上位于通槽的上、下两端分别设有一片所述预压板簧，在上、下两片预压板簧的弹力下，定子上的驱动足和动子保持紧密接触。
3.根据权利要求2所述的步进式微型压电电机的工作方法，其特征在于，每片所述预压板簧包括：环形框架结构、柔性铰链和方板；环形框架结构的短边和方板通过柔性铰链连接，环形框架上设有与支座固定连接的圆孔，方板上设有与驱动足固定连接的通孔。
4.根据权利要求1所述的步进式微型压电电机的工作方法，其特征在于，所述支座上位于通槽的两侧分别设有与底座相固定以及导向作用的通孔，支座上位于通槽的上、下两端分别设有用于与两片预压板簧固定连接的螺纹孔。
5.根据权利要求1所述的步进式微型压电电机的工作方法，其特征在于，所述横向振动块在垂直导轨方向上通过两个平行布置的悬臂柔性梁与纵向振动框连接。
6.根据权利要求1所述的步进式微型压电电机的工作方法，其特征在于，所述横向压电叠层和纵向振动框之间设有平行于导轨方向安装的导向块，在纵向振动框的外部设置有用于调节所述横向压电叠层与纵向振动框之间松紧度的预紧螺栓。
7.根据权利要求6所述的步进式微型压电电机的工作方法，其特征在于，所述导向块在垂直导轨方向上通过柔性铰链与纵向振动框柔性连接。
8.根据权利要求1所述的步进式微型压电电机的工作方法，其特征在于，所述固定板与纵向振动框之间位于所述纵向压电叠层的两侧对称布置有预紧弹簧，垂直于导轨布置的纵向压电叠层通过预紧弹簧结构的预变形与纵向振动框压紧连接。
9.根据权利要求1所述的步进式微型压电电机的工作方法，其特征在于，包括正向差动摩擦驱动过程和反向差动摩擦驱动过程：其中，
正向差动摩擦驱动过程：在一个作动周期T内，电机的动作时序如下：
正向差动摩擦驱动过程：
驱动阶段，在0～大于1/2T，用非对称周期信号激励纵向压电叠层，纵向压电叠层的激励电压为最大值，纵向压电叠层迅速伸长，电机定子和动子之间的接触正压力最大；同时用三角波信号激励横向压电叠层，此时三角波处于升坡阶段，因此位于横向振动块一侧的横向压电叠层缓慢持续伸长，并通过定子和动子接触面的摩擦力带动动子向右运动，产生的位移为Δx1；
回程阶段：在剩余的小于1/2T～T，纵向压电叠层的激励电压为最小值，相对于驱动阶段大幅下降，纵向压电叠层迅速收缩直至初始状态，此时电机定子和动子之间的接触正压力最小；同时用三角波信号激励横向压电叠层，此时三角波信号处于降坡阶段，因此横向压电叠层快速持续收缩，由于定子和动子间存在初始正压力，所以在摩擦的作用下定子带动动子向左运动，产生位移为Δx2；
综上，虽然横向振动块在驱动阶段和回程阶段的位移相等，但是驱动阶段时定子和动子之间的摩擦力大于回程阶段时定子和动子之间的摩擦力，并且，驱动阶段定子和动子的接触时间更长，所以Δx1>Δx2，从而动子在整体上实现向右的差动位移Δx；
反向差动摩擦驱动过程：反过来，如果在驱动阶段，纵向压电叠层的激励电压为最小值，在回程阶段，纵向压电叠层的激励电压为最大值，并且驱动阶段时间小于回程阶段时间，其他条件不变，则能够实现整个运动周期内动子沿反向有一差动位移Δx。
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