CN110959254A - 超声电机的闭环运动控制的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超声电机的闭环运动控制的方法，该超声电机包括至少一个致动器，至少一个致动器具有摩擦装置、至少一个激励电极和至少一个公共电极，该超声电机还包括待驱动元件、控制器和至少一个发电机，至少一个发电机用于产生被施加到致动器的电极并由此产生致动器的振动的至少第一激励电压U1和第二激励电压U2，其中致动器的摩擦装置由于其振动而间歇地与待驱动元件接触并由此在待驱动元件上产生驱动力，其中该方法包括以下步骤：提供至少两个激励电压U1和U2，至少两个激励电压U1和U2具有不同频率，U1的频率对应于致动器的第一谐振频率，U2的频率对应于致动器的第二谐振频率，并且U1与U2之间的频率差偏离控制器的伺服采样频率最多5kHz；以及同时将至少两个激励电压U1和U2施加到致动器的电极。
Description
技术领域
本发明包括一种根据权利要求1至10所述的超声电机的闭环运动控制的方法。
背景技术
具有由压电或电致伸缩或磁致伸缩材料制成的一个致动器或几个致动器的超声电机(ultrasonic motors，UM)由于其特定优点正取代如电磁驱动的传统驱动元件。在这种情况下，由于缺少齿隙，UM可以在亚纳米范围内实现更高的定位精度。此外，可以用比电磁系统更少的部件来设计和构造UM，从而使UM更紧凑。此外，UM消耗更少能量，并且其效率不会随尺寸急剧变化。通过UM，直接驱动是可能的，而不需要如齿轮组件的任何机械系统。除了前述的UM相对于电磁驱动的优点之外，UM是高动态驱动器。
通常，UM的运动是通过振动器或致动器(定子)与分别待驱动的主体或元件(转子或滑块)之间的摩擦相互作用产生的。总是分别存在非线性或死区，这是为了产生转子或滑块的第一运动而要超过的电压电平的阈值，即必须克服分离力或转矩。定子和转子的接触表面之间存在的接触摩擦是高度非线性现象。另外，相对于所述死区没有方向对称，并且死区的边界的位置是不可预测的，这导致相对于电压-速度特性的非线性和滞后。配合表面的静态摩擦特性与动态摩擦特性之间的差异甚至使上述的非线性恶化。
用于克服分离力的电压可以通过线性控制机构中的偏移值来补偿。有各种控制概念可在精密阶段获得高精度轨迹跟踪。但是，UM仍无法在摩擦值从静态变为动态或者从动态变为静态的混合摩擦区域中以小运动速度被精确地驱动。在生物医学设备、机械臂、医疗操作和显微镜检查阶段，特别需要尤其低速的精确的平滑运动。操作期间的无噪声驱动是上述应用的前提。这种非线性特征，特别是在低速驱动时，不仅总是与具有高定位误差的不连续粘滑运动有关，而且还与令人不愉快的吱吱声和噪声有关。当在低速时的频率与带有质量、弹簧和阻尼器的压电电机系统的固有频率匹配时，声音被特别放大。
US2006250047A1公开了一种用于分别具有两个驱动电极或端子的压电电机的开环低速驱动方法。这里，通过用同相的两个信号激励两个有源端子来产生第一振动模式，以及通过用反相的两个信号激励两个有源端子来产生第二振动模式。为了获得缓慢运动，利用同相且具有相同频率的电压信号同时激励两个端子，从而改变流向每个端子的电流的幅值。
对于在谐振频率处或谐振频率附近工作的压电元件，在压电元件上产生的振动的大小与流向该元件的电流成比例。通过改变流经每个端子的电流，可以调节每侧的振动幅度，从而调节在摩擦尖端(tip)的倾斜运动的方向。倾斜运动的方向与电机速度成比例地变化。根据需要，如果需要慢速，则选择与另一个端子相比有小差异的流往一个端子的电流，并且所产生的倾斜运动的方向接近90度。如果需要快速，则将倾斜运动的角度选择为与滑块元件成大约45度，这意味着选择与另一个端子相比有大差异的流往一个端子的电流。然而，具有几乎垂直于移动滑块元件的振动运动降低了诸如推拉力或扭矩的电机性能，并引起机械振动，从而导致令人不愉快的可听噪声。
从US 6747391 B1中已知一种具有通过来自两个独立电源的周期性控制电压馈送的两个驱动电极的压电电机的闭环运动控制的方法，其中两种振动模式被应用于压电致动器以获得更高的性能和更好的可控性。这里，单一的源方波输入被加载到压电致动器以同时从谐波中捕获两种谐振模式。然而，所述压电电机的精度，特别是在低速时，是差的。
发明内容
因此，本发明的任务在于提供一种超声电机的闭环运动控制的方法，该方法具有改进的定位精度和在低速时的不明显噪声产生。
所述任务通过根据权利要求1所述的方法解决，以下从属权利要求描述了本发明的至少合适的实施例。
具有位置反馈的闭环运动控制的本发明的方法旨在用于超声电机，该超声电机包括由压电或电致伸缩或磁致伸缩材料制成的至少一个致动器，该至少一个致动器具有摩擦装置或摩擦部、至少一个激励电极和至少一个公共电极，并且该超声电机另外包括待驱动元件。该超声电机还包括控制器和至少一个发电机，所述至少一个发电机用于产生待被同时施加到致动器的电极并由此产生致动器的振动的至少第一激励电压U1和第二激励电压U2，其中致动器的摩擦装置由于其振动而间歇地与待驱动元件接触并由此在待驱动元件上产生驱动力。
用于这种超声电机的本发明的方法包括以下步骤：提供由至少一个发电机产生的所述至少两个激励电压U1和U2，至少两个激励电压U1和U2具有不同频率，U1的频率对应于致动器的第一谐振频率，U2的频率对应于致动器的第二谐振频率，并且U1与U2之间的频率差偏离控制器的伺服采样频率最多5kHz，以及同时地或在同时分别将所述至少两个激励电压U1和U2施加到致动器的电极。
已知的UM的闭环运动控制通常以恒定的伺服采样频率运行，该伺服采样频率是一秒内完成的伺服周期的数量。在读取来自编码器的反馈(即位置反馈)之后，控制器通过分别在每个伺服周期或伺服采样周期开始时使用如比例积分微分(ProportionalIntegration Derivative，PID)的控制算法根据指令位置重新计算和调整驱动信号或电压对UM的新位置做出反应。具有调整后的驱动信号的UM响应此位置变化。控制器准备接收下一个反馈，并且位置控制周期重复。
UM通常在40kHz至500kHz范围内的谐振频率下工作，并且用于UM的典型运动控制器具有10kHz至20kHz的伺服采样频率，导致在运动控制器的一个单一的伺服采样周期内，致动器及其摩擦装置在工作频率下发生3至10次振荡。例如，假设一个单一的伺服采样周期内的第一次振荡超过静态摩擦力，并使转子或滑块移动。一旦滑块开始移动，在相同的伺服采样周期中的后续振荡产生滑块的进一步移动。这里，伺服采样周期结束时的运动量极有可能(过度)高于指令位置。由于摩擦非线性，运动量是不可预测的。这个问题，特别是在低速时，甚至严重影响滑块的定位精度。
根据本发明，通过使用由至少一个发电机产生的至少两个激励电压U1和U2的方法操作UM，以在致动器的两个不同谐振频率下激励至少两个本征频率模式。致动器所激励的两个谐振频率导致致动器的振动被调制，并且分别获得致动器或连接到该致动器的摩擦装置的混合振荡。摩擦装置的最终运动-其负责与摩擦装置间歇接触的待驱动元件的运动或移动-具有幅度和频率变化的两个三角分量。因此，摩擦装置的运动方向相对于时间而变化。前述的特定振荡分别抑制了在致动器或其摩擦装置与待驱动元件的接触表面处的摩擦的非线性。
由于激励电压U1和U2的频率差与伺服采样频率值类似，即U1与U2之间的频率差偏离控制器的伺服采样频率最多5kHz，因此，在一个闭环控制的采样时间(伺服回路或伺服周期)内，刚刚超过分离摩擦水平的UM的加速度可以被完全控制。
由于本发明的方法在类似于伺服回路或伺服周期的采样频率的两个不同的激励频率下利用至少两种谐振模式，因此，UM的运动，特别是在低速区域中，可以被控制在一个单一的伺服周期内。致动器或摩擦装置的运动可以分别在一个单一的伺服周期内开始和结束。当谐振模式中的至少一种负责高性能致动时，至少一种其他模式补偿了摩擦非线性。结果是，UM的定位精度在低速时被大大地提高。取决于压电板的几何形状、刚度和质量的两个本征频率之间的差不在可听范围内(即高于15kHz)。
由于上述的运动可以在一个单一的伺服周期内开始和结束的事实，因此，简化和增强了UM的可控性。由于减小了从一个伺服周期到下一个伺服周期的电压波动，因此，对于宽的速度范围需要更少的自适应参数。
本发明的方法还降低了一个单一的伺服周期内的平均加速度值，这是根据现有技术的驱动方法导致摩擦引起振动和噪声的主要原因。
通过应用本发明的驱动方法，利用最小的跟踪和轮廓误差，不仅可以跟踪简单的轨迹，而且可以跟踪位置和速度曲线的复杂图案，诸如圆形、弧形和椭圆形。另一方面，也可以使用如PID的线性控制算法来执行具有动态步进稳定特性的高精度扫描图案。
有利的是，至少两个交变激励电压U1和U2具有正弦、矩形或三角形波形，使得摩擦装置的最终运动具有幅度和频率不同的两个正弦三角分量。在正弦波形的情况下，有利的是，至少两个交变激励电压U1和U2可以用
和
表示，A1和A2为幅值，ω1和ω2为角频率，以及
和
为电压信号的相位角。
还有利的是，激励电压之间的频率差在15kHz与25kHz之间的范围内。
此外，有利的是，至少一个致动器为矩形压电板。这里，优选的是，致动器具有位于其主表面中的一个上的至少两个激励电极和位于其主表面中的另一个上的至少一个公共电极，其中第一激励电压U1被施加到激励电极中的至少一个，第二激励电压U2被施加到其他激励电极中的至少一个，并且公共电极接地。
然而，还可以优选的是，致动器具有位于其主表面中的一个上的至少两个激励电极和位于其主表面中的另一个上的至少一个公共电极，其中第一激励电压U1被施加到激励电极中的至少一个，第二激励电压U2被施加到其他激励电极中的至少一个，并且该至少一个公共电极被施加有第三激励电压U3，U3相对于第一激励电压U1或第二激励电压U2具有180°的相位差。
前面的表述矩形压电板的“主表面”描述了具有最大尺寸(即最大面积)的板的表面。
有利的是，超声电机包括至少两个致动器，其中该至少两个致动器由至少一个耦合元件组合。这里，可以证明有用的是，第一激励电压U1被施加到两个致动器中的一个，第二激励电压U2被施加到另一个致动器。还可以证明有用的是，至少两个致动器由两个耦合元件组合或连接，其中耦合元件中的一个由摩擦装置构建。
有利的是，第二激励信号的电压低于第一激励信号的电压。可以看出，第二激励信号的电压值与电机速度逆向相关。因此，第二电极的电压电平可以被针对电机速度进行调节。
附图说明
现将参照附图描述本发明：
图1分别示出UM的待驱动元件随时间变化的位置或运动的示意图，其中根据现有技术以0.2mm/s的速度对待驱动元件的运动进行PID闭环控制；
图2示出在操作期间作用在UM的致动器的摩擦装置上的力的示意图；
图3示出具有根据图1的待驱动元件的PID闭环控制运动的、UM的致动器随时间变化的力的图示；
图4分别示出UM的待驱动元件随时间变化的位置或运动的图示，其中根据现有技术以0.6mm/s的速度对待驱动元件的运动进行PID闭环控制；
图5示出具有根据图4的待驱动元件的PID闭环控制运动的UM的致动器随时间变化的力的图示；
图6示出用于应用本发明的驱动方法的UM的致动器的电连接的实施例的框图；
图7示出UM的待驱动元件随时间变化的位置的图示，其中，根据本发明以0.2mm/s的速度对待驱动元件的运动进行闭环控制；
图8示出具有根据图7的待驱动元件的闭环控制运动的UM的致动器随时间变化的力的图示；
图9分别示出UM的待驱动元件随时间变化的位置或运动的示意图，其中根据本发明以0.6mm/s的速度对待驱动元件的运动进行闭环控制；
图10示出具有根据图9的待驱动元件的闭环控制运动的UM的致动器随时间变化的力的图示；
图11示出在两个随后的伺服周期中具有待驱动元件的本发明的闭环控制运动的UM的致动器随时间变化的力的图示；
图12示出具有根据图11的在两个随后的伺服周期中的待驱动元件的本发明的闭环控制运动的UM的致动器随时间变化的加速度的示意图；
图13示出在两个随后的伺服周期中具有待驱动元件的本发明的闭环控制运动及所施加的电压之间具有相位差的、UM的致动器随时间变化的力的图示；
图14示出根据图13的在两个随后的伺服周期中具有待驱动元件的本发明的闭环控制运动及所施加的电压之间具有相位差的、UM的致动器随时间变化的加速度的示意图；
图15为分别示出两个谐振频率或本征频率的UM的致动器的阻抗图示；
图16示出根据图14的致动器的摩擦装置在应用本发明的驱动方法并激励致动器的两个本征频率时的运动轨迹；
图17示出在两个随后的伺服周期中具有待驱动元件的本发明的闭环控制运动且所施加的激励电压中的一个与另一个激励电压相比具有减小的电平的、UM的致动器随时间变化的力的图示；
图18示出根据图17的在两个随后的伺服周期中具有待驱动元件的本发明的闭环控制运动的、UM的致动器随时间变化的加速度的图示；
图19示出用于应用本发明的驱动方法的UM的致动器的电连接的实施例的框图；
图20示出旨在应用本发明的驱动方法的具有两个致动器的UM的实施例；
图21为示出用于应用本发明的驱动方法的根据图20的UM的致动器的电连接的实施例的框图。
具体实施方式
图1分别示出压电UM的待驱动元件随时间变化的位置或运动的图示，其中根据现有技术以0.2mm/s(毫米/秒)的速度对待驱动元件的运动进行PID闭环控制。从图1可以清楚地看出待驱动元件的运动的非线性响应，其中待驱动元件只能以Z字形图案跟踪指令位置轨迹，即运动阶段(这里，待驱动元件的运动发生)和没有待驱动元件的运动的非运动阶段的重复序列。
图2是说明在操作期间作用在UM的致动器的摩擦装置上的力的示意图。有两个外力作用在摩擦装置上(这里，通过附接到致动器的侧表面的摩擦元件实现)：一个是具有基本上垂直于摩擦元件所附接的侧表面的操作方向的法向力N，一个是由摩擦对(摩擦元件-待驱动元件)限定的摩擦力Ff，并且摩擦力Ff具有基本上平行于摩擦元件所附接的侧表面的操作方向。
由于致动器的激励，致动器执行传递到摩擦元件的周期性变形，导致致动器力或驱动力Facx，该致动器力或驱动力Facx的操作方向与摩擦力Ff的操作方向反平行。
此外，激励导致致动器的周期性变形，从而导致附加致动器力Facy，该附加致动器力Facy的操作方向平行于法向力的操作方向。所述致动器力Facy具有恒定值，并且减小了法向力的大小，从而也减小了摩擦力。
图3示出利用根据图1的方法和速度驱动的压电UM的压电致动器随时间变化的力的图示。从t＝0s开始，致动器力Facx线性上升直到其达到由摩擦对摩擦装置-待驱动元件确定的静态摩擦水平，然后急剧下降。在第一次达到静态摩擦水平之前，待驱动元件没有运动，这可以从图1中的相应时间间隔中收集到，其中位置时间曲线是水平的。在达到了静态摩擦水平之后，致动器力立即下降并降至动态摩擦水平的下限值以下。只要致动器力Facx的值高于动态摩擦水平，就存在待驱动元件的运动。
当致动器力降到动态摩擦水平以下时，待驱动元件停止其运动。随后，致动器力再次上升，并且当致动器力Facx达到静态摩擦水平时，待驱动元件的进一步运动再次开始，随后致动器力立即下降。再一次，仅存在待驱动元件的运动，直到致动器力降至动态摩擦水平以下。
前述的致动器力随时间变化的行为被重复多次，即每次致动器力Facx达到静态摩擦水平时，致动器力Facx立即下降并降至低于动态摩擦水平的值，随后再次上升直到达到静态摩擦水平。也就是说，致动器力Facx像正弦函数一样在静态摩擦水平与动态摩擦水平之间交变，其中，所述正弦形函数的频率取决于控制器的速度和PID参数。对于0.2mm/s的速度控制，正弦形致动器力变化的典型周期(即△T1)为40ms(毫秒)，导致这种变化的角频率ω0＝2π/△T1＝157。
图4分别示出压电UM的待驱动元件随时间变化的位置或运动的图示，其中根据现有技术以0.6mm/s的更高速度对待驱动元件的运动进行PID闭环控制。同样用这种更高的速度(与图1相比)，导致待驱动元件的运动的非线性响应，其中待驱动元件只能以Z字形图案再次跟踪指令位置轨迹，即待驱动元件的运动阶段和非运动阶段的重复序列，但是Z字形图案的幅度被大大地降低。
图5示出利用根据图4的方法和速度驱动的UM的压电致动器随时间变化的力的图示。与图3类似，每次致动器力Facx达到静态摩擦水平时，致动器力Facx立即下降并降至低于动态摩擦水平的值，随后再次上升直到达到静态摩擦水平。也就是说，致动器力Facx像正弦函数一样在静态摩擦水平与动态摩擦水平之间交变，其中所述正弦形函数的频率高于低速时的频率(参见图3)。这里，对于0.6mm/s的速度控制，正弦形致动器力变化的周期(即△T2)为18ms，导致这种变化的角频率ω0＝2π/△T2＝349。
前述的正弦形致动器力的变化导致摩擦引起振动。在低驱动速度下，所述振动的幅度急剧增加，并且这种增加的振动幅度导致可听噪声。最关键是力变化的频率与实施UM的驱动系统的谐振频率相匹配的速度。
图6示出用于应用本发明驱动方法的UM的压电致动器1的电连接的实施例的框图，该致动器具有以间隔方式设置在其主表面中的一个上的两个分开的激励电极3，以及设置在矩形致动器的另一个且相对的主表面上的一个公共电极4。当公共电极4接地时，两个激励电极3中的每一个同时施加有单独的电压。这里，图6中的左激励电极施加有由发电机6产生的等于
的电压U1，以及图6中的右激励电极同时施加有由不同且独立的发电机6产生的等于
的电压U2。U1的频率对应于致动器的第一谐振频率，U2的频率对应于致动器的第二谐振频率，并且U1与U2之间的频率差偏离控制器的伺服采样频率最多5kHz(千赫兹)。图6中的箭头表示致动器1的压电材料的极化方向。
图7示出压电UM的待驱动元件分别随时间变化的位置或运动的图示，其中根据本发明以0.2mm/s的速度对该待驱动元件的运动进行闭环控制，而图8示出对应于图7的图示的随时间变化的平均致动器力的图示。
与示出利用根据以相同速度(即0.2mm/s)的现有技术的方法移动的元件随时间变化的位置的图1和图3相比，通过图7可以清楚地看出，对于待驱动元件的测量位置没有Z字形图案。而是，在待驱动元件显示没有运动的非常短的初始延迟时段之后，发生测量位置的曲线到指令位置的曲线的快速调节，随后两条曲线显示出几乎完美的重叠。
随时间变化的平均致动器力的相应曲线显示，从时间t＝0s开始，线性增加的致动器力，当达到静态摩擦水平时，增加停止。在相应的时间，待驱动元件的运动开始。在达到静态摩擦水平之后，平均致动器力下降，但随后稳定在远高于动态摩擦水平的几乎时间常数的值上。也就是说，在短暂的调整过程之后，平均致动器力几乎保持稳定。这种行为与根据图3的随时间变化的致动器力行为非常不同。关于待移动元件的随时间变化的位置，几乎稳定的平均致动器力导致期望的线性行为。
图9和图10与图7和图8非常相似，唯一的区别是用于待移动元件的运动的更高指令速度，0.6mm/s。因此，关于图7和8的上述描述对图9和10也是有效的。同样，可以看出，在非常短的延迟时段之后，待移动元件的测量位置在任何时候都与指令位置相同或几乎相同(图9)，即待移动元件的指令位置与实际位置之间没有或几乎没有偏差。这种行为可以通过根据图10的相应的随时间变化的平均致动器力来解释，其中，在快速线性增加之后，平均致动器力达到静态摩擦水平，然后略有下降，以达到远高于动态摩擦水平的几乎完美的稳定水平。
图11的图示出在两个伺服周期内利用本发明的闭环控制运动的UM的压电致动器随时间变化的力，图11中的垂直线示出两个后续伺服周期之间的边界。从图11可以看出，致动器力Facx在每个伺服周期内被调制，这与现有技术不同，在现有技术中，伺服周期内致动器力的幅度具有稳定值，对于现有技术来说，不可能影响一个伺服周期内的致动器力的幅度水平。
在图11中，从时间t＝0s开始，致动器力的第一次振荡的幅度达到静态摩擦水平，而后续的振荡的幅度持续减小直至最小值，并且致动器力的随后的振荡的幅度持续上升直至幅度在后续的伺服周期开始后不久再次达到静态摩擦水平。
图12示出根据图11的随时间变化的致动器力行为的待驱动元件的加速度。从时间t＝0s开始，存在一个非常短的时段，其中加速度保持在零值，以在之后执行第一次逐步增加，使得所述第一次逐步增加在致动器力的第一次振荡的幅度达到静态摩擦水平时。尽管致动器力的随后的两次振荡的幅度低于第一次振荡的幅度(该幅度达到静态摩擦水平)，但是对于每个相应的振荡，还存在加速度的不同步进。幅度低于静态摩擦水平的随后振荡不会导致待驱动元件的进一步加速；而是，待驱动元件的加速度在相应的时间段内减小到零值。当致动器力的振荡幅度再次达到静态摩擦水平时，可以检测到加速度的下一次逐步增加。
这意味着，通过本发明的方法，在一个伺服周期内分别改变或调制致动器力振荡的幅度是可能的，因此，非常短的时间段内待驱动元件的加速度达到最大值是可实现的。
因此，由于致动器力的调节，可以获得一个伺服周期期间待驱动元件的小的位置变化。控制单元在随后的伺服采样时间内不需要大幅降低电压幅度来降低致动器力，使其小于制动程序的动态摩擦水平。利用本发明的方法，在一个伺服周期内待驱动元件不需要任何额外的制动动作即可停止。因此，提高了在低速时的运动可控性。不需要更高的控制参数来极大地降低电压以进行制动。
即使待驱动元件的运动在一个伺服周期内开始，但不在同一伺服周期内停止(从图13和14中可以收集到)，最大加速度将足够小，使得电机在下一个伺服周期开始时停止。两个振荡运动之间的相位差总是从一个伺服周期到下一个伺服周期发生变化。由于较低的平均加速度值，大大降低甚至完全消除了由摩擦引起振动所导致的低速吱吱声和噪声。
图15分别示出显示出两个谐振频率或本征频率的UM的致动器的阻抗图示。所述两个谐振频率彼此相差大约22kHz。
图16示出根据图15的压电致动器的摩擦装置在应用本发明的驱动方法并激励压电致动器的两个本征频率时的运动轨迹。摩擦装置的运动具有幅度和频率不同的两个正弦三角分量。因此，运动方向随时间而变化。通过使用这种驱动方法，摩擦装置尖端(tip)的致动器力以这样一种方式变化，从而可以容易地实现没有任何显著效率损失的高性能致动和没有任何噪音或吱吱声的低速运动。
图17的图示出UM的压电致动器的随时间变化的力，其中在两个伺服周期内具有本发明的闭环控制运动，以及用于激励第二谐振模式的电压相比于其他激励电压具有减小的电平；而图18的图示出压电致动器的相应的随时间变化的加速度。通过降低用于激励第二谐振模式的电压电平，可以实现UM的更高驱动性能。当与待驱动元件的速度成反比的用于激励第二谐振模式的电压降低时，第二谐振模式的影响以较高的速度减弱。这允许UM像在单相驱动的情况下致动。这样，上述高性能致动的驱动方法可以类似于致动单相驱动。因此，利用本发明的驱动方法也可以获得更高的速度和力。
图19对应于示出应用本发明的驱动方法的UM的压电致动器的电连接的实施例的框图。这里，激励电极中的每一个连接到单独的电压源，其中一个产生激励电压
另一个产生激励电压
U1和U2具有不同的频率，U1的频率对应于致动器的第一谐振频率，U2的频率对应于致动器的第二谐振频率，U1和U2之间的频率差偏离控制器的伺服采样频率最多5kHz。与激励电压U1反转的激励电压
被施加到致动器的公共电极。图19中的箭头表示致动器1的压电材料的极化方向。
图20示出具有两个压电致动器的UM的实施例，图21示出根据图20的用于应用本发明的驱动方法的UM的压电致动器的电连接的框图。
根据图20的UM包含两个相同的柱状压电致动器1，每个压电致动器1的一端部附接到共同的基部，该共同的基部代表由金属也可以是如塑料或结构陶瓷材料的其他材料制成的第一耦合元件7。两个致动器各自的另一端部通过由氧化物陶瓷制成的屋顶形摩擦装置2连接或耦合，该摩擦装置2代表第二耦合元件。致动器1被布置成并非平行定向；而是，致动器限定了它们之间的角度α，该角度α的值范围为30°至60°。
根据图21，致动器1或其电极3和4中的一个分别被施加电压
而另一个单独的致动器1或其电极3和4分别被同时施加电压
这里，每个致动器1具有一个激励电极3和一个公共电极4。图21中的箭头表示每个致动器1的压电材料的极化方向。
Claims (12)
1.超声电机的具有位置反馈的闭环运动控制的方法，所述超声电机包括至少一个致动器(1)，所述至少一个致动器(1)具有摩擦装置(2)、至少一个激励电极(3)和至少一个公共电极(4)，并且所述超声电机还包括待驱动元件(5)、控制器和至少一个发电机(6)，所述至少一个发电机(6)用于产生待被施加到所述致动器的所述电极并由此产生所述致动器的振动的至少第一激励电压U1和第二激励电压U2，其中所述致动器的所述摩擦装置由于其振动而间歇地与所述待驱动元件接触并由此在所述待驱动元件上产生驱动力，其中所述方法包括以下步骤：提供所述至少两个激励电压U1和U2，所述至少两个激励电压U1和U2具有不同频率，U1的频率对应于所述致动器的第一谐振频率，U2的频率对应于所述致动器的第二谐振频率，并且U1与U2之间的频率差偏离所述控制器的伺服采样频率最多5kHz；以及同时将所述至少两个激励电压U1和U2施加到所述致动器的所述电极。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少两个交变激励电压U1和U2具有正弦、矩形或三角形波形，使得所得到的所述摩擦装置的运动具有幅度和频率不同的两个正弦三角分量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述至少两个交变激励电压U1和U2具有正弦波形，
A1和A2为幅度，ω1和ω2为角频率，以及
和
为电压信号的相位角。
4.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述频率差在15kHz与25kHz之间的范围内。
5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个致动器为矩形压电板。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述致动器具有位于其主表面中的一个上的至少两个激励电极(3)和位于其主表面中的另一个上的至少一个公共电极(4)，其中所述第一激励电压U1被施加到所述激励电极(3)中的至少一个，所述第二激励电压U2被同时施加到其他激励电极(3)中的至少一个，并且所述公共电极(4)接地。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述致动器具有位于其主表面中的一个上的至少两个激励电极(3)和位于其主表面中的另一个上的至少一个公共电极(4)，其中所述第一激励电压U1被施加到所述激励电极(3)中的至少一个，所述第二激励电压U2被同时施加到其他激励电极(3)中的至少一个，并且至少一个公共电极(4)被同时施加有第三激励电压U3，U3相对于所述第一激励电压U1或所述第二激励电压U2具有180°的相位差。
8.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述超声电机包括至少两个致动器(1)，其中所述至少两个致动器由至少一个耦合元件(7)组合。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述摩擦装置(2)构成所述至少一个耦合元件(7)。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述超声电机包括两个致动器(1)，所述第一激励电压U1被施加到所述两个致动器中的一个，所述第二激励电压U2被施加到另一个致动器。
11.根据前述权利要求中的一项所述的超声电机的闭环运动控制的方法在生物医学设备或机械臂或医疗操作或显微镜检查阶段中的使用。
12.超声电机，包括至少一个致动器(1)，所述至少一个致动器(1)具有摩擦装置(2)、至少一个激励电极(3)和至少一个公共电极(4)，并且所述超声电机还包括待驱动元件(5)、用于具有位置反馈的闭环运动的控制器和至少一个发电机(6)，所述至少一个发电机(6)用于产生待被同时施加到所述致动器的所述电极并由此产生所述致动器的振动的至少第一激励电压U1和第二激励电压U2，其中所述致动器的所述摩擦装置由于其振动而间歇地与所述待驱动元件接触并由此在所述待驱动元件上产生驱动力，所述至少两个激励电压U1和U2具有不同频率，U1的频率对应于所述致动器的第一谐振频率，U2的频率对应于所述致动器的第二谐振频率，并且U1与U2之间的频率差偏离所述控制器的伺服采样频率最多5kHz。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113110163A (zh) * | 2021-04-13 | 2021-07-13 | 上海卫星工程研究所 | 扫描机构控制系统及其方法 |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102019001579B3 (de) * | 2019-03-06 | 2020-01-30 | Physik Instrumente (Pi) Gmbh & Co. Kg | Verfahren zum Betreiben eines elektromechanischen Elements, Aktor, Antriebsvorrichtung und Motor |
| EP3790183A1 (en) * | 2019-09-06 | 2021-03-10 | Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. Kg | Piezoelectric stick-slip-motor and method of controlling same |
| CN113437900A (zh) * | 2021-05-25 | 2021-09-24 | 南京航空航天大学 | 一种直线型压电超声电机及其驱动方法 |
| DE102021130298A1 (de) | 2021-11-19 | 2023-05-25 | Physik Instrumente (PI) GmbH & Co KG | Ultraschallantrieb |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1423405A (zh) * | 2001-11-29 | 2003-06-11 | 皇家菲利浦电子有限公司 | 压电驱动装置和用于压电驱动装置的调整方法 |
| US20060250047A1 (en) * | 2005-05-09 | 2006-11-09 | Canon Kabushiki Kaisha | Driving system for vibrating type actuator and method of driving vibrating type actuator |
| US20090224630A1 (en) * | 2007-03-16 | 2009-09-10 | Panasonic Corporation | Ultrasonic actuator |
| US20100213882A1 (en) * | 2009-02-09 | 2010-08-26 | Panasonic Corporation | Drive unit |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01107670A (ja) | 1987-07-01 | 1989-04-25 | Hitachi Ltd | アクチユエータ |
| EP0297574A3 (en) | 1987-07-01 | 1990-06-20 | Hitachi, Ltd. | Actuator which drives a driven member by using piezo-electric elements |
| US5237237A (en) | 1990-03-12 | 1993-08-17 | Seiko Epson Corporation | Ultrasonic motor and drive method |
| JPH08168274A (ja) | 1994-12-13 | 1996-06-25 | Canon Inc | 振動装置および超音波モータ |
| JPH09285149A (ja) | 1996-04-12 | 1997-10-31 | Nikon Corp | 振動アクチュエータ及びその駆動方法 |
| DE69836311T2 (de) * | 1997-12-12 | 2007-04-05 | Canon K.K. | Anregungsvorrichtung für einen Vibrationswellenantrieb |
| EP1131853B1 (en) | 1998-10-25 | 2008-01-09 | Nanomotion Ltd | Driver for piezoelectric motors |
| JP2000287467A (ja) * | 1999-03-31 | 2000-10-13 | Minolta Co Ltd | 圧電アクチュエータのサーボ制御装置 |
| JP5255851B2 (ja) * | 2008-01-21 | 2013-08-07 | 山洋電気株式会社 | 並列運転インバータ装置 |
| JP6291309B2 (ja) | 2014-03-27 | 2018-03-14 | 株式会社フコク | 振動アクチュエータの制御装置および制御方法 |
| DE102014225154B3 (de) | 2014-12-08 | 2016-03-03 | Physik Instrumente (Pi) Gmbh & Co. Kg | Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Motors |
-
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1423405A (zh) * | 2001-11-29 | 2003-06-11 | 皇家菲利浦电子有限公司 | 压电驱动装置和用于压电驱动装置的调整方法 |
| US20060250047A1 (en) * | 2005-05-09 | 2006-11-09 | Canon Kabushiki Kaisha | Driving system for vibrating type actuator and method of driving vibrating type actuator |
| US20090224630A1 (en) * | 2007-03-16 | 2009-09-10 | Panasonic Corporation | Ultrasonic actuator |
| US20100213882A1 (en) * | 2009-02-09 | 2010-08-26 | Panasonic Corporation | Drive unit |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113110163A (zh) * | 2021-04-13 | 2021-07-13 | 上海卫星工程研究所 | 扫描机构控制系统及其方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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