CN114337366B - 自消除步态累积误差的压电电机以及驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自消除步态累积误差的压电电机，包括定子、动子和传动件，所述传动件与所述动子固定连接，所述定子包括纵向直线进给驱动器、横向进给驱动器以及啮合件，所述啮合件固定于所述横向进给驱动器的顶部，所述横向进给驱动器固定于所述纵向直线进给驱动器的顶部，所述动子底部开设有若干啮合槽，所述啮合槽与所述啮合件相适配。采用上述一种自消除步态累积误差的压电电机以及驱动方法，不需要设置传感器达到精准定位的效果，降低成本，运行可靠。

Description

自消除步态累积误差的压电电机以及驱动方法

技术领域

本发明涉及压电直线电机的精密驱动与定位技术领域，尤其是涉及一种自消除步态累积误差的压电电机以及驱动方法。

背景技术

压电电机具有响应速度快、结构简单以及不受电磁干扰等特点，在特殊环境下的精密驱动与定位系统中得到了广泛应用。现有压电的驱动原理基本都是通过摩擦界面的摩擦力进行传动，将压电定子的周期性的微运动转化为动子的步进式运动。然而由于摩擦力变化的复杂性以及摩擦界面的不确定性，这些电机的驱动方法都存在步态不一致性且步态误差具有累积性，这种步态累积误差需要通过复杂的闭环控制系统才能实现精确定位。复杂的闭环控制系统不仅需要高跨尺度高精密传感器和控制器，不仅仅提高了设备的成本，又增加了体积，限制了其微型化的发展，而且还会降低其在实际应用中的可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种自消除步态累积误差的压电电机以及驱动方法，不需要设置传感器达到精准定位的效果，同时降低成本。

为实现上述目的，本发明提供了一种自消除步态累积误差的压电电机，包括定子、动子和传动件，所述传动件与所述动子固定连接，其特征在于：所述定子包括纵向直线进给驱动器、横向进给驱动器以及啮合件，所述啮合件固定于所述横向进给驱动器的顶部，所述横向进给驱动器固定于所述纵向直线进给驱动器的顶部；

所述动子底部开设有若干啮合槽，所述啮合槽与所述啮合件相适配。

优选的，所述传动件为直线导轨，所述啮合件为定子齿，所述啮合槽为V型槽，所述横向进给驱动器为横向直线进给驱动器。

针对于直线电机的一种自消除步态累积误差的压电电机的驱动方法，具体步骤如下：

步骤Sa1：初始状态下，纵向直线进给驱动器和横向直线进给驱动器均保持断电状态，定子齿顶紧于动子的V型槽内，当定子齿无法与V型槽啮合，初始位的定位移误差Δd₀；

步骤Sa2：纵向直线进给驱动器保持断电，横向直线进给驱动器通电，使得定子齿移动一个齿距D的距离，动子的第一位移误差Δd₁；

步骤Sa3：纵向直线进给驱动器和横向直线进给驱动器均保持通电状态，使得定子齿竖直向下运动距离h，定子齿脱离V型槽，动子的第二位移误差Δd₂；

步骤Sa4：纵向直线进给驱动器保持通电，横向直线进给驱动器断电，使得定子齿回到初始水平位置，动子的第三位移误差Δd₃；

步骤Sa5：纵向直线进给驱动器断电，横向直线进给驱动器保持断电，当定子齿与动子的V型槽啮合时，在定子齿与动子的V型槽啮合作用下，动子移动补偿累积误差d_a1＝Δd₀+Δd₁+Δd₂+Δd₃，当定子齿与动子的V型槽无法啮合时，动子的第四位移误差Δd₄，重复步骤Sa2至Sa5补偿累积误差d_a2＝d_a1+Δd₄。

进一步的，在步骤Sa2中，动子步进总位移X₁＝D+Δd₀+Δd₁；

在步骤Sa3中，动子步进总位移X₂＝D+Δd₀+Δd₁+Δd₂。

在步骤Sa4中，动子步进总位移X₃＝D+Δd₀+Δd₁+Δd₂+Δd₃。

在步骤Sa5中，定子齿与动子的V型槽啮合的条件为0.5D＜d_a1+D＜1.5D，当定子齿与动子的V型槽无法啮合时，动子步进总位移X₄＝D+Δd₄。

优选的，所述传动件为转动轴，所述啮合件为公锥台，所述啮合槽为母锥槽，所述横向进给驱动器为横向旋转进给驱动器。

针对于旋转电机的一种自消除步态累积误差的压电电机的驱动方法，具体步骤如下：

步骤Sb1：初始状态下，纵向直线进给驱动器和横向旋转进给驱动器均保持断电状态，公锥台顶紧于动子的母锥槽内，实现电机断电自锁，当公锥台无法与母锥槽啮合，初始位的定位移误差Δθ₀。

步骤Sb2：纵向直线进给驱动器保持断电，横向旋转进给驱动器通电，使得公锥台旋转一个角度θ，动子的第一角度误差Δθ₁；

步骤Sb3：纵向直线进给驱动器和横向旋转进给驱动器均保持通电状态，使得公锥台竖直向下运动距离h，公锥台脱离母锥槽，动子的第二角度误差Δθ₂；

步骤Sb4：纵向直线进给驱动器保持通电，横向旋转进给驱动器断电，使得公锥台回到初始水平位置，动子的第三角度误差Δθ₃；

步骤Sb5：纵向直线进给驱动器断电，横向旋转进给驱动器保持断电，当公锥台与动子的母锥槽啮合时，在公锥台与动子的母锥槽啮合作用下，动子移动补偿累积误差θ_a1＝Δθ₀+Δθ₁+Δθ₂+Δθ₃，当公锥台与动子的母锥槽无法啮合时，动子的第四位移误差Δθ₄，重复步骤Sb2至Sb5，实现动子不断步进式转动，补偿累积误差θ_a2＝θ_a1+Δθ₄。

进一步的，在步骤Sb2中，动子步进总角度Y₁＝θ+Δθ₀+Δθ₁；

在步骤Sb3中，动子步进总角度Y₂＝θ+Δθ₀+Δθ₁+Δθ₂；

在步骤Sb4中，动子步进总角度Y₃＝θ+Δθ₀+Δθ₁+Δθ₂+Δθ₃；

在步骤Sb5中，公锥台与动子的母锥槽啮合的条件为0.5θ＜θ_a1+θ＜1.5θ，当公锥台与动子的母锥槽无法啮合时，动子步进总位移Y₄＝θ+Δθ₄。

因此，本发明采用上一种自消除步态累积误差的压电电机以及驱动方法，具有以下有益效果：

(1)、不需要设置高跨尺度高精密传感器和控制器，达到精准定位的效果，同时降低成本；

(2)、在运动过程中，通过啮合件与动子的啮合槽啮合作用，消除步态累积误差，达到定位误差小于齿距D或角度θ的精准控制。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1一种自消除步态累积误差的压电电机结构示意图；

图2为本发明实施例1驱动原理状态流程图；

图3为本发明实施例2一种自消除步态累积误差的压电电机结构示意图；

图4为本发明实施例2驱动原理状态流程图。

附图标记

1、定子；11、纵向直线进给驱动器；12、横向直线进给驱动器；13、定子齿；14、横向旋转进给驱动器；15、公锥台；2、动子；21、V型槽；22、母锥槽。

具体实施方式

实施例1

图1为本发明一种自消除步态累积误差的压电电机结构示意图，如图所示，一种自消除步态累积误差的压电电机，包括定子1、动子2和直线导轨，直线导轨(图中未画出)与动子2固定连接，用于驱动直线导轨的往复运动。定子1包括纵向直线进给驱动器11、横向直线进给驱动器12以及定子齿13，纵向直线进给驱动器11和横向直线进给驱动器12均采用压电堆叠驱动器，即通过通断电实现收缩和伸长。定子齿13固定于横向直线进给驱动器12的顶部，横向直线进给驱动器12固定于纵向直线进给驱动器11的顶部。动子2底部开设有若干并列设置的V型槽21，V型槽21与定子齿13相适配。

图2为本发明驱动过程状态流程图，如图所示，一种自消除步态累积误差的压电电机的驱动方法，具体步骤如下：

步骤Sa1：初始状态下，所述纵向直线进给驱动器11和所述横向直线进给驱动器12均保持断电状态，定子齿13顶紧于动子2的V型槽21内，实现电机断电自锁。当定子齿13无法与V型槽21啮合，初始位的定位移误差Δd₀。

步骤Sa2：纵向直线进给驱动器11保持断电，横向直线进给驱动器12通电，使得定子齿13移动一个齿距D的距离，动子2的第一位移误差Δd₁，因为动子2在前一过程有误差且误差具有累积性，则动子2步进总位移X₁＝D+Δd₀+Δd₁。

步骤Sa3：纵向直线进给驱动器11和横向直线进给驱动器12均保持通电状态，使得定子齿13竖直向下运动距离h，定子齿13脱离V型槽21，使得定子齿13与动子2运动互补干扰。在此过程中动子2几乎不动，动子2的第二位移误差Δd₂，因为动子2在前一过程有误差且误差具有累积性，则动子2步进总位移X₂＝D+Δd₀+Δd₁+Δd₂。

步骤Sa4：纵向直线进给驱动器11保持通电，横向直线进给驱动器12断电，使得定子齿13回到初始水平位置，动子2的第三位移误差Δd₃，因为动子2在前一过程有误差且误差具有累积性，则X₃＝D+Δd₀+Δd₁+Δd₂+Δd₃。

步骤Sa5：纵向直线进给驱动器11断电，横向直线进给驱动器12保持断电，当定子齿13与动子2的V型槽21啮合时，定子齿13与动子2的V型槽21啮合的条件为0.5D＜d_a1+D＜1.5D，当定子齿13与动子2的V型槽21无法啮合时，动子2步进总位移X₄＝D+Δd₄。在定子齿13与动子2的V型槽21啮合作用下，动子2移动补偿累积误差d_a1＝Δd₀+Δd₁+Δd₂+Δd₃，当定子齿13与动子2的V型槽21无法啮合时，动子2的第四位移误差Δd₄，重复步骤Sa2至Sa5，实现动子2不断步进式移动，由于Δd₄和Δd₀、Δd₁、Δd₂以及Δd₃无关，可以在下一步进周期进行消除，补偿累积误差d_a2＝d_a1+Δd₄，在此步骤中动子2的第四位移误差Δd₄在下一周期中作为初始位的定位移误差Δd₀进行迭代消除。

本实施例以向左驱动动子为例，若需向右驱动动子时，可以将上述步骤中的横箱进给驱动器12的向左进给改为向右进给，或者将上述定子‘向左-向下-向右-向上’的驱动过程改为‘向下-向左-向上-向右’驱动，仅仅为方向的改变，具体驱动原理相同在此不再详细描述。

实施例2

图3为本发明实施例2一种自消除步态累积误差的压电电机结构示意图，如图所示，本实施例与实施例1的区别在于传动件为转动轴(图中未画出)，啮合件为公锥台15，啮合槽为母锥槽22，横向进给驱动器为横向旋转进给驱动器14。

图4为本发明实施例2驱动原理状态流程图，如图所示，加黑线条为啮合状态，且为了便于观察旋转过程啮合部分仅仅画出其中一分部。针对于旋转电机的一种自消除步态累积误差的压电电机的驱动方法，具体步骤如下：

步骤Sb1：初始状态下，纵向直线进给驱动器11和横向旋转进给驱动器14均保持断电状态，公锥台15顶紧于动子2的母锥槽22内，实现电机断电自锁，当公锥台15无法与母锥槽22啮合，初始位的定位移误差Δθ₀。

步骤Sb2：纵向直线进给驱动器11保持断电，横向旋转进给驱动器14通电，使得公锥台15旋转一个角度θ，动子2的第一角度误差Δθ₁，因为动子2在前一过程有误差且误差具有累积性，则动子2步进总角度Y₁＝θ+Δθ₀+Δθ₁。

步骤Sb3：纵向直线进给驱动器11和横向旋转进给驱动器12均保持通电状态，使得公锥台15竖直向下运动距离h，公锥台15脱离母锥槽22，使得公锥台15与动子2运动互不干扰，动子2的第二角度误差Δθ₂，因为动子2在前一过程有误差且误差具有累积性，则动子步进总角度Y₂＝θ+Δθ₀+Δθ₁+Δθ₂。

步骤Sb4：纵向直线进给驱动器11保持通电，横向旋转进给驱动器14断电，使得公锥台15回到初始水平位置，动子2的第三角度误差Δθ₃，因为动子2在前一过程有误差且误差具有累积性，则动子2步进总角度Y₃＝θ+Δθ₀+Δθ₁+Δθ₂+Δθ₃。

步骤Sb5：纵向直线进给驱动器断电，横向旋转进给驱动器保持断电，当公锥台与动子的母锥槽啮合时，公锥台与动子的母锥槽啮合的条件为0.5θ＜θ_a1+θ＜1.5θ，在公锥台与动子的母锥槽啮合作用下，动子移动补偿累积误差θ_a1＝Δθ₀+Δθ₁+Δθ₂+Δθ₃，当公锥台与动子的母锥槽无法啮合时，动子的第四位移误差Δθ₄，重复步骤Sb2至Sb5，实现动子不断步进式转动，由于Δθ₄和Δθ₀、Δθ₁、Δθ₂以及Δθ₃无关，可以在下一步进周期进行消除，补偿累积误差θ_a2＝θ_a1+Δθ₄。当公锥台与动子的母锥槽无法啮合时，动子步进总位移Y₄＝θ+Δθ₄。

本实施例以逆时针驱动动子为例，若需顺时针驱动动子时，可以将上述步骤中的横箱进给驱动器12的逆时针进给改为顺时针进给，或者将上述定子‘向逆时针-向下-向右-向顺时针’的驱动过程改为‘向下-向逆时针-向上-向顺时针’驱动，仅仅为方向的改变，具体驱动原理相同在此不再详细描述。

因此，本发明采用上一种自消除步态累积误差的压电电机以及驱动方法，不需要设置传感器达到精准定位的效果，同时降低成本。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种自消除步态累积误差的压电电机，包括定子、动子和传动件，所述传动件与所述动子固定连接，其特征在于：所述定子包括纵向直线进给驱动器、横向进给驱动器以及啮合件，所述啮合件固定于所述横向进给驱动器的顶部，所述横向进给驱动器固定于所述纵向直线进给驱动器的顶部；

所述动子底部开设有若干啮合槽，所述啮合槽与所述啮合件相适配；

所述传动件为直线导轨或转动轴；

当所述传动件为直线导轨时，所述啮合件为定子齿，所述啮合槽为V型槽，所述横向进给驱动器为横向直线进给驱动器，驱动方法具体步骤为：

步骤Sa1：初始状态下，纵向直线进给驱动器和横向直线进给驱动器均保持断电状态，定子齿顶紧于动子的V型槽内，当定子齿无法与V型槽啮合，初始位的定位移误差Δd₀；

步骤Sa2：纵向直线进给驱动器保持断电，横向直线进给驱动器通电，使得定子齿移动一个齿距D的距离，动子的第一位移误差Δd₁；

步骤Sa3：纵向直线进给驱动器和横向直线进给驱动器均保持通电状态，使得定子齿竖直向下运动距离h，定子齿脱离V型槽，动子的第二位移误差Δd₂；

步骤Sa4：纵向直线进给驱动器保持通电，横向直线进给驱动器断电，使得定子齿回到初始水平位置，动子的第三位移误差Δd₃；

步骤Sa5：纵向直线进给驱动器断电，横向直线进给驱动器保持断电，当定子齿与动子的V型槽啮合时，在定子齿与动子的V型槽啮合作用下，动子移动补偿累积误差d_a1＝Δd₀+Δd₁+Δd₂+Δd₃，当定子齿与动子的V型槽无法啮合时，动子的第四位移误差Δd₄，重复步骤Sa2至Sa5补偿累积误差d_a2＝d_a1+Δd₄；

当所述传动件为转动轴时，所述啮合件为公锥台，所述啮合槽为母锥槽，所述横向进给驱动器为横向旋转进给驱动器。

2.根据权利要求1所述的一种自消除步态累积误差的压电电机，其特征在于：

在步骤Sa2中，动子步进总位移X₁＝D+Δd₀+Δd₁；

在步骤Sa3中，动子步进总位移X₂＝D+Δd₀+Δd₁+Δd₂；

在步骤Sa4中，动子步进总位移X₃＝D+Δd₀+Δd₁+Δd₂+Δd₃；

在步骤Sa5中，定子齿与动子的V型槽啮合的条件为0.5D＜d_a1+D＜1.5D，当定子齿与动子的V型槽无法啮合时，动子步进总位移X₄＝D+Δd₄。

3.一种基于上述权利要求1所述的一种自消除步态累积误差的压电电机的驱动方法，其特征在于，当所述传动件为转动轴时，具体步骤如下：

步骤Sb1：初始状态下，纵向直线进给驱动器和横向旋转进给驱动器均保持断电状态，公锥台顶紧于动子的母锥槽内，实现电机断电自锁，当公锥台无法与母锥槽啮合，初始位的定位移误差Δθ₀；

步骤Sb2：纵向直线进给驱动器保持断电，横向旋转进给驱动器通电，使得公锥台旋转一个角度θ，动子的第一角度误差Δθ₁；

步骤Sb3：纵向直线进给驱动器和横向旋转进给驱动器均保持通电状态，使得公锥台竖直向下运动距离h，公锥台脱离母锥槽，动子的第二角度误差Δθ₂；

步骤Sb4：纵向直线进给驱动器保持通电，横向旋转进给驱动器断电，使得公锥台回到初始水平位置，动子的第三角度误差Δθ₃；

步骤Sb5：纵向直线进给驱动器断电，横向旋转进给驱动器保持断电，当公锥台与动子的母锥槽啮合时，在公锥台与动子的母锥槽啮合作用下，动子移动补偿累积误差θ_a1＝Δθ₀+Δθ₁+Δθ₂+Δθ₃，当公锥台与动子的母锥槽无法啮合时，动子的第四位移误差Δθ₄，重复步骤Sb2至Sb5，实现动子不断步进式转动，补偿累积误差θ_a2＝θ_a1+Δθ₄。

4.根据权利要求3所述的一种自消除步态累积误差的压电电机的驱动方法，其特征在于：

在步骤Sb2中，动子步进总角度Y₁＝θ+Δθ₀+Δθ₁；

在步骤Sb3中，动子步进总角度Y₂＝θ+Δθ₀+Δθ₁+Δθ₂；

在步骤Sb4中，动子步进总角度Y₃＝θ+Δθ₀+Δθ₁+Δθ₂+Δθ₃；

在步骤Sb5中，公锥台与动子的母锥槽啮合的条件为0.5θ＜θ_a1+θ＜1.5θ，当公锥台与动子的母锥槽无法啮合时，动子步进总位移Y₄＝θ+Δθ₄。

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