CN115313909A - 基于充放电原理的断电位移可保持压电作动器及驱动方法 - Google Patents
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Abstract
基于充放电原理的断电位移可保持压电作动器及驱动方法，该压电作动器包括上套筒、下套筒、波纹预紧环、压电堆、垫片和预紧顶丝；上套筒和下套筒通过法兰盘用螺钉连为一体，波纹预紧环设置在上、下套筒连接形成的空腔内并通过螺钉固定在下套筒上底端，波纹预紧环和下套筒的底部中心分别设置有螺纹孔和通孔，波纹预紧环顶端伸出有输出杆，输出杆从上套筒中心通孔穿出；压电堆底端粘接有垫片，并设置在波纹预紧环中；顶丝旋入波纹预紧环底部中心的螺纹孔，旋紧或旋松顶丝可对压电堆进行不同程度地预紧。本发明还提供压电作动器输出位移可断电保持的驱动方法；本发明能够在驱动电压为零时，压电作动器仍能保持输出位移。
Description
技术领域
本发明属于作动器技术领域，具体涉及一种基于充放电原理的断电位移可保持压电作动器及驱动方法。
背景技术
大尺寸高精度空间天线与镜片是高通量卫星与高分辨率空间相机的核心组件，由于空间高低温和材料蠕变的影响，天线和镜片的尺寸增加与型面精度提升这一矛盾越来越突出，解决该矛盾的主要技术手段是采用空间结构形状在轨调节技术，该技术是在空间结构上布置较多数量的压电作动器，通过各作动器输出特定位移来调节空间结构形状，从而补偿服役环境温度变化与材料蠕变导致的结构形状变化，实现结构的高精度保形，然而，受限于压电材料在断电后其输出位移无法保持的特性，传统的压电作动器均需增设摩擦锁止机构实现断电位移保持，导致作动器结构笨重且体积大，可靠性低，无法大量布置在空间结构上，这种不足极大地限制了空间结构形状调节技术的在轨应用，阻碍了大尺寸高精度天线/镜片的研制进程。
发明内容
为解决传统位移可断电保持压电作动器体积笨重的问题，本发明目的在于提供一种基于充放电原理的断电位移可保持压电作动器及驱动方法，本发明所述压电作动器断电位移保持方法基于压电材料的电容特性，利用压电材料充放电过程产生应变输出，通过物理断开电源实现压电材料的充电电荷保持，从而获得压电输出应变的断电保持，该方法简化了作动器结构，从而获得相比于已有技术体积更小、质量更轻、可靠性更高的具有输出位移断电保持能力的压电作动器。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于充放电原理的断电位移可保持压电作动器，包括下套筒1、上套筒6、波纹预紧环3、压电堆4、预紧顶丝7和簧片继电器9；所述下套筒1和上套筒6连接，下套筒1和上套筒6连接后形成的空腔内设置有波纹预紧环3，所述波纹预紧环3左右两侧为波纹形柔性结构，顶端中心设有输出杆3-4穿出上套筒6，波纹预紧环3内放置压电堆4，压电堆4顶部和底部分别与波纹预紧环3内顶部和底部接触；所述下套筒1底端中心设置有中心通孔1-3，所述波纹预紧环3底端中心设有与中心通孔1-3圆心对齐的中心螺纹通孔3-3，所述预紧顶丝7穿入圆心对齐的中心螺纹通孔3-3和中心通孔1-3，顶端与压电堆4接触，通过旋入或旋出预紧顶丝7调节压电堆4在波纹预紧环3内的预紧程度；所述下套筒1对侧设有前出线孔1-4和后出线孔1-5，所述压电堆4的正端引线从下套筒1的前出线孔1-4引出成为压电作动器的正驱动端，压电堆4的负端引线从下套筒1的后出线孔1-5引出成为压电作动器的负驱动端；所述压电作动器的正驱动端连接簧片继电器9的一端，簧片继电器9另一端连接电源VDD的正端，压电作动器的负驱动端连接电源VDD的负端并作为电源的地参考点GND。
优选的，所述压电堆4的正端引线和负端引线分别从下套筒1的两侧引出，使得压电堆4的正端和负端引线之间具有较大的绝缘间距。
优选的，所述波纹预紧环3为采用一体化加工的构件。
优选的，所述预紧顶丝7与压电堆4间设置有保护垫片2以保护压电堆4不被预紧顶丝7损伤。
优选的，所述下套筒1为圆柱形，底部的中心通孔1-3两侧设置有左通孔1-1和右通孔1-2，顶端设置有圆形法兰盘，法兰盘圆周均匀设置有多个通孔；所述上套筒6为圆柱形，顶端中心设置有通孔6-1，波纹预紧环3的输出杆3-4从通孔6-1穿出，上套筒6下端设置有圆形法兰盘，圆形法兰盘圆周均匀设置有多个螺纹孔，所述上套筒1的圆形法兰盘与所述下套筒6的圆形法兰盘直径相同，并且二者法兰盘上的通孔与螺纹孔的位置一一对应，上螺钉5分别穿入位置一一对应的通孔与螺纹孔，从而将上套筒6和下套筒1固连。
优选的，所述波纹预紧环3底部的中心螺纹通孔3-3两侧分别设有左螺纹盲孔3-1和右螺纹盲孔3-2，所述波纹预紧环3底部的左螺纹盲孔3-1和右螺纹盲孔3-2分别与下套筒1底部的左通孔1-1和右通孔1-2圆心对齐供下螺钉8穿入，从而将波纹预紧环3和下套筒1固连。
所述基于充放电原理的断电位移可保持压电作动器的驱动方法，所述压电堆4具有负向最大驱动电压-Vc和正向最大驱动电压Vmax，其中Vmax>Vc，当压电堆4的驱动电压为0伏时,压电堆4充分放电并具有原始长度l0，由于压电堆4为容性负载，当压电堆4的驱动电压从0伏正向增加至Vmax时，压电堆4正向充电使其材料内部的铁电畴在电场作用下翻转至平行于压电堆长度方向，导致压电堆4伸长至最长长度lmax；当压电堆4的驱动电压从0伏负向减小至-Vc时，压电堆4反向充电使其材料内部的铁电畴在电场作用下翻转至垂直于压电堆长度方向，导致压电堆4收缩至最短长度lmin；所述压电作动器的正驱动端连接簧片继电器9的一端，簧片继电器9另一端连接电源VDD的正端，压电作动器的负驱动端连接电源VDD的负端并作为电源的地参考点GND，当所述簧片继电器9闭合，电源VDD输出电压为0伏时，开始旋紧预紧顶丝7，使压电堆4预紧并使得波纹预紧环3在预紧力下相应地变形伸长Δln，持续旋紧预紧顶丝7直至波纹预紧环3的变形伸长量Δln>l0-lmin时停止；为驱动压电作动器正向输出，簧片继电器9闭合，电源VDD输出电压从0伏开始正向增加至V1，压电堆4被正向充电从而伸长，在压电堆4的驱动力下波纹预紧环3进一步变形伸长，推动输出杆3-4正向输出位移Δl；为使压电作动器在电源VDD输出电压回到0V后仍能保持上述输出位移Δl，在电源VDD输出电压为V1时断开簧片继电器9使其正端物理断路，此时压电堆4的正端被浮置，由于压电堆4为容性负载且内阻极高，其充电电荷无良好泄放路径，使得压电堆4的正负端之间电压仍能长时间持续保持为V1，因此压电堆4的长度不会发生变化，从而实现了压电作动器在电源断电后保持输出位移的能力，上述驱动过程中电压V1≤Vmax；为驱动压电作动器负向输出，闭合簧片继电器9使正驱动端接通电源VDD，电源VDD输出电压从0伏开始负向减小至-V1，压电堆4被负向充电从而回缩，依靠波纹预紧环3的变形回复力拉动输出杆3-4负向输出位移-Δl；为使压电作动器在电源VDD输出电压回到0V后仍能保持上述输出位移-Δl，在电源VDD输出电压为-V1时断开簧片继电器9使其正端物理断路，此时压电堆4的正端被浮置，由于压电堆4为容性负载且内阻极高，其充电电荷无良好泄放路径，使得压电堆4的正负端之间电压仍能长时间持续保持为-V1，因此压电堆4的长度不会发生变化，从而实现了压电作动器在电源断电后保持输出位移的能力，上述驱动过程中电压V1≤Vc。
和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)不同于传统压电作动器必须通过保持驱动电压供电来维持输出位移的特性，本发明利用压电材料电容储存电荷的特性，在驱动电源输出非零时通过物理断开使压电作动器正驱动端浮置，进而使压电堆正负端电压继续保持，因此当驱动电源电压归为零时压电作动器仍可保持输出位移。
2)不同于基于压电形状记忆效应的断电位移可保持压电作动器必须先大幅冲过目标位移后才能返回保持在目标位移的驱动特性，也即过冲特性，本发明驱动过程不存在上述过冲。
3)本发明压电作动器正驱动端连接簧片继电器，因此可通过电控实现在指定时机连通和断开驱动电源，从而获得对压电堆的充放电控制，最终实现断电位移保持。
4)本发明压电作动器的压电堆正端引线和负端引线分别从下套筒的两侧引出，使得压电堆的正端和负端引线之间具有较大的绝缘间距，降低了正负端引线的耦合电导，使得当压电堆浮置时，提升了压电堆正负端之间电压的保持能力。
附图说明
图1为本发明基于充放电原理的断电位移可保持压电作动器结构图。
图2为下套筒结构图。
图3为上套筒结构图。
图4为压电堆与波纹预紧机构的装配结构图。
图5为本发明基于充放电原理的断电位移可保持压电作动器的驱动方法图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1、图2、图3和图4所示，本实施例基于充放电原理的断电位移可保持压电作动器，包括圆柱形的下套筒1、圆柱形的上套筒6、波纹预紧环3、压电堆4、预紧顶丝7、保护垫片2，上螺钉5和下螺钉8。所述下套筒1的底端中心设置有中心通孔1-3，中心通孔1-3两侧设置有左通孔1-1和右通孔1-2，，其圆柱侧对称设有前出线孔1-4和后出线孔1-5，其顶端设置有圆形法兰盘，圆形法兰盘圆周均匀设置有4个通孔。所述上套筒6的顶端中心设置有通孔6-1，下端设置有圆形法兰盘，圆形法兰盘圆周均匀设置有4个螺纹孔，所述上套筒1的圆形法兰盘与所述下套筒6的圆形法兰盘直径相同，并且二者法兰盘上的4个通孔与4个螺纹孔的位置一一对应，上螺钉5-分别穿入位置一一对应的4个通孔与4个螺纹孔，从而将上套筒6和下套筒1固连，上套筒6与下套筒1固连形成的空腔内设置有波纹预紧环3，所述波纹预紧环3为一体加工的构件，其左右两侧为波纹形柔性结构，波纹预紧环3底端中心设有中心螺纹通孔3-3，中心螺纹通孔3-3两侧分别设有左螺纹盲孔3-1和右螺纹盲孔3-2，波纹预紧环3顶端中心设有输出杆3-4。所述波纹预紧环3底端的左螺纹盲孔3-1、右螺纹盲孔3-2和中心螺纹通孔3-3分别与下套筒1底端的左通孔1-1、右通孔1-2和中心通孔1-3圆心对齐供下螺钉8穿入，从而将波纹预紧环3和下套筒1固连，预紧顶丝7穿入圆心对齐的中心螺纹通孔3-3和中心通孔1-3，预紧顶丝7的顶端穿出波纹预紧环3的底端与保护垫片2的一侧接触，保护垫片2的另一侧与压电堆4的底端接触，压电堆4的顶端与波纹预紧环3的顶端接触，通过旋入或旋出预紧顶丝7可调节压电堆4在波纹预紧环3内的预紧程度，所述压电堆4的正端引线从下套筒1的前出线孔1-4引出成为压电作动器正驱动端，压电堆4的负端引线从下套筒1的后出线孔1-5引出成为压电作动器正驱动端，所述纹预紧环3的输出杆3-4从上套筒6的中心通孔6-1穿出。
本发明压电堆的正端引线和负端引线分别从下套筒的两边引出，使得正负端引线之间具有较大的绝缘间距，降低了正负端引线的耦合电导，使得当压电堆浮置时，提升了压电堆正负端的电压保持能力。
作为本发明的优选实施方式，本发明波纹预紧环采用一体化加工技术进行制造，其依靠弹性变形提供回复驱动力，不会产生回程间隙位移。
如图1、图2、图3、图4和图5所示，基于充放电原理的断电位移可保持压电作动器的驱动方法，所述压电堆4具有负向最大驱动电压-Vc和正向最大驱动电压Vmax，其中Vmax>Vc，当压电堆4的驱动电压为0伏时,压电堆4充分放电并具有原始长度l0，由于压电堆4为容性负载，当压电堆4的驱动电压从0伏正向增加至Vmax时，压电堆4正向充电使其材料内部的铁电畴在电场作用下翻转至平行于压电堆长度方向，导致压电堆4伸长至最长长度lmax；当压电堆4的驱动电压从0伏负向减小至-Vc时，压电堆4反向充电使其材料内部的铁电畴在电场作用下翻转至垂直于压电堆长度方向，导致压电堆4收缩至最短长度lmin。如图5所示，所述压电作动器的正驱动端连接簧片继电器9的一端，簧片继电器9另一端连接电源VDD的正端，压电作动器的负驱动端连接电源VDD的负端并作为电源的地参考点GND，当所述簧片继电器9闭合，电源VDD输出电压为0伏时，开始旋紧预紧顶丝7，使压电堆4预紧并使得波纹预紧环3在预紧力下相应地变形伸长Δln，持续旋紧预紧顶丝7直至波纹预紧机构3的变形伸长量Δln>l0-lmin时停止。为驱动压电作动器正向输出，簧片继电器9闭合，电源VDD输出电压从0伏开始正向增加至V1，压电堆4被正向充电从而伸长，在压电堆4的驱动力下波纹预紧环3进一步变形伸长，推动输出杆3-4正向输出位移Δl。为使压电作动器在电源VDD输出电压回到0V后仍能保持上述输出位移Δl，在电源VDD输出电压为V1时断开簧片继电器9使其正端物理断路，此时压电堆4的正端被浮置，由于压电堆4为容性负载且内阻极高，其充电电荷无良好泄放路径，使得压电堆4的正负端之间电压仍能长时间持续保持为V1，因此压电堆4的长度不会发生变化，从而实现了压电作动器在电源断电后保持输出位移的能力，上述驱动过程中电压V1≤Vmax；为驱动压电作动器负向输出，闭合簧片继电器9使正驱动端接通电源VDD，电源VDD输出电压从0伏开始负向减小至-V1，压电堆4被负向充电从而回缩，依靠波纹预紧环3的变形回复力拉动输出杆3-4负向输出位移-Δl。为使压电作动器在电源VDD输出电压回到0V后仍能保持上述输出位移-Δl，在电源VDD输出电压为-V1时断开簧片继电器9使其正端物理断路，此时压电堆4的正端被浮置，由于压电堆4为容性负载且内阻极高，其充电电荷无良好泄放路径，使得压电堆4的正负端之间电压仍能长时间持续保持为-V1，因此压电堆4的长度不会发生变化，从而实现了压电作动器在电源断电后保持输出位移的能力，上述驱动过程中电压V1≤Vc；
本发明利用压电材料电容储存电荷的特性，通过控制簧片继电器物理断开驱动电源使压电作动器的正驱动端浮置，进而使压电堆正负端电压继续保持，因此，驱动电源电压为零时，压电作动器仍可保持其输出位移。
Claims (8)
1.一种基于充放电原理的断电位移可保持压电作动器，其特征在于：包括下套筒(1)、上套筒(6)、波纹预紧环(3)、压电堆(4)、预紧顶丝(7)和簧片继电器(9)；所述下套筒(1)和上套筒(6)连接，下套筒(1)和上套筒(6)连接后形成的空腔内设置有波纹预紧环(3)，所述波纹预紧环(3)左右两侧为波纹形柔性结构，顶端中心设有输出杆(3-4)穿出上套筒(6)，波纹预紧环(3)内放置压电堆(4)，压电堆(4)顶部和底部分别与波纹预紧环(3)内顶部和底部接触；所述下套筒(1)底端中心设置有中心通孔(1-3)，所述波纹预紧环(3)底端中心设有与中心通孔(1-3)圆心对齐的中心螺纹通孔(3-3)，所述预紧顶丝(7)穿入圆心对齐的中心螺纹通孔(3-3)和中心通孔(1-3)，顶端与压电堆(4)接触，通过旋入或旋出预紧顶丝(7)调节压电堆(4)在波纹预紧环(3)内的预紧程度；所述下套筒(1)对侧设有前出线孔(1-4)和后出线孔(1-5)，所述压电堆(4)的正端引线从下套筒(1)的前出线孔(1-4)引出成为压电作动器的正驱动端，压电堆(4)的负端引线从下套筒(1)的后出线孔(1-5)引出成为压电作动器的负驱动端；所述压电作动器的正驱动端连接簧片继电器(9)的一端，簧片继电器(9)另一端连接电源VDD的正端，压电作动器的负驱动端连接电源VDD的负端并作为电源的地参考点GND。
2.根据权利要求1所述的一种基于充放电原理的断电位移可保持压电作动器，其特征在于：所述压电堆(4)的正端引线和负端引线分别从下套筒(1)的两侧引出，使得压电堆(4)的正端和负端引线之间具有较大的绝缘间距。
3.根据权利要求1所述的一种基于充放电原理的断电位移可保持压电作动器，其特征在于：所述波纹预紧环(3)为采用一体化加工的构件。
4.根据权利要求1所述的一种基于充放电原理的断电位移可保持压电作动器，其特征在于：所述预紧顶丝(7)与压电堆(4)间设置有保护垫片(2)以保护压电堆(4)不被预紧顶丝(7)损伤。
5.根据权利要求1所述的一种基于充放电原理的断电位移可保持压电作动器，其特征在于：所述下套筒(1)为圆柱形，底部的中心通孔(1-3)两侧设置有左通孔(1-1)和右通孔(1-2)，顶端设置有圆形法兰盘，法兰盘圆周均匀设置有多个通孔；所述上套筒(6)为圆柱形，顶端中心设置有通孔(6-1)，波纹预紧环(3)的输出杆(3-4)通孔(6-1)穿出，上套筒(6)下端设置有圆形法兰盘，圆形法兰盘圆周均匀设置有多个螺纹孔，所述上套筒(1)的圆形法兰盘与所述下套筒(6)的圆形法兰盘直径相同，并且二者法兰盘上的通孔与螺纹孔的位置一一对应，上螺钉(5)分别穿入位置一一对应的通孔与螺纹孔，从而将上套筒(6)和下套筒(1)固连。
6.根据权利要求5所述的一种基于充放电原理的断电位移可保持压电作动器，其特征在于：所述波纹预紧环(3)底部的中心螺纹通孔(3-3)两侧分别设有左螺纹盲孔(3-1)和右螺纹盲孔(3-2)，所述波纹预紧环(3)底部的左螺纹盲孔(3-1)和右螺纹盲孔(3-2)分别与下套筒(1)底部的左通孔(1-1)和右通孔(1-2)圆心对齐供下螺钉(8)穿入，从而将波纹预紧环(3)和下套筒(1)固连。
7.权利要求1-6任一项所述基于充放电原理的断电位移可保持压电作动器的驱动方法，其特征在于：所述压电堆(4)具有负向最大驱动电压-Vc和正向最大驱动电压Vmax，其中Vmax>Vc，当压电堆(4)的驱动电压为0伏时,压电堆(4)充分放电并具有原始长度l0，由于压电堆(4)为容性负载，当压电堆(4)的驱动电压从0伏正向增加至Vmax时，压电堆(4)正向充电使其材料内部的铁电畴在电场作用下翻转至平行于压电堆长度方向，导致压电堆(4)伸长至最长长度lmax；当压电堆4的驱动电压从0伏负向减小至-Vc时，压电堆(4)反向充电使其材料内部的铁电畴在电场作用下翻转至垂直于压电堆长度方向，导致压电堆(4)收缩至最短长度lmin；所述压电作动器的正驱动端连接簧片继电器(9)的一端，簧片继电器(9)另一端连接电源VDD的正端，压电作动器的负驱动端连接电源VDD的负端并作为电源的地参考点GND，当所述簧片继电器(9)闭合，电源VDD输出电压为0伏时，开始旋紧预紧顶丝(7)，使压电堆(4)预紧并使得波纹预紧环(3)在预紧力下相应地变形伸长Δln，持续旋紧预紧顶丝(7)直至波纹预紧环(3)的变形伸长量Δln>l0-lmin时停止；为驱动压电作动器正向输出，簧片继电器(9)闭合，电源VDD输出电压从0伏开始正向增加至V1，压电堆(4)被正向充电从而伸长，在压电堆(4)的驱动力下波纹预紧环(3)进一步变形伸长，推动输出杆(3-4)正向输出位移Δl；为使压电作动器在电源VDD输出电压回到0V后仍能保持上述输出位移Δl，在电源VDD输出电压为V1时断开簧片继电器(9)使其正端物理断路，此时压电堆(4)的正端被浮置，由于压电堆(4)为容性负载且内阻极高，其充电电荷无泄放路径，使得压电堆(4)的正负端之间电压仍能长时间持续保持为V1，因此压电堆(4)的长度不会发生变化，从而实现了压电作动器在电源断电后保持输出位移的能力，上述驱动过程中电压V1≤Vmax；为驱动压电作动器负向输出，闭合簧片继电器(9)使正驱动端接通电源VDD，电源VDD输出电压从0伏开始负向减小至-V1，压电堆(4)被负向充电从而回缩，依靠波纹预紧环(3)的变形回复力拉动输出杆(3-4)负向输出位移-Δl；为使压电作动器在电源VDD输出电压回到0V后仍能保持上述输出位移-Δl，在电源VDD输出电压为-V1时断开簧片继电器(9)使其正端物理断路，此时压电堆(4)的正端被浮置，由于压电堆(4)为容性负载且内阻极高，其充电电荷无良好泄放路径，使得压电堆(4)的正负端之间电压仍能长时间持续保持为-V1，因此压电堆(4)的长度不会发生变化，从而实现了压电作动器在电源断电后保持输出位移的能力，上述驱动过程中电压V1≤Vc。
8.根据权利要求7所述基于充放电原理的断电位移可保持压电作动器的驱动方法，其特征在于：压电作动器的正驱动端与驱动电源VDD之间串接了一个簧片继电器(9),簧片继电器(9)的闭合与断开是通过电信号控制。
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