專利名稱：雙振動模態(tài)驅(qū)動的壓電陶瓷超聲波電機小波差動控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雙振動模態(tài)驅(qū)動的壓電陶瓷超聲波電機變速驅(qū)動控制方法，尤其是要求納米級定位精度的驅(qū)動控制方法。
背景技術(shù)：
雙振動模態(tài)驅(qū)動的壓電陶瓷超聲波電機是近年來發(fā)展起來的新型電機，其快速、高效、控制靈活、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點使其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大；由于其輸出功率不大、對環(huán)境無污染、體積小、連續(xù)驅(qū)動和步進驅(qū)動一體完成，所以更適用于儀器和微型器件加工機械領(lǐng)域，這些領(lǐng)域往往對定位精度有很高的要求。驅(qū)動有兩種情況一為位移長度已知，其可通過閉環(huán)控制實現(xiàn)要求的定位精度；另一為要求到達(dá)空間某位置，而位移長度未知，這時則要求高的開環(huán)控制精度；不論是哪種驅(qū)動，欲實現(xiàn)快速定位，均要求速度和步距有很好的“可控性”。
目前，雙振動模態(tài)驅(qū)動的壓電陶瓷超聲波電機采用的驅(qū)動方式之一，即交流驅(qū)動方式，是用一路39.6KHz的等幅正弦波電壓，同時激發(fā)電機定子的一階縱向振動模態(tài)和一階彎曲振動模態(tài)，使驅(qū)動頭沿橢圓形軌跡運動；當(dāng)滑塊與驅(qū)動頭壓緊時，滑塊即可在摩擦力驅(qū)動下沿直線方向運動；該壓電陶瓷超聲波電機內(nèi)有兩組電極，通過切換電壓施加的電極，可改變滑塊運動的方向。壓電陶瓷超聲波電機的驅(qū)動速度隨著驅(qū)動電壓幅值的增大而增大，但用上述方式控制驅(qū)動時，存在一個控制死區(qū)，即驅(qū)動電壓必須大于某一電壓值時，才有可能驅(qū)動滑塊，因此無法獲得納米級精確定位所要求的慢速運動，特別是不能做到整周期驅(qū)動，使開環(huán)驅(qū)動控制的定位精度受到很大影響。雙振動模態(tài)驅(qū)動的壓電陶瓷超聲波電機還有兩種驅(qū)動方式脈沖驅(qū)動和直流驅(qū)動。前者的步距由驅(qū)動脈沖的持續(xù)時間確定，因脈沖長度難以與驅(qū)動波的整周期匹配，實驗證明驅(qū)動步距不恒定，在開環(huán)控制時仍無法實現(xiàn)快速精確定位；后者的驅(qū)動范圍太小，只有300nm，僅能用于閉環(huán)控制時的精密調(diào)整。即使將上述三種驅(qū)動模式配合使用，速度和步距的“可控性”仍不理想，實現(xiàn)滿足要求的定位需花費較長時間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種雙振動模態(tài)驅(qū)動的壓電陶瓷超聲波電機小波差動控制方法，以提高速度和步距的“可控性”，縮短滑塊的定位時間，提高了滑塊的開環(huán)定位精度。
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明的方法的特點是
驅(qū)動電壓采用頻率為39.6KHz的由N個周期組成的小波電壓，以所述具有N個周期的小波電壓為一個驅(qū)動元，作為一個驅(qū)動元的小波電壓中至少有一個周期的波形的峰值大于死區(qū)電壓值，所述N值不小于3；兩個驅(qū)動元之間的時間間隔t可調(diào)，改變所述時間間隔t即改變小波電壓輸出速率，從而控制滑塊的運動速度；采用差動控制，將所述用于控制的小波電壓分兩路，以差動方式同時加到壓電陶瓷超聲波電機的兩組電極上，通過控制兩組電極上的小波電壓差值，即控制一階彎曲振動模態(tài)的幅度，以改變驅(qū)動頭的橢圓形運動軌跡。
本發(fā)明方法的特點也在于所述分成兩路的小波電壓，其中一路直接加在壓電陶瓷超聲波電機的一組電極上，另一路通過外加電容加在壓電陶瓷超聲波電機的另一組電極上，改變所述外加電容的大小，即調(diào)節(jié)加在電極上小波電壓的大小。
本發(fā)明方法通過控制驅(qū)動元的輸出速度，控制滑塊的運動速度；通過控制兩組電極上的小波電壓差值，改變滑塊位移的單步定位精度。采用本發(fā)明方法，雙振動模態(tài)驅(qū)動的壓電陶瓷超聲波電機完全可以在單一的交流控制模式下，實現(xiàn)滑塊速度和步距的“可控性”。
已有技術(shù)相比，本發(fā)明方法的有益效果體現(xiàn)在1、本發(fā)明方法可以使滑塊的運動速度任意降低，且運行平穩(wěn)。而已有技術(shù)中，用于低速運行的脈沖驅(qū)動模式，其脈沖寬度難以與驅(qū)動波的整周期匹配，所以驅(qū)動步距不是恒定的；已有技術(shù)中的交流控制模式，由于存在控制死區(qū)，滑塊的運動速度也無法任意降低。
2、本發(fā)明方法使滑塊定位精度比已有技術(shù)中的交流控制模式至少提高一個數(shù)量級；其單步定位精度與已有技術(shù)中的直流控制模式下的微調(diào)控制精度相媲美，但不存在直流控制模式下的壓電陶瓷固有的遲滯現(xiàn)象和蠕變現(xiàn)象，易于實現(xiàn)開環(huán)控制。已有技術(shù)中的直流控制模式下的壓電陶瓷，由于存在遲滯現(xiàn)象和蠕變現(xiàn)象，其定位精度需要通過閉環(huán)控制來保證。


圖1為雙振動模態(tài)驅(qū)動的壓電陶瓷超聲波電機基本架構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明方法小波差動控制系統(tǒng)示意圖。
圖3為本發(fā)明兩個驅(qū)動元小波電壓波形示意圖。
下面通過實施例，并結(jié)合附圖對本發(fā)明方法進一步說明。
實施例參見圖1，A、B、C為雙振動模態(tài)驅(qū)動的壓電陶瓷超聲波電機的三個電極，其中，A、C組成一組電極，B、C組成另一組電極；x為一階縱向振動模態(tài)，y為一階彎曲振動模態(tài)，z為一階縱向振動模態(tài)和一階彎曲振動模態(tài)復(fù)合的驅(qū)動頭1的橢圓形運動軌跡。
已有技術(shù)是將39.6KHz的正弦電壓Vac通過S1、S2方向切換開關(guān)，分別加在A、C電極上或B、C電極上，以控制滑塊2的運動方向；而滑塊2的運動速度則通過控制Vac的大小實現(xiàn)。
本實施例采用小波差動控制方法，系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，“波形合成電路”用于產(chǎn)生主頻為39.6KHz的小波電壓；“小波驅(qū)動元觸發(fā)控制電路”用于控制小波電壓輸出速度；“功率放大電路”對小波電壓進行功率放大；“升壓變壓器”用于將小波電壓升壓至能驅(qū)動壓電陶瓷電機工作時的電壓，升壓變壓器的參數(shù)與壓電陶瓷電機的等效電容在圖2中具有良好的諧振。A、B、C為雙振動模態(tài)驅(qū)動的壓電陶瓷超聲波電機的三個電極，A、C組成一組電極，B、C組成另一組電極；C0為外加可變電容，可連續(xù)調(diào)節(jié)、也可分幾檔進行調(diào)節(jié)；S1、S2開關(guān)同步切換，用于控制滑塊的運動方向。
壓電陶瓷超聲波電機的兩組電極等效為電容，因而改變外加電容的大小，可以調(diào)節(jié)加到電極上小波電壓的大小。本發(fā)明方法中，外加電容越大，一階彎曲振動模態(tài)的幅度就越小，但一階縱向振動模態(tài)的幅度不會隨一階彎曲振動模態(tài)的幅度變小而等量變小。這里，一階彎曲振動模態(tài)的幅度決定了滑塊的單步位移量。由此可見，增大外加電容，可以提高滑塊位移的單步定位精度。根據(jù)實際需要，電容的大小可以設(shè)置為連續(xù)可調(diào)，也可設(shè)置為幾檔。
控制方法由“波形合成電路”提供39.6KHz頻率的由N個周期組成的小波電壓，并以該N個周期的小波電壓為一個驅(qū)動元，圖3示出了兩個驅(qū)動元小波電壓波形，在每一個驅(qū)動元的小波電壓中至少有一個周期的波形的峰值大于死區(qū)的電壓值，其它周期的峰值小于死區(qū)電壓，兩個驅(qū)動元之間的時間間隔t可調(diào)，改變時間間隔t即改變小波電壓輸出速率，從而控制滑塊的運動速度，t值可以為零；將用于控制的小波電壓分兩路以差動方式同時加到壓電陶瓷超聲波電機的兩組電極上，其中一路小波電壓直接加在壓電陶瓷超聲波電機的一組電極上，另一路小波電壓通過外加電容加在壓電陶瓷超聲波電機的另一組電極上，改變所述外加電容的大小，即調(diào)節(jié)加在電極上小波電壓的大小，通過控制兩組電極上的小波電壓差值，即控制一階彎曲振動模態(tài)的幅度，以改變驅(qū)動頭的橢圓形運動軌跡，即由固定運動軌跡變?yōu)榭勺冞\動軌跡。
權(quán)利要求
1.雙振動模態(tài)驅(qū)動的壓電陶瓷超聲波電機小波差動控制方法，其特征是驅(qū)動電壓采用頻率為39.6KHz的由N個周期組成的小波電壓，以所述具有N個周期的小波電壓為一個驅(qū)動元，作為一個驅(qū)動元的小波電壓中至少有一個周期的波形的峰值大于死區(qū)電壓值，所述N值不小于3；兩個驅(qū)動元之間的時間間隔t可調(diào)，改變所述時間間隔t即改變小波電壓輸出速率，從而控制滑塊的運動速度；采用差動控制，將所述用于控制的小波電壓分兩路，以差動方式同時加到壓電陶瓷超聲波電機的兩組電極上，通過控制兩組電極上的小波電壓差值，即控制一階彎曲振動模態(tài)的幅度，以改變驅(qū)動頭的橢圓形運動軌跡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征是所述分成兩路的小波電壓，其中一路直接加在壓電陶瓷超聲波電機的一組電極上，另一路通過外加電容加在壓電陶瓷超聲波電機的另一組電極上，改變所述外加電容的大小，即調(diào)節(jié)加在電極上小波電壓的大小。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征是所述外加電容的大小設(shè)置為連續(xù)可調(diào)，或分設(shè)為幾檔可調(diào)。
全文摘要
雙振動模態(tài)驅(qū)動的壓電陶瓷超聲波電機小波差動控制方法，其特征是提供39.6KHz頻率的由N個周期組成的小波電壓，至少有一個周期的波形峰值大于死區(qū)電壓值，以小波電壓為一個驅(qū)動元，改變小波電壓輸出速率以控制滑塊的運動速度；將小波電壓分兩路以差動方式同時加到壓電陶瓷超聲波電機兩組電極上，控制兩組電極上的電壓差值以控制一階彎曲振動模態(tài)的幅度，從而改變驅(qū)動頭的橢圓形運動軌跡。本發(fā)明方法應(yīng)用于工作臺的納米級定位驅(qū)動控制，可任意降低滑塊的運動速度，并能提高滑塊的單步定位精度。
文檔編號H02N2/14GK1848654SQ20061004047
公開日2006年10月18日 申請日期2006年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月17日
發(fā)明者徐從裕, 余曉芬, 范偉 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)