專利名稱：慣性壓電馬達的低電壓控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種壓電步進器的控制方法，特別涉及一種慣性壓電步進器的低電壓控制方法，屬于壓電定位器技術領域。
背景技術：
壓電馬達的種類很多，但原理上都是依靠壓電體對動子產生重復累加的壓電移動來推動動子相對于定子步進的。壓電馬達因同時具有毫米以上的宏觀大行程和納米甚至埃米級超高精度而廣泛應用于相機光路調節(jié)、顯微鏡鏡頭納米精度調焦、原子分辨率的掃描探針顯微鏡，以及現代光學、微電子制造、航空航天、超精密機械制造、微機器人、地震測量， 生物、醫(yī)學、遺傳工程(參見吉林大學壓電驅動與控制技術研究中心劉建芳，楊志剛，程光明和華順明2004年發(fā)表于《中國電機工程學報》第M卷第004期第102頁的題為“壓電驅動精密直線步進電機研究”的論文)，是非常重要的納米科技與國家戰(zhàn)略重點領域工具。慣性壓電馬達(簡稱慣性馬達)是一類重要的、應用廣泛的、已獲得巨大商業(yè)成功的壓電馬達。其工作原理為動子(質量塊)通過摩擦力設置于壓電體上，壓電體利用壓電形變先沿一個方向推動動子產生位移，再快速調頭，利用快速調頭時的巨大加速度產生作用于動子的巨大慣性力，該慣性力克服摩擦力使動子步進(滑動)。常用的壓電馬達控制信號波形包括兩大類，參見附圖1 :(1)鋸齒波(參見D. W. Pohl于1987年發(fā)表于Rev. Sci. Instrum.第58卷第M頁的論文)，O)正反雙曲線波形(參見Ch. Renner等于1990年發(fā)表于Rev. Sci. Instrum.第61卷第965頁)。至今，人們對這兩類波形工作的細致原理仍不十分了解，不僅對二者孰優(yōu)孰劣都存在重大爭議(參見Ch. Rermer等于1990年發(fā)表于Rev. Sci. Instrum.第 61 卷第 965 頁，W. R. Silviera 等于 2003 年發(fā)表于 Rev. Sci. Instrum.上第74卷第267頁)，甚至在相似結構的慣性馬達上得出完全相反的結論(參見Ch. Renner 等于1990年發(fā)表于Rev. Sci. Instrum.第61卷第965頁，W. R. Silviera等于2003年發(fā)表于Rev. Sci. Instrum.上第74卷第267頁)，就更不用談如何改進了。而實際上，我們不僅需要徹底理解慣性馬達的原理細節(jié)，更要找出最有效的控制波形，從而能以普通的低電壓運算放大器(工業(yè)標準供電電壓為士 18V)就可控制其行走而不需要所謂的高壓運算放大器。這不僅能大大降低成本，而且低壓運算放大器在噪音、控制精度、溫漂等各個重要參數上都優(yōu)于高壓運算放大器，使慣性馬達的控制精度大大提高，滿足原子、甚至亞原子分辨率的要求。而現狀是現有的慣性馬達多是高壓控制。在本發(fā)明中，我們根據大量的實驗比較，得到了一個令人吃驚的結果“快速調頭” 不是最有利于慣性行走的！調頭前一定程度的延遲可大大提高行走速度和降低啟動電壓， 參見附圖2。此外，調頭之后如果立即開始下一步行走過程也不利于慣性行走，中間延遲一段時間可大大改善行走速度和降低啟動電壓，參見附圖2。這些奇怪的現象我們可用壓電效應的蠕變(craping)特性解釋，并給出了改進的慣性馬達控制波形
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的為了解決現有慣性壓電馬達需用高電壓控制以及由此帶來的不利影響，提供一種慣性壓電馬達的低電壓控制方法。本發(fā)明實現上述目的的技術方案是本發(fā)明慣性壓電馬達的低電壓控制方法的特點是以如下順序的三階段時域控制信號驅動慣性壓電馬達的壓電體，完成一次步進第一階段控制信號的平均斜率為Kl且Kl大于0 ；第二階段控制信號的平均斜率為K2且K2大于0且K2小于Kl且該階段的持續(xù)時間在1微秒至400微秒之間；第三階段控制信號的平均斜率為K3且K3為負值，其絕對值|K3|大于能使慣性壓電馬達產生慣性滑動的啟動值IKminI。所述的第一和第二階段控制信號拼成一段廠字形波形。所述的第一和第二階段控制信號拼成一段正弦波形。本發(fā)明慣性壓電馬達的低電壓控制方法的特點還可以是以如下順序的三階段時域控制信號驅動慣性壓電馬達的壓電體，完成一次步進第一階段控制信號的平均斜率為Kl且Kl小于0 ；第二階段控制信號的平均斜率為Κ2且Κ2小于0且Κ2大于Kl且該階段的持續(xù)時間在1微秒至400微秒之間；第三階段控制信號的平均斜率為Κ3且Κ3為正值，其值Κ3大于能使慣性壓電馬達產生慣性滑動的啟動值I Kmin |。所述的第一和第二階段控制信號拼成一段倒廠字形波形。本發(fā)明慣性壓電馬達的低電壓控制方法的特點還可以是以如下順序的三階段時域控制信號驅動慣性壓電馬達的壓電體，完成一次步進第一階段控制信號的平均斜率為Kl且Kl大于0 ；第二階段控制信號的平均斜率為Κ2且Κ2為負值，其絕對值IΚ2 |大于能使慣性壓電馬達產生慣性滑動的啟動值IKminI ；第三階段控制信號的平均斜率為Κ3，Κ3大于等于0且小于Kl且該階段的持續(xù)時間大于200微秒。本發(fā)明慣性壓電馬達的低電壓控制方法的特點還可以是以如下順序的三階段時域控制信號驅動慣性壓電馬達的壓電體，完成一次步進第一階段控制信號的平均斜率為Kl且Kl小于0 ；第二階段控制信號的平均斜率為Κ2且Κ2為正值，其絕對值IΚ2 |大于能使慣性壓電馬達產生慣性滑動的啟動值IKminI ；第三階段控制信號的平均斜率為Κ3，Κ3小于等于0且大于Kl且該階段的持續(xù)時間大于200微秒。本發(fā)明慣性壓電馬達的低電壓控制方法的特點還可以是以如下順序的四階段時域控制信號驅動慣性壓電馬達的壓電體，完成一次步進第一階段控制信號的平均斜率為Kl且Kl大于0 ；第二階段控制信號的平均斜率為Κ2且Κ2大于0且Κ2小于Kl且該階段的持續(xù)時間在1微秒至400微秒之間；
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第三階段控制信號的平均斜率為K3且K3為負值，其絕對值IK3 |大于能使慣性壓電馬達產生慣性滑動的啟動值IKminI。第四階段控制信號的平均斜率為K3，K3大于等于0且小于Kl且該階段的持續(xù)時間大于200微秒。 所述的第一和第二階段控制信號可拼成一段正弦信號?；蛘?，上一周期的第四階段控制信號和本周期的第一和第二階段控制信號拼成一段正弦信號。本發(fā)明慣性壓電馬達的低電壓控制方法的特點還可以是以如下順序的四階段時域控制信號驅動慣性壓電馬達的壓電體，完成一次步進第一階段控制信號的平均斜率為Kl且Kl小于0 ；第二階段控制信號的平均斜率為K2且K2小于0且K2大于Kl且該階段的持續(xù)時間在1微秒至400微秒之間；第三階段控制信號的平均斜率為K3且K3為正值，其值K3大于能使慣性壓電馬達產生慣性滑動的啟動值I Kmin I。第四階段控制信號的平均斜率為K3，K3小于等于0且大于Kl且該階段的持續(xù)時間大于200微秒。本發(fā)明的工作原理為控制信號的第一階段為爬坡信號，壓電體在此爬坡信號的控制下沿步進方向逐漸伸長。由于這段爬坡信號足夠緩而不足以克服動子的最大靜摩擦力，所以，動子不會相對于壓電體滑動(步進)，而是隨壓電體一同移動并具有一定的速度。控制信號的第二階段雖為一段緩變信號，參見附圖2，但壓電體的蠕變特性使得壓電體的移動不是立即隨之放緩，而是依然繼續(xù)獲得較高的速度和較大的位移量。控制信號的第三階段為迅速調頭信號，由于此時動體已獲得了較高的速度并獲得了較大的位移量，此時的迅猛調頭能產生更大的慣性力和更長的慣性力持續(xù)時間。這就能使動體的啟動電壓降低(因為慣性力大)和步進速度提高(因為不僅慣性力大，且持續(xù)時間更長)，從而實現了本發(fā)明的目的。若按照傳統(tǒng)的慣性馬達控制波形，略去第二階段的緩變信號而立即由第一階段進入第三階段的快速調頭信號(參見附圖1)，則一方面動子的位移量較小，調頭產生的慣性力的持續(xù)的時間較短，步進變慢；另一方面動子的位移量較小也導致回撤的勢變小，回撤無力，導致需要較高的電壓才能使慣性力克服摩擦力而啟動；此外，動子因為沒有較長的位移量來加速，其在調頭時的初速度較低，也導致慣性力較低(啟動電壓較高)。根據我們的實際測量數據，添加了第二階段的緩變信號信號之后，啟動電壓降低20%左右，而步進速度則提高30-40%。當然，如果第二階段的等待時間太長，會使動體的移動減速，就會在第三階段快速調頭時因為初速度較低而慣性力減小。根據我們的實驗數據，等待時間為1到400微秒之間比較合適。類似地，在快速調頭之后，也需要一段時間的等待(參見附圖5)，等慣性力的作用全部結束之后再開始下一次步進，否則步進效果較差。根據我們的實驗數據，這段等待時間在200微秒以上為宜。根據上述原理可以看出，與已有技術相比，本發(fā)明的有益效果體現在(1)顯著降低慣性壓電馬達的啟動電壓。(2)顯著增加慣性壓電馬達的的步進速度和步長。
(3)使慣性壓電馬達工作更加可靠。


圖1是傳統(tǒng)無等待的慣性壓電馬達控制方法的兩個常用波形示意圖。圖2是本發(fā)明左等待的慣性壓電馬達的低電壓控制方法的波形示意圖。圖3是本發(fā)明廠字波形左等待的慣性壓電馬達的低電壓控制方法的波形示意圖。圖4是本發(fā)明倒廠字波形左等待的慣性壓電馬達的低電壓控制方法的波形示意圖。圖5是本發(fā)明右等待的慣性壓電馬達的低電壓控制方法的波形示意圖。圖6是本發(fā)明左右等待的慣性壓電馬達的低電壓控制方法的波形示意圖。圖中標號1第一階段控制信號、2第二階段控制信號、3第三階段控制信號、4第四階段控制信號。以下通過具體實施方式
和結構附圖對本發(fā)明作進一步的描述。
具體實施例方式實施例1 左等待的慣性壓電馬達的低電壓控制方法參見附圖2，本發(fā)明左等待的慣性壓電馬達的低電壓控制方法的特征是以如下順序的三階段時域控制信號驅動慣性壓電馬達的壓電體，完成一次步進第一階段控制信號1的平均斜率為Kl且Kl大于0 ；第二階段控制信號2的平均斜率為K2且K2大于0且K2小于Kl且該階段的持續(xù)時間在1微秒至400微秒之間；第三階段控制信號3的平均斜率為K3且K3為負值，其絕對值| K3 |大于能使慣性壓電馬達產生慣性滑動的啟動值IKminI。其工作原理為控制信號的第一階段1為爬坡信號，壓電體在此爬坡信號的控制下沿步進方向逐漸伸長。由于這段爬坡信號足夠緩而不足以克服動子的最大靜摩擦力，所以，動子不會相對于壓電體滑動(步進)，而是隨壓電體一同移動并具有一定的速度?？刂菩盘柕牡诙A段2雖為一段緩變信號，但壓電體的蠕變特性使得壓電體的移動不是立即隨之放緩，而是依然繼續(xù)獲得較高的速度和較大的位移量。控制信號的第三階段3為迅速調頭信號，由于此時動體已獲得了較高的速度并獲得了較大的位移量，此時的迅猛調頭能產生更大的慣性力和更長的慣性力持續(xù)時間。這就能使動體的啟動電壓降低(因為慣性力大)和步進速度提高(因為不僅慣性力大，且持續(xù)時間更長)，從而實現了本發(fā)明的目的。若按照傳統(tǒng)的慣性馬達控制波形，略去第二階段2的緩變信號而立即由第一階段進入第三階段3的快速調頭信號，則一方面動子的位移量較小，調頭產生的慣性力的持續(xù)的時間較短， 步進變慢；另一方面動子的位移量較小也導致回撤的勢變小，回撤無力，導致需要較高的電壓才能使慣性力克服摩擦力而啟動；此外，動子因為沒有較長的位移量來加速，其在調頭時的初速度較低，也導致慣性力較低(啟動電壓較高)。根據我們的實際測量數據，添加了第二階段2的緩變信號信號之后，啟動電壓降低20 %左右，而步進速度則提高30-40 %。當然， 如果第二階段2的等待時間太長，會使動體的移動減速，就會在第三階段3快速調頭時因為初速度較低而慣性力減小。根據我們的實驗數據，等待時間為1到400微秒之間比較合適。
本實施例中的第一階段控制信號可以為直線上升波形，見附圖2，也可為漸陡上升波形并與水平的第二階段控制信號拼成一段廠字形波形，見附圖3。實施例2 左等待的反向慣性壓電馬達的低電壓控制方法如果定義上述實施例1的控制方法為控制本發(fā)明慣性壓電馬達的正向步進，則本實施例是控制其反向步進，其特征是以如下順序的三階段時域控制信號驅動慣性壓電馬達的壓電體，完成一次步進第一階段控制信號1的平均斜率為Kl且Kl小于0 ；第二階段控制信號2的平均斜率為K2且K2小于0且K2大于Kl且該階段的持續(xù)時間在1微秒至400微秒之間；第三階段控制信號3的平均斜率為K3且K3為正值，其值K3大于能使慣性壓電馬達產生慣性滑動的啟動值IKminI。本實施例的工作原理同實施例1，只是步進方向相反。本實施例中的第一階段控制信號可以為直線下降波形，也可為漸陡下降波形并與水平的第二階段控制信號拼成一段廠字形波形，見附圖4。實施例3 右等待的慣性壓電馬達的低電壓控制方法類似于上述實施例1和2，在快速調頭之后，也需要一段時間的等待，等慣性力的作用全部結束之后再開始下一次步進，否則步進效果較差。根據我們的實驗數據，這段等待時間在200微秒以上為宜。所以，參見附圖5，本實施例右等待的慣性壓電馬達的低電壓控制方法的特征是以如下順序的三階段時域控制信號驅動慣性壓電馬達的壓電體，完成一次步進第一階段控制信號1的平均斜率為Kl且Kl大于0 ；第二階段控制信號2的平均斜率為K2且K2為負值，其絕對值IK2 |大于能使慣性壓電馬達產生慣性滑動的啟動值IKminI ；第三階段控制信號3的平均斜率為K3，K3大于等于0且小于Kl且該階段的持續(xù)時間大于200微秒。實施例4 右等待的反向慣性壓電馬達的低電壓控制方法如果定義上述實施例3的控制方法為控制本發(fā)明慣性壓電馬達的正向步進，則本實施例是控制其反向步進，其特征是以如下順序的三階段時域控制信號驅動慣性壓電馬達的壓電體，完成一次步進第一階段控制信號1的平均斜率為Kl且Kl小于0 ；第二階段控制信號2的平均斜率為K2且K2為正值，其絕對值| K2 |大于能使慣性壓電馬達產生慣性滑動的啟動值IKminI ；第三階段控制信號3的平均斜率為K3，K3小于等于0且大于Kl且該階段的持續(xù)時間大于200微秒。實施例5 左右等待的慣性壓電馬達的低電壓控制方法本實施例是在慣性馬達調頭的前后均有等待的情況，參見附圖6，其特征是以如下順序的四階段時域控制信號驅動慣性壓電馬達的壓電體，完成一次步進第一階段控制信號1的平均斜率為Kl且Kl大于0 ；第二階段控制信號2的平均斜率為K2且K2大于0且K2小于Kl且該階段的持續(xù)
8時間在1微秒至400微秒之間；第三階段控制信號3的平均斜率為K3且K3為負值，其絕對值|K3|大于能使慣性壓電馬達產生慣性滑動的啟動值IKminI。第四階段控制信號4的平均斜率為Κ3，Κ3大于等于0且小于Kl且該階段的持續(xù)時間大于200微秒。實施例6 左右等待的反向慣性壓電馬達的低電壓控制方法如果定義上述實施例5的控制方法為控制本發(fā)明慣性壓電馬達的正向步進，則本實施例是控制其反向步進，其特征是以如下順序的四階段時域控制信號驅動慣性壓電馬達的壓電體，完成一次步進第一階段控制信號的平均斜率為Kl且Kl小于0 ；第二階段控制信號的平均斜率為Κ2且Κ2小于0且Κ2大于Kl且該階段的持續(xù)時間在1微秒至400微秒之間；第三階段控制信號的平均斜率為Κ3且Κ3為正值，其值Κ3大于能使慣性壓電馬達產生慣性滑動的啟動值I Kmin I。第四階段控制信號的平均斜率為Κ3，Κ3小于等于0且大于Kl且該階段的持續(xù)時間大于200微秒。實施例7 正弦波形的左右等待慣性壓電馬達的低電壓控制方法上述實施例5或6中所述的第一和第二階段控制信號可以拼成一段正弦信號，或者上一周期的第四階段控制信號和本周期的第一和第二階段控制信號拼成一段正弦信號。
權利要求
1.一種慣性壓電馬達的低電壓控制方法，其特征是以如下順序的三階段時域控制信號驅動慣性壓電馬達的壓電體，完成一次步進第一階段控制信號的平均斜率為Kl且Kl大于0 ；第二階段控制信號的平均斜率為K2且K2大于0且K2小于Kl且該階段的持續(xù)時間在 1微秒至400微秒之間；第三階段控制信號的平均斜率為K3且K3為負值，其絕對值|K3|大于能使慣性壓電馬達產生慣性滑動的啟動值IKminI。
2.如權利要求1所述的慣性壓電馬達的低電壓控制方法，其特征是所述的第一和第二階段控制信號拼成一段廠字形波形。
3.如權利要求1所述的慣性壓電馬達的低電壓控制方法，其特征是所述的第一和第二階段控制信號拼成一段正弦波形。
4.一種慣性壓電馬達的低電壓控制方法，其特征是以如下順序的三階段時域控制信號驅動慣性壓電馬達的壓電體，完成一次步進第一階段控制信號的平均斜率為Kl且Kl小于0 ；第二階段控制信號的平均斜率為Κ2且Κ2小于0且Κ2大于Kl且該階段的持續(xù)時間在 1微秒至400微秒之間；第三階段控制信號的平均斜率為Κ3且Κ3為正值，其值Κ3大于能使慣性壓電馬達產生慣性滑動的啟動值I Kmin |。
5.如權利要求4所述的慣性壓電馬達的低電壓控制方法，其特征是所述的第一和第二階段控制信號拼成一段倒廠字形波形。
6.一種慣性壓電馬達的低電壓控制方法，其特征是以如下順序的三階段時域控制信號驅動慣性壓電馬達的壓電體，完成一次步進第一階段控制信號的平均斜率為Kl且Kl大于0 ；第二階段控制信號的平均斜率為Κ2且Κ2為負值，其絕對值|Κ2|大于能使慣性壓電馬達產生慣性滑動的啟動值IKminI ；第三階段控制信號的平均斜率為Κ3，Κ3大于等于0且小于Kl且該階段的持續(xù)時間大于200微秒。
7.—種慣性壓電馬達的低電壓控制方法，其特征是以如下順序的三階段時域控制信號驅動慣性壓電馬達的壓電體，完成一次步進第一階段控制信號的平均斜率為Kl且Kl小于0 ；第二階段控制信號的平均斜率為Κ2且Κ2為正值，其絕對值|Κ2|大于能使慣性壓電馬達產生慣性滑動的啟動值IKminI ；第三階段控制信號的平均斜率為Κ3，Κ3小于等于0且大于Kl且該階段的持續(xù)時間大于200微秒。
8.—種慣性壓電馬達的低電壓控制方法，其特征是以如下順序的四階段時域控制信號驅動慣性壓電馬達的壓電體，完成一次步進第一階段控制信號的平均斜率為Kl且Kl大于0 ；第二階段控制信號的平均斜率為Κ2且Κ2大于0且Κ2小于Kl且該階段的持續(xù)時間在 1微秒至400微秒之間；第三階段控制信號的平均斜率為K3且K3為負值，其絕對值|K3|大于能使慣性壓電馬達產生慣性滑動的啟動值IKminI。第四階段控制信號的平均斜率為Κ3，Κ3大于等于0且小于Kl且該階段的持續(xù)時間大于200微秒。
9.如權利要求8所述的慣性壓電馬達的低電壓控制方法，其特征是或者所述的第一和第二階段控制信號拼成一段正弦信號，或者上一周期的第四階段控制信號和本周期的第一和第二階段控制信號拼成一段正弦信號。
10.一種慣性壓電馬達的低電壓控制方法，其特征是以如下順序的四階段時域控制信號驅動慣性壓電馬達的壓電體，完成一次步進第一階段控制信號的平均斜率為Kl且Kl小于0 ；第二階段控制信號的平均斜率為Κ2且Κ2小于0且Κ2大于Kl且該階段的持續(xù)時間在 1微秒至400微秒之間；第三階段控制信號的平均斜率為Κ3且Κ3為正值，其值Κ3大于能使慣性壓電馬達產生慣性滑動的啟動值I Kmin |。第四階段控制信號的平均斜率為Κ3，Κ3小于等于0且大于Kl且該階段的持續(xù)時間大于200微秒。
全文摘要
本發(fā)明慣性壓電馬達的低電壓控制方法特征是以如下順序的三階段時域控制信號驅動慣性壓電馬達的壓電體，完成一次步進第一階段控制信號的平均斜率為K1且K1大于0；第二階段控制信號的平均斜率為K2且K2大于0且K2小于K1且該階段的持續(xù)時間在1微秒至400微秒之間；第三階段控制信號的平均斜率為K3且K3為負值，其絕對值|K3|大于能使慣性壓電馬達產生慣性滑動的啟動值。在快速調頭之后，也可加一段200微秒以上的等待時間，等慣性力的作用全部結束之后再開始下一次步進。本發(fā)明的有益效果體現在顯著降低慣性壓電馬達的啟動電壓，顯著增加慣性壓電馬達的步進速度和步長，使慣性壓電馬達工作更加可靠。
文檔編號H02N2/06GK102299662SQ201110255670
公開日2011年12月28日 申請日期2011年9月1日 優(yōu)先權日2011年9月1日
發(fā)明者王俊聽, 陸輕鈾 申請人:中國科學技術大學