縱振復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器的跨尺度驅(qū)動方法
【專利摘要】縱振復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器的跨尺度驅(qū)動方法，屬于壓電驅(qū)動【技術(shù)領(lǐng)域】。為了解決現(xiàn)有縱向振動復(fù)合實(shí)現(xiàn)驅(qū)動的壓電超聲驅(qū)動器定位精度和分辨力難于提高，且無法克服強(qiáng)載、快速、大行程和高精度之間矛盾的問題。本方法基于水平縱振壓電陶瓷片與豎直縱振壓電陶瓷片在空間上正交布置和驅(qū)動足實(shí)現(xiàn)，并根據(jù)目標(biāo)輸出位移選擇三種激勵模式之一、兩種激勵模式的組合或者三種激勵模式的組合來實(shí)現(xiàn)不同位移尺度的輸出，所述激勵模式包括交流連續(xù)激勵模式、脈沖步進(jìn)激勵模式和直流微驅(qū)動模式，使得驅(qū)動器不僅具備快速、大行程響應(yīng)能力，同時具備高精度、納米尺度定位功能，最終實(shí)現(xiàn)真正的跨尺度、超精密驅(qū)動。它用于壓電驅(qū)動領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)跨尺度、超精密驅(qū)動。
【專利說明】 縱振復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器的跨尺度驅(qū)動方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于壓電驅(qū)動【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電超聲驅(qū)動技術(shù)是一種利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，在彈性體中激勵出超聲頻段內(nèi)的振動，在彈性體表面特定點(diǎn)或特定區(qū)域形成具有特定軌跡的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動，進(jìn)而通過定子、轉(zhuǎn)子之間的摩擦耦合將質(zhì)點(diǎn)的微觀運(yùn)動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的宏觀運(yùn)動的技術(shù)。壓電超聲驅(qū)動器具有低速大轉(zhuǎn)矩、無需變速機(jī)構(gòu)、無電磁干擾、響應(yīng)速度快和斷電自鎖等優(yōu)點(diǎn)。
[0003]基于縱向振動復(fù)合實(shí)現(xiàn)驅(qū)動的壓電超聲驅(qū)動器具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、出力大的突出優(yōu)點(diǎn)，例如專利號為ZL200910306062.4、發(fā)明名稱為“T型直線超聲電機(jī)振子”的授權(quán)發(fā)明專利，它提出了一種T型縱振復(fù)合模態(tài)梁式直線超聲驅(qū)動器振子，解決了現(xiàn)有技術(shù)因陶瓷材料抗拉強(qiáng)度低和機(jī)電耦合效率低造成的超聲驅(qū)動器的機(jī)械輸出能力受到制約的問題，具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)靈活、機(jī)電耦合效率高、可實(shí)現(xiàn)大力矩輸出、性能穩(wěn)定、易于控制、可系列化生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。但是，該壓電驅(qū)動器實(shí)際工作時通過給兩組縱振壓電陶瓷片施加連續(xù)的交流電壓來激勵出驅(qū)動足處質(zhì)點(diǎn)的連續(xù)的橢圓軌跡振動，進(jìn)而通過摩擦耦合實(shí)現(xiàn)動子致動；由于采用連續(xù)交變電壓進(jìn)行驅(qū)動，其定位精度和分辨力一般為微米級，難于實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提高，也無法滿足超精密加工、微納制造和生命科學(xué)等領(lǐng)域飛速發(fā)展的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有縱向振動復(fù)合實(shí)現(xiàn)驅(qū)動的壓電超聲驅(qū)動器定位精度和分辨力難于提高，且無法克服強(qiáng)載、快速、大行程和高精度之間矛盾的問題，本發(fā)明提供一種縱振復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器的跨尺度驅(qū)動方法。
[0005]本發(fā)明的縱振復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器的跨尺度驅(qū)動方法，
[0006]所述縱振復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器包括兩組縱振壓電陶瓷片和驅(qū)動足，兩組縱振壓電陶瓷片包括一組水平縱振壓電陶瓷片和一組豎直縱振壓電陶瓷片，所述水平縱振壓電陶瓷片和豎直縱振壓電陶瓷片在空間上正交布置；
[0007]所述縱振復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器的跨尺度驅(qū)動方法根據(jù)目標(biāo)輸出位移選擇下述三種激勵模式之一、兩種激勵模式的組合或者三種激勵模式的組合來實(shí)現(xiàn)不同位移尺度的輸出；三種激勵模式分別為:
[0008]第一種為交流連續(xù)激勵模式，該激勵模式給兩組縱振壓電陶瓷片分別施加在時間上具有90度相位差的兩相連續(xù)交流激勵電壓，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動器兩個正交縱向振動的復(fù)合激勵，從而在驅(qū)動足處產(chǎn)生穩(wěn)定而持續(xù)的橢圓軌跡的振動；該振動驅(qū)動動子實(shí)現(xiàn)大推力、大位移、快速及連續(xù)的運(yùn)動輸出位移，所述大位移指位移大小不受限制；
[0009]第二種為脈沖步進(jìn)激勵模式，該激勵模式給兩組縱振壓電陶瓷片分別施加在時間上具有90度相位差的兩相脈沖激勵電壓，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動器兩個正交縱向振動的脈沖式復(fù)合激勵，從而在驅(qū)動足處產(chǎn)生間歇性的橢圓軌跡的振動；該振動驅(qū)動動子實(shí)現(xiàn)微米尺度分辨力、低速及斷續(xù)的步進(jìn)輸出位移；
[0010]第三種為直流微驅(qū)動模式，該激勵模式通過給水平縱振壓電陶瓷片施加直流電壓，而豎直縱振壓電陶瓷片保持懸空狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動器水平方向的縱向伸縮變形，從而在驅(qū)動足處產(chǎn)生水平方向的位移輸出；該位移輸出驅(qū)動動子實(shí)現(xiàn)納米尺度分辨力及微米尺度行程的輸出，通過調(diào)整直流電壓幅值實(shí)現(xiàn)動子輸出位移的精確調(diào)整。
[0011]所述縱振復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器在直流微驅(qū)動模式下獲得的驅(qū)動足最大輸出位移高于脈沖步進(jìn)激勵模式下獲得的驅(qū)動足最佳分辨力。
[0012]當(dāng)驅(qū)動器的目標(biāo)輸出位移小于或者等于在直流微驅(qū)動模式下可以獲得的驅(qū)動足最大輸出位移，該驅(qū)動足最大輸出位移為微米量級，則驅(qū)動器直接進(jìn)入直流微驅(qū)動模式，實(shí)現(xiàn)精確定位。
[0013]當(dāng)驅(qū)動器的目標(biāo)輸出位移大于直流微驅(qū)動模式下可以獲得的驅(qū)動足最大輸出位移且不高于毫米量級，則驅(qū)動器首先采用脈沖步進(jìn)激勵模式，直至該激勵模式下獲得的輸出位移與目標(biāo)輸出位移的差值小于或者等于在直流微驅(qū)動模式下的最大輸出位移時，驅(qū)動器切換至直流微驅(qū)動模式，實(shí)現(xiàn)最終的精確定位。
[0014]當(dāng)驅(qū)動器的目標(biāo)輸出位移在數(shù)十毫米量級以上時，則驅(qū)動器首先采用交流連續(xù)激勵模式實(shí)現(xiàn)快速大位移輸出，在實(shí)際輸出位移未達(dá)到目標(biāo)輸出位移后停止，采集當(dāng)前實(shí)際輸出位移，然后計(jì)算當(dāng)前實(shí)際輸出位移與目標(biāo)輸出位移的差值；
[0015]若交流連續(xù)激勵模式下的驅(qū)動器實(shí)際輸出位移與目標(biāo)輸出位移的差值小于或者等于直流微驅(qū)動模式下的最大輸出位移，則直接轉(zhuǎn)換至直流激勵模式，實(shí)現(xiàn)最終的精確定位；
[0016]若交流連續(xù)激勵模式下的驅(qū)動器實(shí)際輸出位移與目標(biāo)輸出位移的差值大于直流微驅(qū)動模式下的最大輸出位移，則驅(qū)動器先切換至脈沖步進(jìn)激勵模式，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)調(diào)整，直至驅(qū)動器實(shí)際輸出的位移與目標(biāo)輸出位移的差值小于或者等于直流微驅(qū)動模式下獲得的最大輸出位移時，驅(qū)動器再切換至直流微驅(qū)動模式，實(shí)現(xiàn)最終的精確定位。
[0017]本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明的方法通過上述交流連續(xù)激勵模式、脈沖步進(jìn)激勵模式、直流微驅(qū)動模式的組合應(yīng)用，使得壓電驅(qū)動器不僅具備快速、大行程響應(yīng)能力，同時具備高精度、納米尺度定位功能，最終實(shí)現(xiàn)真正的跨尺度、超精密驅(qū)動，該方法廣泛適用于驅(qū)動各種利用縱向振動模態(tài)復(fù)合實(shí)現(xiàn)致動的壓電驅(qū)動器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明所述的縱振復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器在交流連續(xù)激勵模式下兩組縱振壓電陶瓷片所施加的兩相連續(xù)交流激勵電壓的示意圖；
[0019]圖2是本發(fā)明所述的縱振復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器在脈沖步進(jìn)激勵模式下兩組縱振壓電陶瓷片所施加的兩相脈沖激勵電壓的示意圖；
[0020]圖3是本發(fā)明所述的縱振復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器直流微驅(qū)動模式下兩組縱振壓電陶瓷片所施加的直流電壓的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]【具體實(shí)施方式】一:結(jié)合圖1至圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的縱振復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器的跨尺度驅(qū)動方法，
[0022]所述縱振復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器包括兩組縱振壓電陶瓷片和驅(qū)動足，兩組縱振壓電陶瓷片包括一組水平縱振壓電陶瓷片和一組豎直縱振壓電陶瓷片，所述水平縱振壓電陶瓷片和豎直縱振壓電陶瓷片在空間上正交布置；
[0023]所述縱振復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器的跨尺度驅(qū)動方法根據(jù)目標(biāo)輸出位移選擇下述三種激勵模式之一、兩種激勵模式的組合或者三種激勵模式的組合來實(shí)現(xiàn)不同位移尺度的輸出；三種激勵模式分別為:
[0024]第一種為交流連續(xù)激勵模式，該激勵模式給兩組縱振壓電陶瓷片分別施加在時間上具有90度相位差的兩相連續(xù)交流激勵電壓，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動器兩個正交縱向振動的復(fù)合激勵，從而在驅(qū)動足處產(chǎn)生穩(wěn)定而持續(xù)的橢圓軌跡的振動；該振動驅(qū)動動子實(shí)現(xiàn)大推力、大位移、快速及連續(xù)的運(yùn)動輸出位移，所述大位移指位移大小不受限制；
[0025]第二種為脈沖步進(jìn)激勵模式，該激勵模式給兩組縱振壓電陶瓷片分別施加在時間上具有90度相位差的兩相脈沖激勵電壓，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動器兩個正交縱向振動的脈沖式復(fù)合激勵，從而在驅(qū)動足處產(chǎn)生間歇性的橢圓軌跡的振動；該振動驅(qū)動動子實(shí)現(xiàn)微米尺度分辨力、低速及斷續(xù)的步進(jìn)輸出位移；
[0026]第三種為直流微驅(qū)動模式，該激勵模式通過給水平縱振壓電陶瓷片施加直流電壓，而豎直縱振壓電陶瓷片保持懸空狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動器水平方向的縱向伸縮變形，從而在驅(qū)動足處產(chǎn)生水平方向的位移輸出；該位移輸出驅(qū)動動子實(shí)現(xiàn)納米尺度分辨力及微米尺度行程的輸出，通過調(diào)整直流電壓幅值實(shí)現(xiàn)動子輸出位移的精確調(diào)整。
[0027]所述縱振復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器在直流微驅(qū)動模式下獲得的驅(qū)動足最大輸出位移高于脈沖步進(jìn)激勵模式下獲得的驅(qū)動足最佳分辨力。這樣可以保證兩種工作模式可以實(shí)現(xiàn)有效的銜接與互補(bǔ)。
[0028]工作時，首先設(shè)置驅(qū)動器需要輸出的位移，然后根據(jù)所述需要輸出的位移的實(shí)際大小來判斷采用何種激勵方式或者激勵方式的組合來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動:
[0029](I)當(dāng)驅(qū)動器的目標(biāo)輸出位移小于或者等于在直流微驅(qū)動模式下可以獲得的驅(qū)動足最大輸出位移，該驅(qū)動足最大輸出位移為微米量級，則驅(qū)動器直接進(jìn)入直流微驅(qū)動模式，實(shí)現(xiàn)精確定位。
[0030](2)當(dāng)驅(qū)動器的目標(biāo)輸出位移大于直流微驅(qū)動模式下可以獲得的驅(qū)動足最大輸出位移且不高于毫米量級，則驅(qū)動器首先采用脈沖步進(jìn)激勵模式，直至該激勵模式下獲得的輸出位移與目標(biāo)輸出位移的差值小于或者等于在直流微驅(qū)動模式下的最大輸出位移時，驅(qū)動器切換至直流微驅(qū)動模式，實(shí)現(xiàn)最終的精確定位。
[0031](3)當(dāng)驅(qū)動器的目標(biāo)輸出位移在數(shù)十毫米量級以上時，則驅(qū)動器首先采用交流連續(xù)激勵模式實(shí)現(xiàn)快速大位移輸出，在實(shí)際輸出位移未達(dá)到目標(biāo)輸出位移后停止，采集當(dāng)前實(shí)際輸出位移，然后計(jì)算當(dāng)前實(shí)際輸出位移與目標(biāo)輸出位移的差值；
[0032]若交流連續(xù)激勵模式下的驅(qū)動器實(shí)際輸出位移與目標(biāo)輸出位移的差值小于或者等于直流微驅(qū)動模式下的最大輸出位移，則直接轉(zhuǎn)換至直流激勵模式，實(shí)現(xiàn)最終的精確定位；
[0033]若交流連續(xù)激勵模式下的驅(qū)動器實(shí)際輸出位移與目標(biāo)輸出位移的差值大于直流微驅(qū)動模式下的最大輸出位移，則驅(qū)動器先切換至脈沖步進(jìn)激勵模式，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)調(diào)整，直至驅(qū)動器實(shí)際輸出的位移與目標(biāo)輸出位移的差值小于或者等于直流微驅(qū)動模式下獲得的最大輸出位移時，驅(qū)動器再切換至直流微驅(qū)動模式，實(shí)現(xiàn)最終的精確定位。
[0034]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式是對【具體實(shí)施方式】一所述的縱振復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器的跨尺度驅(qū)動方法的進(jìn)一步限定，所述交流連續(xù)激勵模式和脈沖步進(jìn)激勵模式下所施加的電壓波形可以是正弦波、方波、三角波或者梯形波。
【權(quán)利要求】
1.縱振復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器的跨尺度驅(qū)動方法，其特征在于，所述縱振復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器包括兩組縱振壓電陶瓷片和驅(qū)動足，兩組縱振壓電陶瓷片包括一組水平縱振壓電陶瓷片和一組豎直縱振壓電陶瓷片，所述水平縱振壓電陶瓷片和豎直縱振壓電陶瓷片在空間上正交布置； 所述縱振復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器的跨尺度驅(qū)動方法根據(jù)目標(biāo)輸出位移選擇下述三種激勵模式之一、兩種激勵模式的組合或者三種激勵模式的組合來實(shí)現(xiàn)不同位移尺度的輸出；三種激勵模式分別為: 第一種為交流連續(xù)激勵模式，該激勵模式給兩組縱振壓電陶瓷片分別施加在時間上具有90度相位差的兩相連續(xù)交流激勵電壓，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動器兩個正交縱向振動的復(fù)合激勵，從而在驅(qū)動足處產(chǎn)生穩(wěn)定而持續(xù)的橢圓軌跡的振動；該振動驅(qū)動動子實(shí)現(xiàn)大推力、大位移、快速及連續(xù)的運(yùn)動輸出位移，所述大位移指位移大小不受限制； 第二種為脈沖步進(jìn)激勵模式，該激勵模式給兩組縱振壓電陶瓷片分別施加在時間上具有90度相位差的兩相脈沖激勵電壓，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動器兩個正交縱向振動的脈沖式復(fù)合激勵，從而在驅(qū)動足處產(chǎn)生間歇性的橢圓軌跡的振動；該振動驅(qū)動動子實(shí)現(xiàn)微米尺度分辨力、低速及斷續(xù)的步進(jìn)輸出位移； 第三種為直流微驅(qū)動模式，該激勵模式通過給水平縱振壓電陶瓷片施加直流電壓，而豎直縱振壓電陶瓷片保持懸空狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動器水平方向的縱向伸縮變形，從而在驅(qū)動足處產(chǎn)生水平方向的位移輸出；該位移輸出驅(qū)動動子實(shí)現(xiàn)納米尺度分辨力及微米尺度行程的輸出，通過調(diào)整直流電壓幅值實(shí)現(xiàn)動子輸出位移的精確調(diào)整。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的縱振復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器的跨尺度驅(qū)動方法，其特征在于，所述縱振復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器在直流微驅(qū)動模式下獲得的驅(qū)動足最大輸出位移高于脈沖步進(jìn)激勵模式下獲得的驅(qū)動足最佳分辨力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的縱振復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器的跨尺度驅(qū)動方法，其特征在于，當(dāng)驅(qū)動器的目標(biāo)輸出位移小于或者等于在直流微驅(qū)動模式下可以獲得的驅(qū)動足最大輸出位移，該驅(qū)動足最大輸出位移為微米量級，則驅(qū)動器直接進(jìn)入直流微驅(qū)動模式，實(shí)現(xiàn)精確定位。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的縱振復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器的跨尺度驅(qū)動方法，其特征在于，當(dāng)驅(qū)動器的目標(biāo)輸出位移大于直流微驅(qū)動模式下可以獲得的驅(qū)動足最大輸出位移且不高于毫米量級，則驅(qū)動器首先采用脈沖步進(jìn)激勵模式，直至該激勵模式下獲得的輸出位移與目標(biāo)輸出位移的差值小于或者等于在直流微驅(qū)動模式下的最大輸出位移時，驅(qū)動器切換至直流微驅(qū)動模式，實(shí)現(xiàn)最終的精確定位。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的縱振復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器的跨尺度驅(qū)動方法，其特征在于， 當(dāng)驅(qū)動器的目標(biāo)輸出位移在數(shù)十毫米量級以上時，則驅(qū)動器首先采用交流連續(xù)激勵模式實(shí)現(xiàn)快速大位移輸出，在實(shí)際輸出位移未達(dá)到目標(biāo)輸出位移時，每一設(shè)定采樣周期采集一次當(dāng)前實(shí)際輸出位移；再計(jì)算當(dāng)前實(shí)際輸出位移與目標(biāo)輸出位移的差值，并采用下述方法之一實(shí)現(xiàn)最終精確定位； 若交流連續(xù)激勵模式下的驅(qū)動器實(shí)際輸出位移與目標(biāo)輸出位移的差值小于或者等于直流微驅(qū)動模式下的最大輸出位移，則直接轉(zhuǎn)換至直流激勵模式，實(shí)現(xiàn)最終的精確定位；若交流連續(xù)激勵模式下的驅(qū)動器實(shí)際輸出位移與目標(biāo)輸出位移的差值大于直流微驅(qū)動模式下的最大輸出位移，則驅(qū)動器先切換至脈沖步進(jìn)激勵模式，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)調(diào)整，直至驅(qū)動器實(shí)際輸出的位移與目標(biāo)輸出位移的差值小于或者等于直流微驅(qū)動模式下獲得的最大輸出位移時，驅(qū)動器再切換至直流微驅(qū)動模式，實(shí)現(xiàn)最終的精確定位。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的縱振復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器的跨尺度驅(qū)動方法，其特征在于，交流連續(xù)激勵模式和脈沖步進(jìn)激勵模式的激勵電壓的波形為正弦波波形、方波波形、三角波波形或者梯形波波形。
【文檔編號】H02N2/06GK104022684SQ201410293169
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月25日
【發(fā)明者】劉英想, 馮培連, 陳維山, 劉軍考, 石勝君 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)