压电马达的多频驱动方法与流程

本发明属于压电马达驱动方式技术领域，具体涉及一种压电马达的多频驱动方法。

背景技术：

压电马达具有不需润滑、不需齿轮箱、结构紧凑、体积小、重量轻、真空兼容、无电磁干扰、微米甚至纳米级控制精度等优点，目前得到了广泛的应用，是众多科研院所、企业热衷的研究对象，具有极大的科研、商业、航空航天和国防价值。

但是目前的压电马达通常需要较高的驱动电压，进而导致危险性增大、能耗增大；需要高压放大设备，反而增大了压电马达的体积和重量；高压驱动信号对外界的电磁干扰增强，成为制约压电马达在航空航天等领域发展的因素。为此，有众多科研小组提出了改进的方案，如文献Rev. Sci. Instrum. 83, 093701 (2012)中提出的优化驱动信号波形的方法，或者是如文献Rev. Sci. Instrum. 79, 113707 (2008)提出的改变压电马达的驱动结构的方法。这些方法存在一定的改进，但是效果仍有待进一步提高。

为了进一步降低压电马达的驱动电压、降低驱动设备的成本、体积、重量及提高集成度，在项目批准号为：11304082的国家自然科学基金“超快速扫描隧道显微镜的改进与应用”的支持下，本专利提出了一种压电马达的多频驱动方法。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供了一种压电马达的多频驱动方法，该方法所用的驱动电压相对较低且步进精度较高。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，压电马达的多频驱动方法，包括压电马达，其特征在于：所述压电马达压电片的两个电极上分别加载有频率不同的驱动信号。

进一步优选，所述压电马达压电片的两个电极上加载有多路驱动信号，其中至少一路驱动信号的频率与其它路驱动信号的频率不同。

进一步优选，所述压电马达压电片的两个电极上各加载有一路驱动信号，这两路驱动信号的频率不同且极性相反。

进一步优选，所述压电马达压电片的两个电极上分别加载有30Hz+8V和20Hz-8V的驱动信号。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本专利提出的多频驱动方法具有显著降低驱动电压的效果，驱动电压比现有的单频驱动方法驱动电压降低了三分之一；

2、同等驱动电压下，本专利的多频驱动方法具有更大的步进速度和更高的步进精度；

3、本专利能够在更低的驱动电压下工作，并且步进精度较高，进而可以降低高压设备的运行费用，降低电磁干扰现象，并且减小设备的体积和重量。

附图说明

图1是本发明中20Hz+8V20Hz-8V单频法驱动信号波形图；

图2是本发明中30Hz+8V20Hz-8V双频法驱动信号波形图；

图3是本发明中差频法驱动信号原理分解图。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。

这里以惯性压电马达为例进行说明、所用驱动信号以锯齿波为例。压电马达的工作原理是利用压电材料的逆压电效应，驱动电压信号使压电材料产生形变并进而驱动对象移动。目前所用的驱动信号，无论是施加在压电片的一个电极上，还是压电片的两个电极上，不管是锯齿波还是梯形波，全部是单一频率的驱动形式，称这种方式为单频式。

但是现有的这种单一频率的驱动方式，所需要的驱动电压较大。经过对压电马达驱动原理的详细分析和实际测量发现：两个频率不同、极性相反的锯齿波更容易导致马达行走。因为这两路驱动信号的频率有差别，所以将它简称为差频驱动信号或者多频驱动方式。

具体实施时需要注意的是：同一个压电片上的两个电压信号的的频率不同。

其原因分析如下：（1）利用叠加原理，施加在一个压电片两个电极上的两路驱动信号的总效果，相当于分别只有一个驱动信号施加在该压电片上的一个电极上、另一个电极接地，然后这两个驱动信号的总效果叠加在一起，就是两路不同频率驱动信号的总效果。也就是说：当其中一路驱动信号作用时，把另一个驱动信号当作零电位来考虑即可。（2）该差频或多法导致的结果是，同一个物体上被施加了多个不同频次和幅度的作用力。对于相互压接的两个物体组成的系统来说，多个驱动频率，能够更好地找到克服接触面静摩擦力需要的频率，进而更好地产生相对位移，使被驱动物体产生位移。（3）另一方面，因为马达的驱动体与被驱动体之间是有摩擦的，摩擦面的结合方式决定了驱动的频率和幅度，但是摩擦接触面实际情况复杂微妙，因此，多个驱动频率可以更容易地克服接触面的静摩擦力，进而产生位移。其中包含谐振、响应曲线、惯性力等多方面的因素。

实施例

从原理上来讲，多个频率也是可以的。但是在实际使用过程中，多个频率的锯齿波不易实现，用两个频率的锯齿波，就可以具有很明显的效果。将它简称为双频驱动方法，并且对双频驱动方法进行了测试，测试数据如下：

我们采用的压电马达是自制的、如文献Rev. Sci. Instrum. 79, 113707 (2008)中所述原理的横向步进压电马达。

现有技术的单频法测试结果：

其驱动信号的波形如图1所示。两个驱动信号的频率相同均为20Hz，幅度相等、但极性相反。它们共同显示在一个窗口，形成闭合的平行四边形图形。

（1）首先用了两个同为20Hz幅度分别为+10V和-10V的锯齿波来驱动自制的横向步进压电马达。+10V和-10V驱动电压时，该压电马达可以较好地进退。

（2）当电压降为+9V和-9V时，压电马达就只能驱动物块前进而不能后退，前进的速度是2mm/3min，分析该原因可能是使用的导轨与上面滑动的物块之间的双向摩擦系数不同导致的。

（3）当电压降为+8V和-8V时，马达在10min的测试时间内发现不能前进、也不能后退。

随后测试了本专利的双频驱动方法。

其驱动信号的波形如图2所示。两个驱动信号频率不同、幅度相等、极性相反。它们共同显示在一个窗口，形成像树林里参差的大树一样的图形。

（1）将+9V幅度的锯齿波的频率改为30Hz，即利用30Hz的+9V锯齿波和20Hz的-9V锯齿波驱动时，马达双向行走很顺畅，进退的速度都可达到3mm/3min。即不仅可以双向行走、而且速度变的更快。

（2）30Hz的+8V锯齿波和20Hz的-8V锯齿波双频驱动。此时，压电马达进、退行走依然很好，只是速度稍慢，变为了2mm/3min。

（3）30Hz的+7V锯齿波和20Hz的-7V锯齿波双频驱动。此时，压电马达进、退行走依然很好，只是速度再一次变慢，变为了1mm/5min。说明该方法步进能够使马达在更低的驱动电压下良好工作、且控制精度提高了很多倍。

（4）30Hz的+6V锯齿波和20Hz的-6V锯齿波双频驱动。此时，压电马达前进的速度变为了1mm/10min，更慢；而且在10min的测试时间内也发现不能后退。

总结上述结果：（1）本专利提出的双频驱动方法具有显著降低驱动电压的效果，启动电压比现有的单频驱动方法的启动电压降低了三分之一；（2）同等驱动电压下，本专利的双频驱动方法具有更大的步进速度和更高的控制精度；（3）本专利能够在更低的驱动电压下工作，并且步进精度较高，进而可以降低高压设备的费用，降低电磁干扰现象，减小设备的体积和重量。

需要注意的是：不同的马达系统需要不同的多个驱动频率，具体的频率需要具体测试，本实施例中的结果仅保证能走本马达中成功重复。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。