一种直线型压电电机及其驱动方法与流程

本发明涉及压电电机研究领域，特别涉及一种直线型压电电机及其驱动方法。

背景技术：

超声电机是20世纪80年代开始发展起来的一种全新型微型特种电机。随着精密加工、机器人、光学仪器、mems操作的快速发展，超声电机研究变得越来越有需求化。超声电机所具有的断电自锁、快速响应和高位置分辨率，为精确定位控制提供了先天的良好条件。

直线型超声电机作为超声电机根据动子运动的一个分类，具有推重比大、响应快、低速大扭矩、控制性能好、有断电自锁等特点，在机器人、精密仪器仪表、医疗器械等领域得到广泛的应用，而且可直接产生直线运动推力，特别适合于小型、精密的直线运动装置的驱动和控制。

直线型压电电机可以根据压电元件对定子的激励方式分为共振式和非共振式。传统共振型压电直线电机的定子一般工作在共振状态，利用共振放大驱动足的振幅，而且施加在压电材料上的激励信号幅值、频率大小、相位差都有一定的严格要求，在温度变化时，还需要对压电材料激励信号的频率作适当的调节处理，以保持电机输出性能的稳定，如此一来超声电机驱动器设计电路比较复杂。另外，共振状态是一种不稳定的状态，电机工作频率容易受到很多因素的影响，比如电机加工上和装配上精度误差，存在频率一致性调节问题，往往难以进行优化从而改善频率一致性的问题，结果会导致电机会偏离工作共振频率，造成电机输出性能的下降甚至影响电机的正常运行，同时，电机定子在高频振动时会导致定子压电材料的疲劳损坏，特别是在电机在功率较大、温度较高时的工作环境更为严重，电机性能下降甚至损坏。

近年来，非共振压电电动机的发展出现了蓬勃发展，有研究人员提出利用压电叠堆在非共振条件下的特性，开发出具有高定位精度的压电电机，但目前的压电电机普遍存在冲程小和精度仍然较低的缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种直线型压电电机及其驱动方法，该电机具有结构简洁、控制性能好、电机运动精度高、电机可靠性高、适用范围广的优点。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种直线型压电电机，包括底板，以及设置在底板上的动子、固定块和定子，定子包括接触杆、微位移放大机构和第一压电叠堆，所述接触杆第一端与动子中的动子滑块摩擦接触，推动动子滑块直线运动，接触杆第二端与第一压电叠堆面接触，第一压电叠堆另一端固定，接触杆第三端与固定块固定连接，接触杆第四端与微位移放大机构的驱动足接触，微位移放大机构为压电驱动机构；第一压电叠堆通过接触杆向动子滑块施加法向预紧力，微位移放大机构通过接触杆向动子滑块施加切向力。本发明利用压电叠堆输出电压作为动力源，基于非共振模态，经过微位移放大机构和接触杆的位移放大位移输出，来推动动子滑块的运动，使得电机直接输出力大，控制精度高，可应用于驱动控制平台上的精密定位，适用范围广，具有广阔的工业上的应用前景。

优选的，所述动子滑块在一滑块固定座上滑动，滑块固定座固定在底板上，滑块固定座开有槽。滑块固定座可通过螺丝等紧固到底板上，进而限制动子滑块在底板上的位置，同时，可在开槽内涂润滑材料，从而使接触杆拨动动子滑块时摩擦力减小，不会引入其他的位置误差。

更进一步的，在动子滑块与接触杆接触的一侧设有耐摩擦涂层，增加动子滑块的运动寿命以及保证电机运动的精度。

优选的，所述直线型压电电机包括两个定子，每个定子固定在一定子固定板上，定子固定板固定在底板上；两个定子关于底板中心轴线对称。可增加电机的可靠性和电机输出的行程。

优选的，所述接触杆第二端的端部设有圆弧过渡段；接触杆第一端采用一呈棱柱型的变幅杆，越靠近端部截面越小。采用该接触杆，压电叠堆输出的位移有杠杆放大位移的效果。

优选的，所述第一压电叠堆竖直方向设有竖直预紧机构，该机构给第一压电叠堆施加一定的预紧力，使其和接触杆充分接触。

优选的，所述微位移放大机构包括第二压电叠堆、第三压电叠堆和变形支架，所述变形支架由半椭圆机构与半长方形机构连接而成，为一金属弹性体，变形支架两侧面分别与第二压电叠堆、第三压电叠堆直接贴合，变形支架顶端设有驱动足。第二压电叠堆、第三压电叠堆产生的水平方向推力在夹持预紧力的作用下，转化提供动子滑块与接触杆之间的静摩擦力。

更进一步的，所述变形支架两侧面与第二压电叠堆、第三压电叠堆的贴合面均为面接触，驱动足与接触杆为点接触，驱动足为柔性铰块，与微位移放大机构是一体的。

更进一步的，所述半椭圆机构中椭圆长轴和短轴的比值在1.7～1.9之间。

优选的，所述微位移放大机构在定子固定板上的位置由水平预紧机构限定，该水平预紧机构对第二压电叠堆、第三压电叠堆的外侧面施加一定的预紧力。通过夹持压电叠堆，从而给微位移放大机构施加一定的预紧力，使其和接触杆充分接触。

更进一步的，所述水平预紧机构包括预紧组合杆、预紧夹持螺栓，所述预紧组合杆设置在微位移放大机构的两侧，预紧组合杆由预紧夹持螺栓固定。通过旋转预紧夹持螺栓，即可调整预紧组合杆之间的距离，进而实现对微位移放大机构在水平方向的预紧。

优选的，所述第一压电叠堆以及微位移放大机构中的第二压电叠堆、第三压电叠堆，均分别包括若干片压电陶瓷片以及电极片，相邻两片压电陶瓷片极化方向相反，相互粘接在一起。

一种基于上述直线型压电电机的驱动方法，包括步骤：

在一定预紧力的作用下，对微位移放大机构中的压电叠堆给予电压激励，使得微位移放大机构中的驱动足往切向变形，与接触杆充分接触并推动接触杆往切向运动；

同时，在一定预紧力的作用下，对第一压电叠堆给予电压激励，使得第一压电叠堆水平方向变形，与接触杆充分接触并推动接触杆往水平方向运动；

通过控制上述各个压电叠堆的电压激励的波形，接触杆推动动子滑块运动，进而实现电机驱动。

优选的，所述微位移放大机构中的压电叠堆施加的电压波形为间断的三角波，第一压电叠堆施加的电压波形为间断的梯形波。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明避免了现有技术中由于电机共振模态所产生的高频振动导致的电机温度高，以及调节必须使得对称频率和非对称频率须趋于一致的而影响电机工作性能的问题，基于非共振模态，利用压电陶瓷的逆压电效应，将电能转化为动子直线运动的机械能，通过定子和动子的摩擦作用，把弹性体微位移放大机构的微幅运动转化为动子的宏观运动，直接推动负载。避免了电机在共振模态所产生的负面效应，提高了电机工作性能的稳定性和可靠性，对直线型压电电机的非共振模态下的发展具有重要意义，具有结构简洁、控制性能好、电机运动精度高、电机可靠性高、适用范围广、输出力大，响应快、稳定性好等优点。

附图说明

图1是本实施例直线型压电电机的结构示意图。

图2是本实施例中微位移放大机构的结构示意图。

图3是本实施例中接触杆的结构示意图。

图4是本实施例中水平预紧机构的结构示意图。

图5是本实施例电机工作时微位移放大机构中的压电叠堆以及第一压电叠堆施加的电压波形示意图。

图6是本实施例微位移放大结构中压电叠堆上任一点的位移轨迹图，以及动子滑块运动轨迹图。

图7是本实施例压电叠堆极化方向示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本实施例提供了一种基于非共振模态工作下的直线型压电电机，该电机包括底板，以及设置在底板上的动子、固定块和定子，参见图1-4，图中涉及到的各个部件为：滑块固定座1、滑块固定座螺栓2、动子滑块3、接触杆4、水平预紧机构5、预紧夹持螺栓6、预紧组合杆7、竖直预紧机构8、定子固定板9、变形支架10、底板11、第二压电叠堆12、固定块13、固定块螺栓15、第一压电叠堆16。

本实施例中，动子包括滑块固定座1、滑块固定座螺栓2、动子滑块3，底板11上设有螺纹孔，滑块固定座1通过滑块固定座螺栓2和上述螺纹孔固定在底板11上。动子滑块3与滑块固定座1进行配合，可在该滑块固定座上滑动。滑块固定座开有槽，槽内涂有润滑材料，用于减少动子滑动摩擦力的大小。在动子滑块与接触杆接触的一侧设有耐摩擦涂层，用于增加动子滑块的运动寿命以及保证电机运动的精度。

如图1所示，本实施例中，直线型压电电机包括两个定子，每个定子固定在一定子固定板9上，定子固定板9固定在底板11上；两个定子关于底板中心轴线对称。每个定子包括接触杆、微位移放大机构和第一压电叠堆。

如图3所示，两个定子中的接触杆4关于底板11中心轴线对称，每个接触杆4包括4个端部，接触杆第一端4-1与动子中的动子滑块摩擦接触，推动动子滑块直线运动，接触杆第二端4-2与第一压电叠堆面接触，第一压电叠堆另一端固定，接触杆第三端4-3与固定块固定连接，接触杆第四端与微位移放大机构的驱动足接触。其中，接触杆第二端4-2的端部设有圆弧过渡段；接触杆第一端4-1采用一呈棱柱型的变幅杆，越靠近端部截面越小。采用该接触杆，压电叠堆输出的位移有杠杆放大位移的效果。

如图2所示，微位移放大机构为压电驱动机构，包括第二压电叠堆12、第三压电叠堆和变形支架10，所述变形支架10由半椭圆机构与半长方形机构连接而成，为一金属弹性体，半椭圆机构中椭圆长轴和短轴的比值在1.7～1.9之间，变形支架两侧面分别与第二压电叠堆、第三压电叠堆直接贴合，为面接触。变形支架顶端设有驱动足10-1，驱动足与接触杆4为点接触，驱动足为柔性铰块，可设计成与微位移放大机构是一体的。第二压电叠堆、第三压电叠堆产生的水平方向推力在夹持预紧力的作用下，转化提供动子滑块与接触杆之间的静摩擦力。

如图4所示，微位移放大机构在定子固定板上的位置由水平预紧机构限定，该水平预紧机构用于给微位移放大机构施加一定的预紧力，在进行驱动时使微位移放大机构和接触杆能够充分接触。水平预紧机构包括预紧组合杆7、预紧夹持螺栓6和螺杆，预紧组合杆7一端通过预紧夹持螺栓6设置在螺杆上，预紧组合杆7另一端与微位移放大机构固定。预紧夹持螺栓6包括调位用螺栓6-1以及固定用螺栓6-3，调位用螺栓6-1设置在螺杆上，用于对预紧组合杆7的两端进行旋紧或旋松，进而调节预紧力。调位用螺栓6-1和预紧组合杆7的端部之间固定有垫片6-2。固定用螺栓6-3用于将预紧组合杆7的端部与微位移放大机构左右两侧的第二压电叠堆和第三压电叠堆进行固定。对第二压电叠堆、第三压电叠堆的外侧面施加一定的预紧力。

如图7所示，本实施例中，第一压电叠堆16包括三片压电陶瓷片，压电陶瓷片之间设有电极片，相邻两片压电陶瓷片极化方向相反，相互粘接在一起。第一压电叠堆竖直方向设有竖直预紧机构8，用于给第一压电叠堆施加一定的预紧力，使其和接触杆充分接触。该竖直预紧机构可以通过螺纹螺栓的配合实现。

本实施例中，固定块13为一正方体块，其加工有内螺纹孔，用固定块螺栓15与底板11装配在一起。实际应用中也可以设置固定块13为长方体块。固定块13一端与接触杆4面接触，用于限制接触杆的切向位移。

本发明两边的微位移放大机构根据电机底板中心轴线对称安装，其两侧都安装有压电叠堆，并且由预紧组合杆进行过度配合夹持和预紧。在一定预紧力的作用下，对电机的微位移放大机构左右两侧的压电叠堆给予电压激励，利用压电陶瓷片沿轴向方向极化变形，通过微位移放大机构，转化为法向位移，为接触杆和动子滑块的摩擦部分提供一定的静摩擦力。在一定预紧力的作用下，对第一压电叠堆给予电压激励，使得第一压电叠堆水平方向变形，与接触杆充分接触并推动接触杆往水平方向运动；通过控制上述各个压电叠堆的电压激励的波形，接触杆推动动子滑块运动，进而实现电机驱动。

电机的激励方式及其运动描述如下：以图1视角为例，当要实现动子滑块3向右运动时，首先在左边微位移放大机构两侧的压电叠堆通一定幅值的电压，使得微位移放大机构的驱动足10-1往切向变形，与接触杆4充分接触并推动接触杆往切向运动，因为结构上的设计，此时接触杆相当于一个杠杆，将微位移放大机构输出的位移放大并在变幅杆端杠杆放大输出，与动子滑块的耐摩擦部分充分接触。然后在接触杆下端的第一压电叠堆通一定幅值的直流电压，由于压电叠堆逆压电效应，会在竖直方向输出一定大小的位移，由于结构上的设计，将竖直方向上的第一压电叠堆输出的位移在变幅杆端杠杆放大输出，提供一定的预紧力。之后停止施加激励，再恢复之前的电压波形激励，如此循环，在摩擦力的作用下，动子滑块在水平推力作用下往右滑动。

为实现接触杆持续带动动子滑块变形，如图5所示，微位移放大机构两侧的压电叠堆施加的电压波形为间断的三角波，第一压电叠堆施加的电压波形为间断的梯形波。

如图6所示，微位移放大结构输出的位移随施加的电压波形一样，呈三角锯齿波型。在t1到t2阶段，动子滑块随着压电叠堆输出位移的提高而提高，t2到t3阶段，压电叠堆的位移由于电压的减小下降，动子滑块由于运动的惯性的作用继续往前运动，但位移量增长缓慢，t3到t阶段，压电叠堆不给予激励位移为0，动子滑块保持静止，从t1到t算一个激励周期。在提供这样激励的同时，右端接触杆右端的压电叠堆输入一定幅值的电压，使得压电叠堆输出一定量的位移和力，减少中心固定块所受左边压电叠堆输出力过大而导致的疲劳破坏。要使动子向反方向运动时，激励另一侧压电叠堆即可。本发明所描述的三角波和梯形波电压信号在接触杆变幅端4-1处产生两个垂直线性运动轨迹。通过控制该运动轨迹即可实现电机的驱动。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。