弯振复合模态足式压电驱动器的跨尺度驱动方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 104022682 A (43)申请公布日 2014.09.03 CN 104022682 A (21)申请号 201410290777.6 (22)申请日 2014.06.25 H02N 2/06(2006.01) (71)申请人 哈尔滨工业大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大 直街 92 号 (72)发明人 刘英想 冯培连 陈维山 刘军考 石胜君 (74)专利代理机构 哈尔滨市松花江专利商标事 务所 23109 代理人 张利明 (54) 发明名称 弯振复合模态足式压电驱动器的跨尺度驱动 方法 (57) 摘要 弯振复合模态足式压电驱动器的跨尺度驱动 。

2、方法， 属于压电驱动技术领域。 本发明是为了解决 现有的弯振复合模态足式压电驱动器的定位精度 和分辨力低的问题。它选择下述三种激励模式之 一、 两种激励模式的组合或者三种激励模式的组 合来实现不同位移尺度的输出 ： 第一种为交流连 续激励模式， 该激励模式给两组弯振压电陶瓷片 分别施加在时间上具有 90 度相位差的两相连续 交流激励电压 ； 第二种为脉冲步进激励模式， 该 激励模式给两组弯振压电陶瓷片分别施加在时间 上具有 90 度相位差的两相脉冲激励电压 ； 第三种 为直流微驱动模式， 该激励模式给一组弯振压电 陶瓷片施加直流电压， 另一组弯振压电陶瓷片为 悬空状态。本发明用于实现足式压电驱。

3、动器的跨 尺度驱动。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 104022682 A CN 104022682 A 1/2 页 2 1. 一种弯振复合模态足式压电驱动器的跨尺度驱动方法， 所述弯振复合模态足式压电 驱动器包括两组弯振压电陶瓷片和驱动足， 其特征在于， 所述驱动器的驱动方法根据目标 输出位移选择下述三种激励模式之一、 两种激励模式的组合或者三种激励模式的组合来实 现不同位移尺度的输出 ； 三种激励模式分别为 ： 第一种为交流。

4、连续激励模式， 该激励模式给两组弯振压电陶瓷片分别施加在时间上具 有 90 度相位差的两相连续交流激励电压， 以实现驱动器两个正交弯曲振动的复合激励， 从 而在驱动足处产生持续的椭圆轨迹的振动 ； 该振动能够驱动动子实现大推力、 大位移、 快速 及连续的运动输出， 所述大位移指位移大小不受限制 ； 第二种为脉冲步进激励模式， 该激励模式给两组弯振压电陶瓷片分别施加在时间上具 有 90 度相位差的两相脉冲激励电压， 以实现驱动器两个正交弯曲振动的脉冲式复合激励， 从而在驱动足处产生间歇性的椭圆轨迹的振动 ； 该振动能够驱动动子实现微米尺度分辨 力、 低速及断续的步进输出 ； 第三种为直流微驱动模。

5、式， 该激励模式给一组弯振压电陶瓷片施加直流电压， 另一组 弯振压电陶瓷片为悬空状态， 实现驱动器单方向的弯曲变形， 从而在驱动足处产生单一方 向的位移输出 ； 该位移输出能够驱动动子实现纳米尺度分辨力及微米尺度行程的输出， 通 过调整直流电压幅值实现动子输出位移的精确调整。 2. 根据权利要求 1 所述的弯振复合模态足式压电驱动器的跨尺度驱动方法， 其特征在 于， 所述弯振复合模态足式压电驱动器在直流微驱动模式下获得的驱动足最大输出位移高 于脉冲步进激励模式下能够获得的驱动足最佳分辨力。 3. 根据权利要求 1 所述的弯振复合模态足式压电驱动器的跨尺度驱动方法， 其特征在 于， 当驱动器目标。

6、输出位移小于或者等于直流微驱动模式的最大输出位移时， 该目标输出 位移为微米量级， 驱动器采用直流微驱动模式实现小尺度位移、 高定位精度和分辨力的输 出。 4. 根据权利要求 1 所述的弯振复合模态足式压电驱动器的跨尺度驱动方法， 其特征在 于， 当驱动器目标输出位移大于直流微驱动模式的最大输出位移且不高于毫米量级， 则驱 动器首先采用脉冲步进激励模式， 直至该激励模式获得的输出位移与目标输出位移的差值 小于或者等于直流微驱动模式的最大输出位移时， 驱动器切换至直流微驱动模式， 实现最 终的精确定位。 5. 根据权利要求 1 所述的弯振复合模态足式压电驱动器的跨尺度驱动方法， 其特征在 于， 。

7、当驱动器目标输出位移为数十毫米量级以上时， 则驱动器首先采用交流连续激励模式 ； 在实际输出位移未达到目标输出位移时， 每一设定采样周期采集一次当前实际输出位移 ； 再计算当前实际输出位移与目标输出位移的差值， 并采用下述方法之一实现最终精确定 位 ： 方法一 ： 当当前实际输出位移与目标输出位移的差值大于直流微驱动模式的最大输出 位移并且不高于毫米量级时， 切换至脉冲步进激励模式， 进行步进调整 ； 继续采集当前实际输出位移， 当当前实际输出位移与目标输出位移的差值小于或者 等于直流微驱动模式的最大输出位移时， 驱动器切换至直流微驱动模式， 实现最终精确定 位 ； 方法二 ： 当当前实际输出。

8、位移与目标输出位移的差值小于或者等于直流微驱动模式的 权 利 要 求 书 CN 104022682 A 2 2/2 页 3 最大输出位移时， 驱动器直接切换至直流微驱动模式， 实现最终精确定位。 6. 根据权利要求 1、 2、 3、 4 或 5 所述的弯振复合模态足式压电驱动器的跨尺度驱动方 法， 其特征在于， 交流连续激励模式和脉冲步进激励模式的激励电压波形为正弦波波形、 方 波波形、 三角波波形或者梯形波波形。 权 利 要 求 书 CN 104022682 A 3 1/4 页 4 弯振复合模态足式压电驱动器的跨尺度驱动方法 技术领域 0001 本发明涉及弯振复合模态足式压电驱动器的跨尺度驱。

9、动方法， 属于压电驱动技术 领域。 背景技术 0002 压电超声驱动技术是一种利用压电陶瓷的逆压电效应， 在弹性体中激励出超声频 段内的振动， 在弹性体表面特定点或特定区域形成具有特定轨迹的质点运动， 进而通过定 子、 转子之间的摩擦耦合将质点的微观运动转换成转子的宏观运动的技术。压电超声驱动 器具有低速大转矩、 无需变速机构、 无电磁干扰、 响应速度快和断电自锁等优点。 0003 基于弯曲振动复合实现驱动的压电超声驱动器具有结构简单、 无需模态简并、 效率高、 出力大的突出优点， 例如中国专利 弯振模态梁式直线超声电机振子 ， 公开号为 101626203， 公开日为 2010-01-13，。

10、 提出了一种弯振模态梁式直线超声驱动器的振子， 它解 决了因陶瓷材料抗拉强度低和机电耦合效率低造成的超声驱动器的机械输出能力受到制 约的问题， 具有结构简单、 设计灵活、 机电耦合效率高、 可实现大力矩输出、 性能稳定、 易于 控制、 可系列化生产的优点。 0004 但是， 具有这种振子的驱动器实际工作时通过给两组弯振压电陶瓷片施加连续的 交流电压来激励出驱动足处质点的连续的椭圆轨迹振动， 进而通过摩擦耦合实现动子致 动 ； 由于采用连续交变电压进行驱动， 其定位精度和分辨力一般只能达到微米级， 难于实现 进一步提高， 因此， 无法满足超精密加工、 微纳制造和生命科学等领域飞速发展的需要。 发。

11、明内容 0005 本发明目的是为了解决现有的弯振复合模态足式压电驱动器的定位精度和分辨 力低的问题， 提供了一种弯振复合模态足式压电驱动器的跨尺度驱动方法。 0006 本发明所述弯振复合模态足式压电驱动器的跨尺度驱动方法， 所述弯振复合模态 足式压电驱动器包括两组弯振压电陶瓷片和驱动足， 所述驱动器的驱动方法根据目标输出 位移选择下述三种激励模式之一、 两种激励模式的组合或者三种激励模式的组合来实现不 同位移尺度的输出 ； 三种激励模式分别为 ： 0007 第一种为交流连续激励模式， 该激励模式给两组弯振压电陶瓷片分别施加在时间 上具有 90 度相位差的两相连续交流激励电压， 以实现驱动器两个。

12、正交弯曲振动的复合激 励， 从而在驱动足处产生持续的椭圆轨迹的振动 ； 该振动能够驱动动子实现大推力、 大位 移、 快速及连续的运动输出， 所述大位移指位移大小不受限制 ； 0008 第二种为脉冲步进激励模式， 该激励模式给两组弯振压电陶瓷片分别施加在时间 上具有 90 度相位差的两相脉冲激励电压， 以实现驱动器两个正交弯曲振动的脉冲式复合 激励， 从而在驱动足处产生间歇性的椭圆轨迹的振动 ； 该振动能够驱动动子实现微米尺度 分辨力、 低速及断续的步进输出 ； 0009 第三种为直流微驱动模式， 该激励模式给一组弯振压电陶瓷片施加直流电压， 另 说 明 书 CN 104022682 A 4 2。

13、/4 页 5 一组弯振压电陶瓷片为悬空状态， 实现驱动器单方向的弯曲变形， 从而在驱动足处产生单 一方向的位移输出 ； 该位移输出能够驱动动子实现纳米尺度分辨力及微米尺度行程的输 出， 通过调整直流电压幅值实现动子输出位移的精确调整。 0010 所述弯振复合模态足式压电驱动器在直流微驱动模式下获得的驱动足最大输出 位移高于脉冲步进激励模式下能够获得的驱动足最佳分辨力。 0011 当驱动器目标输出位移小于或者等于直流微驱动模式的最大输出位移时， 该目标 输出位移为微米量级， 驱动器采用直流微驱动模式实现小尺度位移、 高定位精度和分辨力 的输出。 0012 当驱动器目标输出位移大于直流微驱动模式的。

14、最大输出位移且不高于毫米量级， 则驱动器首先采用脉冲步进激励模式， 直至该激励模式获得的输出位移与目标输出位移的 差值小于或者等于直流微驱动模式的最大输出位移时， 驱动器切换至直流微驱动模式， 实 现最终的精确定位。 0013 当驱动器目标输出位移为数十毫米量级以上时， 则驱动器首先采用交流连续激励 模式 ； 在实际输出位移未达到目标输出位移时， 每一设定采样周期采集一次当前实际输出 位移 ； 再计算当前实际输出位移与目标输出位移的差值， 并采用下述方法之一实现最终精 确定位 ： 0014 方法一 ： 当当前实际输出位移与目标输出位移的差值大于直流微驱动模式的最大 输出位移并且不高于毫米量级时。

15、， 切换至脉冲步进激励模式， 进行步进调整 ； 0015 继续采集当前实际输出位移， 当当前实际输出位移与目标输出位移的差值小于或 者等于直流微驱动模式的最大输出位移时， 驱动器切换至直流微驱动模式， 实现最终精确 定位 ； 0016 方法二 ： 当当前实际输出位移与目标输出位移的差值小于或者等于直流微驱动模 式的最大输出位移时， 驱动器直接切换至直流微驱动模式， 实现最终精确定位。 0017 交流连续激励模式和脉冲步进激励模式的激励电压波形为正弦波波形、 方波波 形、 三角波波形或者梯形波波形。 0018 本发明的优点 ： 本发明针对现有压电驱动器在具备快速、 大行程响应能力的同时， 难于兼。

16、具高精度、 纳米尺度定位功能这一突出问题， 通过三种激励模式的结合解决了强载、 快速、 大行程和高精度之间的矛盾。其中交流连续激励模式可以驱动动子实现大推力、 大 位移、 快速、 连续的运动输出 ； 脉冲步进激励模式可以驱动动子实现微米尺度分辨力、 低速、 断续的步进输出 ； 直流微驱动模式可以驱动动子实现纳米尺度分辨力、 微米尺度行程的输 出。 通过三种激励模式的复合应用， 使得弯振复合模态足式压电驱动器不仅具备快速、 大行 程响应能力， 同时具备高精度、 纳米尺度定位功能。 本发明可以应用到超精密压电驱动技术 中。 0019 本发明实现了对驱动器真正的跨尺度、 超精密驱动， 该方法广泛适用。

17、于驱动各种 利用弯曲振动模态复合实现致动的压电驱动器。 附图说明 0020 图 1 是本发明所述驱动方法的驱动器在交流连续激励模式下两组弯振压电陶瓷 片分别施加的两相连续交流激励电压的波形图 ； 说 明 书 CN 104022682 A 5 3/4 页 6 0021 图 2 是本发明所述驱动方法的驱动器在脉冲步进激励模式下两组弯振压电陶瓷 片分别施加的两相脉冲激励电压的波形图 ； 0022 图 3 是本发明所述驱动方法的驱动器在直流微驱动模式下两组弯振压电陶瓷片 分别施加的直流电压的波形图。 具体实施方式 0023 具体实施方式一 ： 下面结合图 1、 图 2 和图 3 说明本实施方式， 本实。

18、施方式为一种 弯振复合模态足式压电驱动器的跨尺度驱动方法， 所述弯振复合模态足式压电驱动器包括 两组弯振压电陶瓷片和驱动足， 所述驱动器的驱动方法根据目标输出位移选择下述三种激 励模式之一、 两种激励模式的组合或者三种激励模式的组合来实现不同位移尺度的输出 ； 三种激励模式分别为 ： 0024 第一种为交流连续激励模式， 该激励模式给两组弯振压电陶瓷片分别施加在时间 上具有 90 度相位差的两相连续交流激励电压， 以实现驱动器两个正交弯曲振动的复合激 励， 从而在驱动足处产生持续的椭圆轨迹的振动 ； 该振动能够驱动动子实现大推力、 大位 移、 快速及连续的运动输出， 所述大位移指位移大小不受限。

19、制 ； 0025 第二种为脉冲步进激励模式， 该激励模式给两组弯振压电陶瓷片分别施加在时间 上具有 90 度相位差的两相脉冲激励电压， 以实现驱动器两个正交弯曲振动的脉冲式复合 激励， 从而在驱动足处产生间歇性的椭圆轨迹的振动 ； 该振动能够驱动动子实现微米尺度 分辨力、 低速及断续的步进输出 ； 0026 第三种为直流微驱动模式， 该激励模式给一组弯振压电陶瓷片施加直流电压， 另 一组弯振压电陶瓷片为悬空状态， 实现驱动器单方向的弯曲变形， 从而在驱动足处产生单 一方向的位移输出 ； 该位移输出能够驱动动子实现纳米尺度分辨力及微米尺度行程的输 出， 通过调整直流电压幅值实现动子输出位移的精确。

20、调整。 0027 本实施方式中的直流微驱动模式中， 弯振压电陶瓷片的悬空状态指其不被施加电 压， 该模式可通过调整直流电压幅值实现动子输出位移的精确调整。 0028 具体实施方式二 ： 本实施方式对实施方式一作进一步说明， 所述弯振复合模态足 式压电驱动器在直流微驱动模式下获得的驱动足最大输出位移高于脉冲步进激励模式下 能够获得的驱动足最佳分辨力。 0029 本实施方式能够保证脉冲步进激励模式和直流微驱动模式实现有效的衔接与互 补。 0030 具体实施方式三 ： 本实施方式对实施方式一或二作进一步说明， 当驱动器目标输 出位移小于或者等于直流微驱动模式的最大输出位移时， 该目标输出位移为微米量。

21、级， 驱 动器采用直流微驱动模式实现小尺度位移、 高定位精度和分辨力的输出。 0031 具体实施方式四 ： 本实施方式对实施方式一或二作进一步说明， 当驱动器目标输 出位移大于直流微驱动模式的最大输出位移且不高于毫米量级， 则驱动器首先采用脉冲步 进激励模式， 直至该激励模式获得的输出位移与目标输出位移的差值小于或者等于直流微 驱动模式的最大输出位移时， 驱动器切换至直流微驱动模式， 实现最终的精确定位。 0032 具体实施方式五 ： 本实施方式对实施方式一或二作进一步说明， 当驱动器目标输 出位移为数十毫米量级以上时， 则驱动器首先采用交流连续激励模式 ； 在实际输出位移未 说 明 书 CN。

22、 104022682 A 6 4/4 页 7 达到目标输出位移时， 每一设定采样周期采集一次当前实际输出位移 ； 再计算当前实际输 出位移与目标输出位移的差值， 并采用下述方法之一实现最终精确定位 ： 0033 方法一 ： 当当前实际输出位移与目标输出位移的差值大于直流微驱动模式的最大 输出位移并且不高于毫米量级时， 切换至脉冲步进激励模式， 进行步进调整 ； 0034 继续采集当前实际输出位移， 当当前实际输出位移与目标输出位移的差值小于或 者等于直流微驱动模式的最大输出位移时， 驱动器切换至直流微驱动模式， 实现最终精确 定位 ； 0035 方法二 ： 当当前实际输出位移与目标输出位移的差。

23、值小于或者等于直流微驱动模 式的最大输出位移时， 驱动器直接切换至直流微驱动模式， 实现最终精确定位。 0036 具体实施方式六 ： 本实施方式对实施方式一、 二、 三、 四或五作进一步说明， 交流连 续激励模式和脉冲步进激励模式的激励电压波形为正弦波波形、 方波波形、 三角波波形或 者梯形波波形。 0037 本发明方法在工作时， 首先设置驱动器的目标输出位移， 然后根据目标输出位移 的实际大小来判断采用何种激励方式或者激励方式的组合来实现驱动 ： 0038 (1) 若弯振复合模态足式压电驱动器的目标输出位移小于或者等于直流微驱动模 式下可以获得的驱动足最大输出位移， 该位移一般在微米量级， 。

24、则直接进入直流微驱动模 式实现小尺度位移、 高定位精度和分辨力输出。 0039 (2) 若弯振复合模态足式压电驱动器的目标输出位移高于直流微驱动模式下可以 获得的驱动足最大输出位移且不高于毫米量级， 则首先进入脉冲步进激励模式， 实现步进 输出， 直至输出位移与目标位移之间差值低于直流微驱动模式下可以获得的驱动足最大输 出位移为止， 然后切换至直流微驱动模式， 实现最终的精确定位。 0040 (3) 若弯振复合模态足式压电驱动器的目标输出位移在数十毫米以上， 则首先进 入交流连续激励模式实现快速大位移输出， 接近目标位移后停止， 然后进行判断， 若实际位 移与目标输出位移的差值小于或者等于直流。

25、微驱动模式下可以获得的驱动足最大输出位 移， 则直接转换至直流驱动模式， 实现最终的精确定位 ； 若交流连续激励模式输出位移与目 标位移差值大于直流微驱动模式下可以获得的驱动足最大输出位移， 则首先切换至脉冲步 进激励模式， 实现步进调整， 直至输出位移与目标位移之间差值低于或者等于直流微驱动 模式下可以获得的驱动足最大输出位移为止， 最后再切换至直流微驱动模式， 实现最终的 精确定位。 0041 本发明方法适用于背景技术中提到的中国专利 ： 弯振模态梁式直线超声电机振 子， 采用本发明的驱动方法能够提高该电机振子的定位精度和分辨力。 说 明 书 CN 104022682 A 7 1/1 页 8 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 104022682 A 8 。