三角位移轉(zhuǎn)換式壓電直線電機(jī)

王　寅，潘　松，黃衛(wèi)清，余　卿

(1.華僑大學(xué) 機(jī)電及自動化學(xué)院，福建 廈門 361021;

2.南京航空航天大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016)

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三角位移轉(zhuǎn)換式壓電直線電機(jī)

王寅1*，潘松2，黃衛(wèi)清2，余卿1

(1.華僑大學(xué) 機(jī)電及自動化學(xué)院，福建 廈門 361021;

2.南京航空航天大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016)

為了在保持電機(jī)精度的同時(shí)獲得較大作動行程，提出了一種以疊層壓電陶瓷作為激勵(lì)振動源的壓電直線電機(jī)。分析了電機(jī)的工作原理，推導(dǎo)了電機(jī)驅(qū)動足在工作時(shí)的運(yùn)動軌跡。設(shè)計(jì)安裝了電機(jī)樣機(jī)，并對其定子進(jìn)行了測試。最后，在兩種激發(fā)條件下實(shí)驗(yàn)研究了電機(jī)的整機(jī)性能。結(jié)果表明：單組疊層壓電陶瓷激勵(lì)時(shí)，該樣機(jī)定子驅(qū)動頭在接觸面法向和切向同時(shí)具有振動分量，并能夠在階躍和連續(xù)兩種不同激勵(lì)方式下實(shí)現(xiàn)單向大行程直線運(yùn)動。以鋸齒波激勵(lì)時(shí)可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)動，激勵(lì)頻率為20 Hz時(shí)步距為0.1 μm；以兩路相位差π/2的正弦波激勵(lì)時(shí)，可在1.5 kHz到5.8 kHz的激勵(lì)頻率區(qū)間輸出穩(wěn)定連續(xù)的直線運(yùn)動，其運(yùn)動速度隨激勵(lì)頻率的升高而增大，在峰-峰值110 V(50 V偏置)的正弦電壓激勵(lì)下其推力可達(dá)4.8 N。該電機(jī)具有高位置分辨率和寬頻率響應(yīng)，可以在兩種工作模式下分別穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)直線步進(jìn)和大行程連續(xù)運(yùn)行。

直線電機(jī)；壓電電機(jī);疊層壓電陶瓷；三角位移轉(zhuǎn)換；雙模式

*Correspondingauthor,E-mail:yin.wangyin@hqu.edu.cn

1　引　言

20世紀(jì)下半葉，隨著對壓電陶瓷材料研究的深入，具有高性能的鈣鈦礦壓電陶瓷被研制出來。該材料的逆壓電效應(yīng)在作動器上的應(yīng)用在世界范圍內(nèi)引起了學(xué)者的廣泛興趣。由此產(chǎn)生了形態(tài)多樣、原理各異的壓電電機(jī)，壓電直線電機(jī)也由此產(chǎn)生[1,2]。壓電陶瓷具有高剛度、寬頻響的特性，可達(dá)到較高的位置分辨率，但是其微小的應(yīng)變輸出使其作動行程有限，成為其在作動器中應(yīng)用中的瓶頸。

將壓電陶瓷作為激振單元激發(fā)彈性體的高頻振動模態(tài),通過結(jié)構(gòu)共振實(shí)現(xiàn)較大位移輸出可突破這一瓶頸[3-5]。應(yīng)用這一原理的壓電直線電機(jī)使用定子體的單一或者多個(gè)振動模態(tài)進(jìn)行工作，最終通過摩擦將定子體的機(jī)械振動能轉(zhuǎn)換為負(fù)載的動能。該類電機(jī)可以通過控制壓電陶瓷上施加的電場實(shí)現(xiàn)超高分辨率(納米級)的定位，即直接利用壓電陶瓷的變形，也可在高頻振動下高速連續(xù)運(yùn)行從而獲得大行程運(yùn)動[6]。然而，工作在共振狀態(tài)的電機(jī)性能隨共振頻率變化顯著，此外，高頻驅(qū)動電路使得該類電機(jī)性能輸出呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性，使得該類電機(jī)的控制問題變得復(fù)雜。

隨著壓電陶瓷材料制作工藝的改進(jìn)，出現(xiàn)了另一種方法，即將多層片狀壓電陶瓷疊層放置并將電機(jī)以特定形式封裝的集成元件，即疊層壓電陶瓷[7]。疊層壓電陶瓷具有激勵(lì)電壓低，輸出應(yīng)變大等特性，一些集成度高的疊層壓電陶瓷也具有較寬的響應(yīng)頻率[8]。針對疊層壓電陶瓷在作動器上的開發(fā)研究可根據(jù)工作方式分為尺蠖式壓電直線電機(jī)[9-11]，慣性沖擊式壓電直線電機(jī)[12,13]，直接利用疊層壓電陶瓷變形的微動臺以及采用彈性放大機(jī)構(gòu)放大疊層壓電陶瓷輸出變形的壓電電機(jī)等[14, 15]。其中，直接利用疊層壓電陶瓷變形的微動臺的行程一般在微米級，采用彈性放大機(jī)構(gòu)放大疊層壓電陶瓷輸出變形的壓電作動器的行程增大的同時(shí)其彈性放大機(jī)構(gòu)的剛度將迅速減?。粦T性沖擊式壓電直線電機(jī)利用激勵(lì)波形或者電機(jī)結(jié)構(gòu)的不對稱性獲得往返振動加速度的不對稱，從而獲得單向運(yùn)動，但不適合在具有沖擊載荷的環(huán)境中使用；尺蠖式壓電直線電機(jī)機(jī)構(gòu)較復(fù)雜[11]，需要至少3組壓電執(zhí)行單元協(xié)同工作，這對3組壓電執(zhí)行單元的加工精度和裝配要求較高，并且驅(qū)動電路至少要提供3路不同相位的激勵(lì)信號，由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，該類電機(jī)工作頻率較低，不易獲得較快的運(yùn)動速度[16]。

為避免因共振帶來的非線性，提升穩(wěn)定性并獲得較大作動行程，本文提出了工作在非共振狀態(tài)的壓電直線電機(jī)，利用疊層壓電陶瓷輸出變形大、激勵(lì)電壓低和頻率響應(yīng)寬的特性，研制了具有高位置分辨率和寬頻率響應(yīng)的大行程壓電直線電機(jī)，分析其工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，并通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

2　壓電直線電機(jī)的構(gòu)成及其工作原理

2.1壓電直線電機(jī)的構(gòu)成

電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由定子、動子及定子夾持裝置等構(gòu)成。其中，動子為一根由安裝在導(dǎo)向滑塊中的導(dǎo)軌，其表面黏附一根氧化鋁陶瓷條，定子的驅(qū)動頭與動子導(dǎo)軌表面的氧化鋁陶瓷條直接接觸；夾持裝置由導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和預(yù)緊機(jī)構(gòu)組成[17]，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由3組滾動軸承及壓緊彈簧構(gòu)成，定子固定安裝在由3個(gè)軸承導(dǎo)向的滑座上，用于約束定子在定、動子接觸面切向的運(yùn)動自由度，并允許其在接觸面法向自由滑動，滑座下面有一彈簧預(yù)緊機(jī)構(gòu)，用于施加定子驅(qū)動頭與動子之間的接觸力。

圖1　電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Structure diagram of motor

2.2壓電直線電機(jī)的工作原理

壓電直線電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，首先，疊層壓電陶瓷輸出的變形經(jīng)定子中三角位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的變換在驅(qū)動頭處產(chǎn)生沿接觸面法向和切向的位移分量，兩組疊層壓電陶瓷同時(shí)以一定相位激勵(lì)定子振動時(shí)，定子的驅(qū)動頭以特定的橢圓軌跡運(yùn)動。這時(shí)，由于定子驅(qū)動頭以一定預(yù)壓力接觸動子，動子和定子接觸面產(chǎn)生單向摩擦功從而使動子在驅(qū)動頭的摩擦力推動下運(yùn)動。根據(jù)定子驅(qū)動頭的不同運(yùn)動形式，壓電直線電機(jī)的工作模式可以分為步進(jìn)模式和連續(xù)模式。

圖2　定子原理示意圖Fig.2　Principle diagram of stator

為便于分析驅(qū)動頭的運(yùn)動軌跡，定子的原理如圖2所示，在驅(qū)動頭位置設(shè)置直角坐標(biāo)系x-o-y，三角位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)簡化為等腰三角形。當(dāng)只給兩個(gè)疊層壓電陶瓷中的一個(gè)壓電堆施加直流電壓，疊層壓電陶瓷的變形量用D表示，那么驅(qū)動頭在直角坐標(biāo)系x-o-y中的位移可表示為:

(1)

其中:a為等腰三角形腰長，l為等腰三角形底邊長，θ為底角。

如果給其中一個(gè)疊層壓電陶瓷所施加的電壓的波形為鋸齒波，則在鋸齒波的上升沿驅(qū)動頭將由于摩擦力的作用帶動動子以相對緩慢的速度運(yùn)動，在鋸齒波下降沿驅(qū)動頭迅速往回運(yùn)動，而這時(shí)的動子將由于慣性在整個(gè)運(yùn)動過程中產(chǎn)生步進(jìn)。

當(dāng)兩個(gè)疊層壓電陶瓷分別施加等幅同頻并且在相位上相差π/2的正弦電壓激勵(lì)信號時(shí)，由疊加原理，可以得到驅(qū)動頭的運(yùn)動軌跡參數(shù)為：

(2)

(3)

式(3)為橢圓方程。這說明在兩個(gè)疊層壓電陶瓷分別施加等幅同頻并且在相位上相差π/2的正弦電壓激勵(lì)信號時(shí)，驅(qū)動頭將以橢圓軌跡運(yùn)動。

在上述兩相正弦電壓的頻率較高時(shí)，驅(qū)動足在一個(gè)周期內(nèi)僅有部分時(shí)段與動子接觸，可以保證每次驅(qū)動頭接觸動子時(shí)的摩擦力都是同一個(gè)方向，由于慣性動子將在驅(qū)動頭高頻間歇推動下輸出連續(xù)直線運(yùn)動。

3　三角轉(zhuǎn)換式壓電直線電機(jī)設(shè)計(jì)制作

3.1電機(jī)定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3所示為三角轉(zhuǎn)換式定子結(jié)構(gòu)三維模型圖，主要包括三角轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)墊塊、銷、兩組疊層壓電陶瓷、板彈簧、預(yù)緊螺釘和基體等。其驅(qū)動足呈三角形，疊層壓電陶瓷的支撐面一面貼緊三角轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，另一面則緊貼安裝在基體的調(diào)整墊塊上。該調(diào)整墊塊通過銷與基體相連，該設(shè)計(jì)可預(yù)防疊層壓電陶瓷發(fā)生應(yīng)力集中。疊層壓電陶瓷的預(yù)緊力由板彈簧的變形回復(fù)力提供，在三角轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中部下方有一柔性鉸鏈連接的附屬結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)上設(shè)有螺紋孔，有一預(yù)緊螺釘穿過板彈簧和基體與三角轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)相連，調(diào)節(jié)螺釘使板彈簧處于預(yù)變形狀態(tài)；該附屬結(jié)構(gòu)用柔性鉸鏈連接，這是因?yàn)樵陔姍C(jī)工作時(shí)三角形轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)存在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，為防止預(yù)緊機(jī)構(gòu)阻礙三角轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動采用柔性鉸鏈連接。

圖3　電機(jī)定子三維模型Fig.3　3D model of stator

3.2樣機(jī)制作

三角轉(zhuǎn)換式壓電直線電機(jī)定子的所有零件中，所用彈性零件都經(jīng)熱處理、拋光和表面防銹處理。其中，板簧材質(zhì)選用65 Mn，其余零件皆使用45鋼加工。圖4所示為裝配后的三角轉(zhuǎn)換式壓電直線電機(jī)定子，定子高為35 mm。

圖4　裝配后的定子Fig.4　Assembled stator

圖5所示為采用直線滑道式夾持機(jī)構(gòu)的三角轉(zhuǎn)換式電機(jī)，其后的預(yù)壓機(jī)構(gòu)可通過調(diào)整彈簧導(dǎo)桿的位置來調(diào)節(jié)預(yù)壓力。動子使用了帶導(dǎo)向滑塊的直線滑軌。

圖5　電機(jī)裝配總成Fig.5　Whole assembled motor

4　樣機(jī)測試實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

4.1定子驅(qū)動足振動響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

樣機(jī)的驅(qū)動頭材料為45鋼，疊層壓電陶瓷選用德國PI公司的PL055，其尺寸參數(shù)為長5 mm、寬5 mm、厚2 mm，該疊層壓電陶瓷在100 V的電壓激勵(lì)下輸出位移標(biāo)稱值為2.2 μm，并且其推薦預(yù)緊力為15 MPa，通過與3片板簧相接觸的螺母來預(yù)緊疊層壓電陶瓷。完成定子的安裝后首先進(jìn)行驅(qū)動頭運(yùn)動軌跡測量，測試裝置如圖6所示，為避免外界振動噪聲的干擾，測量對象至于氣浮工作臺上，所用位移傳感器為基恩士公司產(chǎn)品LK-030系列激光位移傳感器，通過激光三角法獲得驅(qū)動頭的運(yùn)動信息。

當(dāng)給其中一個(gè)壓電疊堆施加幅值為100 V的方波電壓時(shí)，驅(qū)動頭在x和y方向上的位移輸出的幅值約為1.7 μm，該數(shù)值經(jīng)換算后與疊層壓電陶瓷的位移標(biāo)稱值相近，說明兩組激勵(lì)原件正常工作且定子安裝合理。

(a) 測量裝置實(shí)驗(yàn)照片(a) Photo of measurement set-up

(b) 測量位置示意(b) Demonstration of measuring points圖6　驅(qū)動頭運(yùn)動軌跡測量裝置Fig.6　Measuring equipment of trajectory of drive tip

4.2壓電直線電機(jī)輸出特性實(shí)驗(yàn)

動子的運(yùn)動測試裝置如圖7所示，將激光位移傳感器的監(jiān)測光線方向與導(dǎo)軌運(yùn)動方向調(diào)整至平行，并將光點(diǎn)打在導(dǎo)軌一端。

圖7　直線電機(jī)運(yùn)動輸出測量示意Fig.7　Measuring equipment arrangement of linear motor output

當(dāng)僅給其中一個(gè)疊層壓電陶瓷施加幅值為110 V的鋸齒波電壓時(shí)，動子在定子的帶動下產(chǎn)生往返運(yùn)動，由于往返運(yùn)動的加速度存在較大差異，在加速度較小時(shí)動子隨著驅(qū)動頭一起運(yùn)動，在驅(qū)動頭以較大加速度復(fù)位時(shí)，動子由于自身慣性與驅(qū)動頭產(chǎn)生相對滑動，從而動子每個(gè)周期都會產(chǎn)生單方向的步進(jìn)運(yùn)動。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在頻率為1 Hz時(shí)，直線電機(jī)的步距為0.17 μm；在20 Hz的頻率下電機(jī)的步距為0.1 μm。

(a) 激勵(lì)頻率2 Hz(a) Exciting frequency is 2 Hz

(b) 激勵(lì)頻率20 Hz (b) Exciting frequency is 20 Hz圖8　步進(jìn)分辨率測量Fig.8　Measurement of resolution

圖9　激勵(lì)頻率與輸出速度的關(guān)系Fig.9　Relationship between the Incentive frequency and output speed

當(dāng)分別給兩個(gè)疊層壓電陶瓷施加峰峰值110 V(正50 V偏置)的兩相相位差π/2的正弦電壓時(shí)[18]，改變激勵(lì)電壓的頻率可以得到壓電直線電機(jī)輸出速度與激勵(lì)電壓頻率之間的關(guān)系，如圖9所示。由圖9可以看出，電機(jī)在1.5 kHz到5.8 kHz的較寬頻段內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，壓電直線電機(jī)的輸出速度隨激勵(lì)電壓頻率的升高而逐漸增大并近似線性關(guān)系。采用在導(dǎo)軌一端懸掛重物的辦法測量電機(jī)的機(jī)械特性，在激勵(lì)電壓的頻率為5.8 kHz、驅(qū)動頭與動子之間的預(yù)壓力為7 N時(shí)，壓電直線電機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖10所示，電機(jī)可輸出最大4.8 N的推力。

圖10　機(jī)械特性曲線Fig.10　Curve of mechanical characteristics

從上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，壓電直線電機(jī)由于避免使用共振，其輸出速度與激勵(lì)頻率呈近似線性關(guān)系，與直線超聲電機(jī)在共振區(qū)強(qiáng)烈的非線性特性相比，其頻率穩(wěn)定性顯著改善，這對提高電機(jī)的穩(wěn)定性和可控性具有積極意義；另外，壓電直線電機(jī)采用作動方向尺寸僅為2 mm的疊層壓電陶瓷，可以在較低的激勵(lì)電壓下實(shí)現(xiàn)驅(qū)動，一般疊層壓電陶瓷作動方向尺寸可以做到10 mm以上，如果采用作動方向尺寸10 mm的激勵(lì)元件就可以在20 V的激勵(lì)電壓下獲得相同的輸出特性，這是利用共振原理的直線超聲電機(jī)難以實(shí)現(xiàn)的。

5　結(jié)　論

本文利用疊層壓電陶瓷激勵(lì)電壓低，頻率響應(yīng)寬的特點(diǎn)提出了一種具有兩種作動模式的壓電直線電機(jī)，在三角形位移轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換下，疊層壓電陶瓷的輸出位移傳遞至驅(qū)動頭并在接觸面法向和切向同時(shí)具有振動分量；在兩路正弦電壓信號激勵(lì)下，驅(qū)動頭振動軌跡為橢圓。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：電機(jī)在較低的激勵(lì)電壓下可實(shí)現(xiàn)兩種工作模式的作動。在步進(jìn)模式下，電機(jī)的位移分辨率可達(dá)0.1 μm；連續(xù)作動模式下，其輸出速度隨激勵(lì)頻率的升高而增大；在7 N的預(yù)壓力下，兩路激勵(lì)電壓頻率為5.8 kHz，并且電壓峰峰值為110 V(50 V正偏置)的電壓激勵(lì)下，電機(jī)的輸出推力可達(dá)4.8 N。

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王寅(1986-)，男，江蘇淮安人，博士，講師，2003年于南京航空航天大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,2014年于南京航空航天大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事壓電精密驅(qū)動研究。E-mail: yin.wangyin@hqu.edu.cn

導(dǎo)師簡介：

黃衛(wèi)清(1965-)，男，江蘇南通人，教授，博士生導(dǎo)師，新世紀(jì)百千萬人才工程、國家教育部優(yōu)秀人才計(jì)劃、江蘇省333工程第二層次獲得者，1987年于南京航空航天大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，1990年于南京航空航天大學(xué)獲得碩士學(xué)位，1999年于香港理工大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事壓電精密致動技術(shù)的研究。E-mail: mehwq@nuaa.edu.cn

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Linear piezoelectric motor with triangular displacement transformer

WANG Yin1*, PAN Song2, HUANG Wei-qing2, YU Qing1

(1.CollegeofMechanicalEngineeringandAutomation,HuaqiaoUniversity,Xiamen361021,China; 2.StateKeyLaboratoryofMechanicsandControlofMechanicalStructures,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)

A linear piezoelectric motor was proposed by using the stacked piezoelectric ceramics as a excited vibration source to enlarge its stroke and to maintain a higher precision. The working principle of the linear motor was analyzed, and the moving trajectory equation of the driving tip in the linear motor was deduced at a working state. The construction of the linear motor was designed, and a prototype of the motor was fabricated, assembled and tested. Finally, the motion performance of the motor was measured under two different exciting conditions. Experimental results indicate that the driving tip of the stator in the motor vibrates both normally and tangentially and the motor is capable of two operation modes, including the stepping mode excited by single channel saw-tooth wave voltage signal and the continuous mode excited by dual channel sinusoidal voltage signals with a phase difference of π/2. In the former mode, the resolution of step reaches 0.1 μm under driving frequency 20 Hz; while in the later mode, the motor moves stably during frequency band from 1.5 kHz to 5.8 kHz and its speed increases with the frequency. When the two sinusoidal exciting voltages are to be peak to peak of 100V,the offset of 50 V and a frequency of 5.8 kHz, the thrust of the prototype reaches 4.8 N. In conclusion, the proposed piezoelectric motor is capable of realizing both high resolution and long travel at dual operation modes.

linear motor; piezoelectric motor; stacked piezoelectric ceramics; triangular displacement transformer; dual modes

2016-02-15；

2016-03-20.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (No.51505161，No.51575260，No.51375224)；華僑大學(xué)高層次人才科研啟動資金資助項(xiàng)目(No.15BS102)

1004-924X(2016)08-1973-07

TM359.4

A

10.3788/OPE.20162408.1973