新型箝位式壓電電機的設(shè)計研究

岳志涵，潘巧生，陶圣至，商靜怡，李曉杰

(合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院測量理論與精密儀器安徽省重點實驗室，安徽合肥230009)

1 引 言

近年來隨著航空航天、生物醫(yī)療、電子信息、精密儀器等高新科技領(lǐng)域的發(fā)展以及現(xiàn)代工業(yè)對高精度自動化控制的需求越來越大，傳統(tǒng)的電磁電機由于原理和結(jié)構(gòu)的限制已經(jīng)不能滿足諸多領(lǐng)域的需求，由此誕生出新型電機，壓電電機是其中較為成熟的一種。壓電電機具有諸多優(yōu)勢，如可以在真空低溫等極端環(huán)境工作，無電磁和噪聲干擾[1，2]，位移分辨率高，動態(tài)響應(yīng)快，控制性能好，結(jié)構(gòu)簡單設(shè)計靈活[3，4]，可實現(xiàn)精密運動控制[5，6]等，受到現(xiàn)代工業(yè)、高新科技領(lǐng)域的青睞，并且被廣泛應(yīng)用于航天器、機器人、照相機以及醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域[7，8]。傳統(tǒng)壓電電機普遍以鋸齒波作為激勵信號，但在每個步進周期中動子會有回退現(xiàn)象，無法保證定向運動，進而誕生了同步箝位式壓電電機。同步箝位控制原理結(jié)合了壓電超聲馬達的諧振驅(qū)動和尺蠖馬達的控制機理兩個特點，克服了兩者的缺點：壓電超聲馬達工作過程中存在滑動摩擦和尺蠖馬達準靜態(tài)工作頻率較低[9～15]。同步箝位式壓電電機采用方波作為激勵信號，保證方波形式的位移運動，優(yōu)勢在于能在驅(qū)動部分運動速度為零處卡緊和松開，理論上無滑動摩擦存在，效率較高，損耗減少。例如賀良國等研究的新型同步箝位控制壓電馬達，該馬達總效率可達18.5%[16],但此類箝位式馬達受到方波作為激勵信號的限制，當工作頻率接近箝位結(jié)構(gòu)的共振頻率時，位移波形會出現(xiàn)趨向于正弦波的失真情況，無法于諧振態(tài)工作。為此，本團隊前期提出多級音叉結(jié)構(gòu)，通過周期性機械振動波形合成產(chǎn)生機械方波[17]，這種思路能夠提高箝位部分的振幅與頻率，但結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，設(shè)計難度極高。為降低箝位結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，有學(xué)者對降低馬達振子精度做過研究，但效果并不理想[18]。本次設(shè)計箝位部分不再采用方波而是直接采用正弦波做激勵信號，由于在實際情況中滑臺的存在會對箝位部分正弦波形式的位移運動進行修正，實驗結(jié)果表明正弦波同樣能達到方波的效果，且以正弦波作為激勵不會受到箝位部分共振頻率的干擾，電機的工作頻率可再度提升，性能亦得到改善。

根據(jù)上述分析，本文設(shè)計結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)勢：

(1) 降低結(jié)構(gòu)設(shè)計難度，簡化箝位部分結(jié)構(gòu)。相較于傳統(tǒng)箝位式壓電電機，無需通過波形合成產(chǎn)生機械方波；同時與超聲電機相比簡化了復(fù)雜的模態(tài)簡并設(shè)計流程。

(2) 可以于準靜態(tài)和諧振態(tài)下工作，準靜態(tài)下實現(xiàn)低速高精度，諧振態(tài)下實現(xiàn)高速大步距。

2 結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1所示裝置為本團隊設(shè)計的新型箝位式壓電電機，可根據(jù)功能區(qū)分為驅(qū)動部分和箝位部分。

圖1 新型箝位式壓電電機Fig.1 A novel piezoelectric drive motor using the way of clamping mechanism

2.1 結(jié)構(gòu)組成

驅(qū)動部分為圖1中右半部分，該部分由驅(qū)動定子來驅(qū)動滑臺上端蓋的移動，滑臺支撐座將滑臺抬升至與箝位部分同一高度，驅(qū)動定子與滑臺上端蓋、滑臺下端蓋與滑臺支撐座均采用螺栓加定位面定位方式固定，滑臺支撐座通過螺栓與左側(cè)面定位固定在底座上。

箝位部分為圖1中左半部分，該部分通過箝位定子的伸縮來實現(xiàn)對滑臺上端蓋的卡緊與分離，墊片將箝位定子抬升至相應(yīng)高度，選用氧化鋁陶瓷片貼于接觸表面減少磨損。預(yù)緊裝置利用微分筒來調(diào)節(jié)箝位定子與滑臺上端蓋的初始間距,優(yōu)化箝位部分的正弦波振型，保證壓電馬達箝位性能的正常發(fā)揮。

2.2 工作原理

該裝置理想狀況下于1個工作周期內(nèi)可分為步進與箝位2個連續(xù)的工作狀態(tài)。如圖2，標紅部分為步進過程各部分位移曲線與模型，此過程發(fā)生在0到 π/ω時間段內(nèi)(ω為運動角頻率)，箝位開關(guān)做圖中正弦波形式位移運動，但不觸碰滑臺，滑臺自由移動；標藍部分為箝位過程，此過程發(fā)生在 π/ω到2 π/ω時間段內(nèi)，箝位開關(guān)受到滑臺的限制從而使波形被修正為方波形式，如圖中箝位開關(guān)實際運動曲線，此時驅(qū)動部分有后退趨勢(默認步進過程為前進)，但箝位開關(guān)卡緊使得滑臺無法后退(實際每個周期都會有微量后退)，保證了滑臺的定向移動。

圖2 壓電電機工作過程Fig.2 Piezoelectric motor working process

能夠?qū)崿F(xiàn)步進運動需要具備驅(qū)動過程和箝位過程，并且兩者要有一定的時序關(guān)系即兩者激勵信號有一定的相位差，相位差的超前與滯后影響滑臺的前進與后退。

根據(jù)步進位移圖像，該壓電電機在工作時：

(1) 空載運動時，箝位開關(guān)在0到 π/ω的時間段內(nèi)處于松開狀態(tài)(實際是以正弦波位移形式運動，但未觸碰到滑臺側(cè)面)，此時驅(qū)動部分可向前產(chǎn)生位移；若箝位開關(guān)在 π/ω到2 π/ω時間段內(nèi)處于松開狀態(tài)，而0到 π/ω的時間段內(nèi)處于夾緊狀態(tài)，則驅(qū)動部分可反向產(chǎn)生位移。

(2) 通過微分筒調(diào)節(jié)滑臺與箝位開關(guān)的初始間距，保證開關(guān)在驅(qū)動部分速度為零時及時卡緊與松開，可有效避免沖擊與滑動摩擦，保證電機的正常運行。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真

為了設(shè)計恰當?shù)尿?qū)動部分與箝位部分諧振頻率以及驗證結(jié)構(gòu)的可行性，利用有限元仿真軟件ANSYS對驅(qū)動部分和箝位部分進行仿真，在SOLIDWORKS中設(shè)計定子末端質(zhì)量塊尺寸保證驅(qū)動部分與箝位部分諧振頻率一致，設(shè)計的成品模型各部分參數(shù)如表1所示。

表1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Main structure parameters

3.1 驅(qū)動部分模態(tài)分析

圖3為驅(qū)動部分的諧振模態(tài)仿真結(jié)果，滑臺上端蓋采用7070鋁合金，驅(qū)動定子采用65錳鋼，壓電疊堆采用PZT-4。該仿真模型的六階諧振頻率為571 Hz。

圖3 驅(qū)動部分六階諧振模態(tài)ANSYS仿真Fig.3 ANSYS simulation of the sixth resonant mode of the driving part

此階諧振頻率做圖4形式的振動方式，能量可沿所需方向集中釋放，實際測量該模型此階諧振頻率約在540 Hz。

圖4 驅(qū)動部分振動方式Fig.4 Drive part vibration mode

3.2 箝位部分模態(tài)分析

圖5為箝位開關(guān)諧振模態(tài)仿真結(jié)果，箝位定子采用65錳鋼，壓電疊堆采用PZT-4。通過模態(tài)仿真分析得到箝位開關(guān)的三階諧振頻率為569 Hz，設(shè)計時保證箝位部分與驅(qū)動部分諧振頻率近似，使兩者能同時于諧振態(tài)工作。

圖5 箝位部分三階諧振模態(tài)的ANSYS仿真Fig.5 ANSYS simulation of the third resonant mode of the clamping part

此階諧振頻率做圖6形式的振動，該振動方式在配合工作過程中可對滑臺起到較好的箝位作用。

圖6 箝位定子振動方式Fig.6 Clamping stator vibration mode

4 實驗測試與分析

4.1 實驗裝置

圖7所示為箝位式壓電馬達實驗裝置，通過信號發(fā)生器(DG1022U)的通道1、通道2產(chǎn)生2組正弦形式激勵信號，再經(jīng)功率放大器(LYF-800AS)將兩信號電壓值放大，結(jié)合數(shù)字示波器(TBS1102B)監(jiān)測的電壓值，調(diào)節(jié)功率放大器旋鈕獲得所需電壓值。利用激光位移傳感器(optoNCDT2300)記錄多組實驗數(shù)據(jù)，再用matlab進行數(shù)據(jù)處理，獲得滑臺上端蓋速度特性。

實物如圖8所示。

圖7 實驗裝置Fig.7 Experimental facility

圖8 實物圖Fig.8 real products

4.2 步進運動特性

4.2.1 準靜態(tài)運動特性

圖9為改變激勵電壓的馬達無負載運動步距特性，圖10為激勵電壓改變時對應(yīng)的步進速度曲線。在激勵頻率為250 Hz,箝位部分激勵滯后于驅(qū)動部分激勵 π/ω時，隨著激勵電壓的提升，步距和速度均得到提升，且速度隨著激勵電壓信號幅值的增長呈線性增長趨勢。該馬達在電壓Vp-p為10 V時,步距約為0.5 μm，速度約為0.13 mm/s；在電壓峰峰值Vp-p為70 V時,步距約為5.8 μm，速度約為1.52 mm/s。

圖9 準靜態(tài)不同電壓下位移與時間關(guān)系曲線Fig.9 Quasi-static displacement and time curves under different voltages

圖10 準靜態(tài)步進速度與電壓關(guān)系曲線Fig.10 Quasi-static step speed and voltage relationship

圖11為準靜態(tài)時改變激勵信號頻率對步進特性的影響，當馬達工作于準靜態(tài)時改變激勵頻率步進速度會得到提升。

圖11 準靜態(tài)不同激勵頻率下步進運動特性Fig.11 Quasi-static stepping motion characteristics under different excitation frequencies

4.2.2 諧振態(tài)運動特性

根據(jù)振動力學(xué)，當馬達工作于諧振態(tài)時箝位部分與驅(qū)動部分分別受到自身系統(tǒng)物理參數(shù)的影響使得兩者位移波形相比于激勵信號產(chǎn)生不同程度的相位偏差，導(dǎo)致兩者最佳的配合狀態(tài)不再是激勵信號相差 π/ω。

如圖12所示，電壓峰峰值Vp-p為50 V時，改變箝位部分激勵信號的滯后角度，觀察其對步進速度的影響。當箝位部分激勵信號滯后于驅(qū)動部分激勵信號93°時，馬達步距達到最大值22 μm,且速度達到最快11.3 mm/s 。

圖12 諧振態(tài)步進速度與相位差關(guān)系曲線Fig.12 Relation curve between resonant state step velocity and phase difference

如圖13所示，諧振狀況下改變激勵電壓時步進速度同樣會得到提升，當電壓峰峰值Vp-p為70 V時步進速度達16.9 mm/s，步距達32 μm，相比于準靜態(tài)時的運動速度大大提升，實現(xiàn)了跨尺度運行。

圖13 諧振態(tài)步進速度與電壓關(guān)系曲線Fig.13 Resonant stepping speed and voltage relationship curve

4.3 箝位波形研究

本文認為箝位部分可采用正弦波替代方波做激勵信號，展開如下實驗：在準靜態(tài)下，用300 Hz、電壓峰峰值Vp-p為50 V的正弦波與方波信號分別激勵箝位部分，同時驅(qū)動部分保持300 Hz、電壓峰峰值Vp-p為50 V的正弦激勵，獲得驅(qū)動部分位移波形如圖14所示。圖14(a)為正弦波做箝位激勵信號，圖14(b)為方波做箝位激勵信號，兩者波形雖有差別，但步距基本無區(qū)別，宏觀上兩者速度基本無差別。實驗結(jié)果表明正弦波于準靜態(tài)下可取代方波作為箝位部分激勵信號且仍能滿足高分辨，于諧振態(tài)下工作時可突破方波波形失真的限制實現(xiàn)馬達高速輸出。

圖14 準靜態(tài)下不同箝位激勵波形時驅(qū)動位移波形Fig.14 Driving displacement waveform with different clamped excitation waveform under quasi-static condition

5 結(jié) 論

本文針對箝位式壓電電機箝位部分結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜、無法于諧振狀態(tài)工作的缺點，提出采用正弦波作為箝位部分激勵信號的方式代替鋸齒波，大大簡化箝位部分結(jié)構(gòu)的同時還可保證壓電馬達能于諧振狀態(tài)工作。

改進后的壓電馬達于準靜態(tài)250 Hz、電壓峰峰值Vp-p為10 V時,步進距離為0.5 μm，步進速度約為0.13 mm/s;諧振態(tài)540 Hz、電壓峰峰值Vp-p為70 V時,步距為32 μm，步進速度達16.9 mm/s，兼顧了低頻高分辨率和高頻高速輸出以實現(xiàn)跨尺度工作。該研究對降低壓電馬達設(shè)計難度、拓展壓電馬達兼顧準靜態(tài)高分辨和諧振態(tài)高輸出研究思路具有重要意義。