CN102299662A - 惯性压电马达的低电压控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明惯性压电马达的低电压控制方法特征是以如下顺序的三阶段时域控制信号驱动惯性压电马达的压电体，完成一次步进：第一阶段控制信号的平均斜率为K1且K1大于0；第二阶段控制信号的平均斜率为K2且K2大于0且K2小于K1且该阶段的持续时间在1微秒至400微秒之间；第三阶段控制信号的平均斜率为K3且K3为负值，其绝对值|K3|大于能使惯性压电马达产生惯性滑动的启动值。在快速调头之后，也可加一段200微秒以上的等待时间，等惯性力的作用全部结束之后再开始下一次步进。本发明的有益效果体现在：显著降低惯性压电马达的启动电压，显著增加惯性压电马达的步进速度和步长，使惯性压电马达工作更加可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电步进器的控制方法，特别涉及一种惯性压电步进器的低电压控制方法，属于压电***技术领域。
背景技术
压电马达的种类很多，但原理上都是依靠压电体对动子产生重复累加的压电移动来推动动子相对于定子步进的。压电马达因同时具有毫米以上的宏观大行程和纳米甚至埃米级超高精度而广泛应用于相机光路调节、显微镜镜头纳米精度调焦、原子分辨率的扫描探针显微镜，以及现代光学、微电子制造、航空航天、超精密机械制造、微机器人、地震测量，生物、医学、遗传工程(参见吉林大学压电驱动与控制技术研究中心刘建芳，杨志刚，程光明和华顺明2004年发表于《中国电机工程学报》第24卷第004期第102页的题为“压电驱动精密直线步进电机研究”的论文)，是非常重要的纳米科技与国家战略重点领域工具。
惯性压电马达(简称惯性马达)是一类重要的、应用广泛的、已获得巨大商业成功的压电马达。其工作原理为：动子(质量块)通过摩擦力设置于压电体上，压电体利用压电形变先沿一个方向推动动子产生位移，再快速调头，利用快速调头时的巨大加速度产生作用于动子的巨大惯性力，该惯性力克服摩擦力使动子步进(滑动)。常用的压电马达控制信号波形包括两大类，参见附图1：(1)锯齿波(参见D.W.Pohl于1987年发表于Rev.Sci.Instrum.第58卷第54页的论文)，(2)正反双曲线波形(参见Ch.Renner等于1990年发表于Rev.Sci.Instrum.第61卷第965页)。至今，人们对这两类波形工作的细致原理仍不十分了解，不仅对二者孰优孰劣都存在重大争议(参见Ch.Renner等于1990年发表于Rev.Sci.Instrum.第61卷第965页，W.R.Silviera等于2003年发表于Rev.Sci.Instrum.上第74卷第267页)，甚至在相似结构的惯性马达上得出完全相反的结论(参见Ch.Renner等于1990年发表于Rev.Sci.Instrum.第61卷第965页，W.R.Silviera等于2003年发表于Rev.Sci.Instrum.上第74卷第267页)，就更不用谈如何改进了。而实际上，我们不仅需要彻底理解惯性马达的原理细节，更要找出最有效的控制波形，从而能以普通的低电压运算放大器(工业标准供电电压为±18V)就可控制其行走而不需要所谓的高压运算放大器。这不仅能大大降低成本，而且低压运算放大器在噪音、控制精度、温漂等各个重要参数上都优于高压运算放大器，使惯性马达的控制精度大大提高，满足原子、甚至亚原子分辨率的要求。而现状是：现有的惯性马达多是高压控制。
在本发明中，我们根据大量的实验比较，得到了一个令人吃惊的结果：“快速调头”不是最有利于惯性行走的！调头前一定程度的延迟可大大提高行走速度和降低启动电压，参见附图2。此外，调头之后如果立即开始下一步行走过程也不利于惯性行走，中间延迟一段时间可大大改善行走速度和降低启动电压，参见附图2。这些奇怪的现象我们可用压电效应的蠕变(creeping)特性解释，并给出了改进的惯性马达控制波形。
发明内容
本发明的目的：为了解决现有惯性压电马达需用高电压控制以及由此带来的不利影响，提供一种惯性压电马达的低电压控制方法。
本发明实现上述目的的技术方案是：
本发明惯性压电马达的低电压控制方法的特点是以如下顺序的三阶段时域控制信号驱动惯性压电马达的压电体，完成一次步进：
第一阶段控制信号的平均斜率为K1且K1大于0；
第二阶段控制信号的平均斜率为K2且K2大于0且K2小于K1且该阶段的持续时间在1微秒至400微秒之间；
第三阶段控制信号的平均斜率为K3且K3为负值，其绝对值|K3|大于能使惯性压电马达产生惯性滑动的启动值|Kmin|。
所述的第一和第二阶段控制信号拼成一段厂字形波形。
所述的第一和第二阶段控制信号拼成一段正弦波形。
本发明惯性压电马达的低电压控制方法的特点还可以是以如下顺序的三阶段时域控制信号驱动惯性压电马达的压电体，完成一次步进：
第一阶段控制信号的平均斜率为K1且K1小于0；
第二阶段控制信号的平均斜率为K2且K2小于0且K2大于K1且该阶段的持续时间在1微秒至400微秒之间；
第三阶段控制信号的平均斜率为K3且K3为正值，其值K3大于能使惯性压电马达产生惯性滑动的启动值|Kmin|。
所述的第一和第二阶段控制信号拼成一段倒厂字形波形。
本发明惯性压电马达的低电压控制方法的特点还可以是以如下顺序的三阶段时域控制信号驱动惯性压电马达的压电体，完成一次步进：
第一阶段控制信号的平均斜率为K1且K1大于0；
第二阶段控制信号的平均斜率为K2且K2为负值，其绝对值|K2|大于能使惯性压电马达产生惯性滑动的启动值|Kmin|；
第三阶段控制信号的平均斜率为K3，K3大于等于0且小于K1且该阶段的持续时间大于200微秒。
本发明惯性压电马达的低电压控制方法的特点还可以是以如下顺序的三阶段时域控制信号驱动惯性压电马达的压电体，完成一次步进：
第一阶段控制信号的平均斜率为K1且K1小于0；
第二阶段控制信号的平均斜率为K2且K2为正值，其绝对值|K2|大于能使惯性压电马达产生惯性滑动的启动值|Kmin|；
第三阶段控制信号的平均斜率为K3，K3小于等于0且大于K1且该阶段的持续时间大于200微秒。
本发明惯性压电马达的低电压控制方法的特点还可以是以如下顺序的四阶段时域控制信号驱动惯性压电马达的压电体，完成一次步进：
第一阶段控制信号的平均斜率为K1且K1大于0；
第二阶段控制信号的平均斜率为K2且K2大于0且K2小于K1且该阶段的持续时间在1微秒至400微秒之间；
第三阶段控制信号的平均斜率为K3且K3为负值，其绝对值|K3|大于能使惯性压电马达产生惯性滑动的启动值|Kmin|。
第四阶段控制信号的平均斜率为K3，K3大于等于0且小于K1且该阶段的持续时间大于200微秒。
所述的第一和第二阶段控制信号可拼成一段正弦信号。
或者，上一周期的第四阶段控制信号和本周期的第一和第二阶段控制信号拼成一段正弦信号。
本发明惯性压电马达的低电压控制方法的特点还可以是以如下顺序的四阶段时域控制信号驱动惯性压电马达的压电体，完成一次步进：
第一阶段控制信号的平均斜率为K1且K1小于0；
第二阶段控制信号的平均斜率为K2且K2小于0且K2大于K1且该阶段的持续时间在1微秒至400微秒之间；
第三阶段控制信号的平均斜率为K3且K3为正值，其值K3大于能使惯性压电马达产生惯性滑动的启动值|Kmin|。
第四阶段控制信号的平均斜率为K3，K3小于等于0且大于K1且该阶段的持续时间大于200微秒。
本发明的工作原理为：
控制信号的第一阶段为爬坡信号，压电体在此爬坡信号的控制下沿步进方向逐渐伸长。由于这段爬坡信号足够缓而不足以克服动子的最大静摩擦力，所以，动子不会相对于压电体滑动(步进)，而是随压电体一同移动并具有一定的速度。控制信号的第二阶段虽为一段缓变信号，参见附图2，但压电体的蠕变特性使得压电体的移动不是立即随之放缓，而是依然继续获得较高的速度和较大的位移量。控制信号的第三阶段为迅速调头信号，由于此时动体已获得了较高的速度并获得了较大的位移量，此时的迅猛调头能产生更大的惯性力和更长的惯性力持续时间。这就能使动体的启动电压降低(因为惯性力大)和步进速度提高(因为不仅惯性力大，且持续时间更长)，从而实现了本发明的目的。若按照传统的惯性马达控制波形，略去第二阶段的缓变信号而立即由第一阶段进入第三阶段的快速调头信号(参见附图1)，则一方面动子的位移量较小，调头产生的惯性力的持续的时间较短，步进变慢；另一方面动子的位移量较小也导致回撤的势变小，回撤无力，导致需要较高的电压才能使惯性力克服摩擦力而启动；此外，动子因为没有较长的位移量来加速，其在调头时的初速度较低，也导致惯性力较低(启动电压较高)。根据我们的实际测量数据，添加了第二阶段的缓变信号信号之后，启动电压降低20％左右，而步进速度则提高30-40％。当然，如果第二阶段的等待时间太长，会使动体的移动减速，就会在第三阶段快速调头时因为初速度较低而惯性力减小。根据我们的实验数据，等待时间为1到400微秒之间比较合适。
类似地，在快速调头之后，也需要一段时间的等待(参见附图5)，等惯性力的作用全部结束之后再开始下一次步进，否则步进效果较差。根据我们的实验数据，这段等待时间在200微秒以上为宜。
根据上述原理可以看出，与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)显著降低惯性压电马达的启动电压。
(2)显著增加惯性压电马达的的步进速度和步长。
(3)使惯性压电马达工作更加可靠。
附图说明
图1是传统无等待的惯性压电马达控制方法的两个常用波形示意图。
图2是本发明左等待的惯性压电马达的低电压控制方法的波形示意图。
图3是本发明厂字波形左等待的惯性压电马达的低电压控制方法的波形示意图。
图4是本发明倒厂字波形左等待的惯性压电马达的低电压控制方法的波形示意图。
图5是本发明右等待的惯性压电马达的低电压控制方法的波形示意图。
图6是本发明左右等待的惯性压电马达的低电压控制方法的波形示意图。
图中标号：1第一阶段控制信号、2第二阶段控制信号、3第三阶段控制信号、4第四阶段控制信号。
以下通过具体实施方式和结构附图对本发明作进一步的描述。
具体实施方式
实施例1：左等待的惯性压电马达的低电压控制方法
参见附图2，本发明左等待的惯性压电马达的低电压控制方法的特征是以如下顺序的三阶段时域控制信号驱动惯性压电马达的压电体，完成一次步进：
第一阶段控制信号1的平均斜率为K1且K1大于0；
第二阶段控制信号2的平均斜率为K2且K2大于0且K2小于K1且该阶段的持续时间在1微秒至400微秒之间；
第三阶段控制信号3的平均斜率为K3且K3为负值，其绝对值|K3|大于能使惯性压电马达产生惯性滑动的启动值|Kmin|。
其工作原理为：控制信号的第一阶段1为爬坡信号，压电体在此爬坡信号的控制下沿步进方向逐渐伸长。由于这段爬坡信号足够缓而不足以克服动子的最大静摩擦力，所以，动子不会相对于压电体滑动(步进)，而是随压电体一同移动并具有一定的速度。控制信号的第二阶段2虽为一段缓变信号，但压电体的蠕变特性使得压电体的移动不是立即随之放缓，而是依然继续获得较高的速度和较大的位移量。控制信号的第三阶段3为迅速调头信号，由于此时动体已获得了较高的速度并获得了较大的位移量，此时的迅猛调头能产生更大的惯性力和更长的惯性力持续时间。这就能使动体的启动电压降低(因为惯性力大)和步进速度提高(因为不仅惯性力大，且持续时间更长)，从而实现了本发明的目的。若按照传统的惯性马达控制波形，略去第二阶段2的缓变信号而立即由第一阶段进入第三阶段3的快速调头信号，则一方面动子的位移量较小，调头产生的惯性力的持续的时间较短，步进变慢；另一方面动子的位移量较小也导致回撤的势变小，回撤无力，导致需要较高的电压才能使惯性力克服摩擦力而启动；此外，动子因为没有较长的位移量来加速，其在调头时的初速度较低，也导致惯性力较低(启动电压较高)。根据我们的实际测量数据，添加了第二阶段2的缓变信号信号之后，启动电压降低20％左右，而步进速度则提高30-40％。当然，如果第二阶段2的等待时间太长，会使动体的移动减速，就会在第三阶段3快速调头时因为初速度较低而惯性力减小。根据我们的实验数据，等待时间为1到400微秒之间比较合适。
本实施例中的第一阶段控制信号可以为直线上升波形，见附图2，也可为渐陡上升波形并与水平的第二阶段控制信号拼成一段厂字形波形，见附图3。
实施例2：左等待的反向惯性压电马达的低电压控制方法
如果定义上述实施例1的控制方法为控制本发明惯性压电马达的正向步进，则本实施例是控制其反向步进，其特征是以如下顺序的三阶段时域控制信号驱动惯性压电马达的压电体，完成一次步进：
第一阶段控制信号1的平均斜率为K1且K1小于0；
第二阶段控制信号2的平均斜率为K2且K2小于0且K2大于K1且该阶段的持续时间在1微秒至400微秒之间；
第三阶段控制信号3的平均斜率为K3且K3为正值，其值K3大于能使惯性压电马达产生惯性滑动的启动值|Kmin|。
本实施例的工作原理同实施例1，只是步进方向相反。
本实施例中的第一阶段控制信号可以为直线下降波形，也可为渐陡下降波形并与水平的第二阶段控制信号拼成一段厂字形波形，见附图4。
实施例3：右等待的惯性压电马达的低电压控制方法
类似于上述实施例1和2，在快速调头之后，也需要一段时间的等待，等惯性力的作用全部结束之后再开始下一次步进，否则步进效果较差。根据我们的实验数据，这段等待时间在200微秒以上为宜。所以，参见附图5，本实施例右等待的惯性压电马达的低电压控制方法的特征是以如下顺序的三阶段时域控制信号驱动惯性压电马达的压电体，完成一次步进：
第一阶段控制信号1的平均斜率为K1且K1大于0；
第二阶段控制信号2的平均斜率为K2且K2为负值，其绝对值|K2|大于能使惯性压电马达产生惯性滑动的启动值|Kmin|；
第三阶段控制信号3的平均斜率为K3，K3大于等于0且小于K1且该阶段的持续时间大于200微秒。
实施例4：右等待的反向惯性压电马达的低电压控制方法
如果定义上述实施例3的控制方法为控制本发明惯性压电马达的正向步进，则本实施例是控制其反向步进，其特征是以如下顺序的三阶段时域控制信号驱动惯性压电马达的压电体，完成一次步进：
第一阶段控制信号1的平均斜率为K1且K1小于0；
第二阶段控制信号2的平均斜率为K2且K2为正值，其绝对值|K2|大于能使惯性压电马达产生惯性滑动的启动值|Kmin|；
第三阶段控制信号3的平均斜率为K3，K3小于等于0且大于K1且该阶段的持续时间大于200微秒。
实施例5：左右等待的惯性压电马达的低电压控制方法
本实施例是在惯性马达调头的前后均有等待的情况，参见附图6，其特征是以如下顺序的四阶段时域控制信号驱动惯性压电马达的压电体，完成一次步进：
第一阶段控制信号1的平均斜率为K1且K1大于0；
第二阶段控制信号2的平均斜率为K2且K2大于0且K2小于K1且该阶段的持续时间在1微秒至400微秒之间；
第三阶段控制信号3的平均斜率为K3且K3为负值，其绝对值|K3|大于能使惯性压电马达产生惯性滑动的启动值|Kmin|。
第四阶段控制信号4的平均斜率为K3，K3大于等于0且小于K1且该阶段的持续时间大于200微秒。
实施例6：左右等待的反向惯性压电马达的低电压控制方法
如果定义上述实施例5的控制方法为控制本发明惯性压电马达的正向步进，则本实施例是控制其反向步进，其特征是以如下顺序的四阶段时域控制信号驱动惯性压电马达的压电体，完成一次步进：
第一阶段控制信号的平均斜率为K1且K1小于0；
第二阶段控制信号的平均斜率为K2且K2小于0且K2大于K1且该阶段的持续时间在1微秒至400微秒之间；
第三阶段控制信号的平均斜率为K3且K3为正值，其值K3大于能使惯性压电马达产生惯性滑动的启动值|Kmin|。
第四阶段控制信号的平均斜率为K3，K3小于等于0且大于K1且该阶段的持续时间大于200微秒。
实施例7：正弦波形的左右等待惯性压电马达的低电压控制方法
上述实施例5或6中所述的第一和第二阶段控制信号可以拼成一段正弦信号，或者上一周期的第四阶段控制信号和本周期的第一和第二阶段控制信号拼成一段正弦信号。
Claims (10)
1.一种惯性压电马达的低电压控制方法，其特征是以如下顺序的三阶段时域控制信号驱动惯性压电马达的压电体，完成一次步进：
第一阶段控制信号的平均斜率为K1且K1大于0；
第二阶段控制信号的平均斜率为K2且K2大于0且K2小于K1且该阶段的持续时间在1微秒至400微秒之间；
第三阶段控制信号的平均斜率为K3且K3为负值，其绝对值|K3|大于能使惯性压电马达产生惯性滑动的启动值|Kmin|。
2.如权利要求1所述的惯性压电马达的低电压控制方法，其特征是所述的第一和第二阶段控制信号拼成一段厂字形波形。
3.如权利要求1所述的惯性压电马达的低电压控制方法，其特征是所述的第一和第二阶段控制信号拼成一段正弦波形。
4.一种惯性压电马达的低电压控制方法，其特征是以如下顺序的三阶段时域控制信号驱动惯性压电马达的压电体，完成一次步进：
第一阶段控制信号的平均斜率为K1且K1小于0；
第二阶段控制信号的平均斜率为K2且K2小于0且K2大于K1且该阶段的持续时间在1微秒至400微秒之间；
第三阶段控制信号的平均斜率为K3且K3为正值，其值K3大于能使惯性压电马达产生惯性滑动的启动值|Kmin|。
5.如权利要求4所述的惯性压电马达的低电压控制方法，其特征是所述的第一和第二阶段控制信号拼成一段倒厂字形波形。
6.一种惯性压电马达的低电压控制方法，其特征是以如下顺序的三阶段时域控制信号驱动惯性压电马达的压电体，完成一次步进：
第一阶段控制信号的平均斜率为K1且K1大于0；
第二阶段控制信号的平均斜率为K2且K2为负值，其绝对值|K2|大于能使惯性压电马达产生惯性滑动的启动值|Kmin|；
第三阶段控制信号的平均斜率为K3，K3大于等于0且小于K1且该阶段的持续时间大于200微秒。
7.一种惯性压电马达的低电压控制方法，其特征是以如下顺序的三阶段时域控制信号驱动惯性压电马达的压电体，完成一次步进：
第一阶段控制信号的平均斜率为K1且K1小于0；
第二阶段控制信号的平均斜率为K2且K2为正值，其绝对值|K2|大于能使惯性压电马达产生惯性滑动的启动值|Kmin|；
第三阶段控制信号的平均斜率为K3，K3小于等于0且大于K1且该阶段的持续时间大于200微秒。
8.一种惯性压电马达的低电压控制方法，其特征是以如下顺序的四阶段时域控制信号驱动惯性压电马达的压电体，完成一次步进：
第一阶段控制信号的平均斜率为K1且K1大于0；
第二阶段控制信号的平均斜率为K2且K2大于0且K2小于K1且该阶段的持续时间在1微秒至400微秒之间；
第三阶段控制信号的平均斜率为K3且K3为负值，其绝对值|K3|大于能使惯性压电马达产生惯性滑动的启动值|Kmin|。
第四阶段控制信号的平均斜率为K3，K3大于等于0且小于K1且该阶段的持续时间大于200微秒。
9.如权利要求8所述的惯性压电马达的低电压控制方法，其特征是或者所述的第一和第二阶段控制信号拼成一段正弦信号，或者上一周期的第四阶段控制信号和本周期的第一和第二阶段控制信号拼成一段正弦信号。
10.一种惯性压电马达的低电压控制方法，其特征是以如下顺序的四阶段时域控制信号驱动惯性压电马达的压电体，完成一次步进：
第一阶段控制信号的平均斜率为K1且K1小于0；
第二阶段控制信号的平均斜率为K2且K2小于0且K2大于K1且该阶段的持续时间在1微秒至400微秒之间；
第三阶段控制信号的平均斜率为K3且K3为正值，其值K3大于能使惯性压电马达产生惯性滑动的启动值|Kmin|。
第四阶段控制信号的平均斜率为K3，K3小于等于0且大于K1且该阶段的持续时间大于200微秒。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20111228 |