CN108270369B - 一种差动旋转压电步进电机及电激励方式 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种差动旋转压电步进电机及电激励方式，包括驱动组件、动子、预紧机构和基座，所述预紧机构包括与所述基座固接的转轴，所述动子固定连接所述转轴，所述驱动组件一端连接所述基座，另一端通过所述预紧机构紧抱所述动子。所述驱动组件包括围绕转轴呈环形分布的第一驱动足、第二驱动足和第三驱动足，该第一驱动足、第二驱动足和第三驱动足均具有位移转换机构，所述位移转换机构上设有叠层压电陶瓷，且通过该叠层压电陶瓷驱动所述位移转换机构使所述动子旋转以带动所述转轴旋转。本发明的差动旋转压电步进电机用于解决现有步进电机存在断电自锁、大推力与高精度难以兼顾的问题。
Description
技术领域
本发明涉及压电精密制动技术领域，具体涉及一种差动旋转压电步进电机及电激励方式。
背景技术
目前实现精密步进电机驱动的方式主要是尺蠖式精密驱动和惯性摩擦驱动两种方式。尺蠖式精密驱动能够提供较大的精度和推力，但是由于它的结构复杂导致驱动频率较小，从而导致驱动速度小，结构的复杂还导致控制难度加大，安装精度难以控制，另外，尺蠖型精密驱动的配合磨损严重，最终导致接触不良，性能弱化；摩擦惯性压电驱动装置的结构较简单、控制较容易、驱动速度较大，但是由于摩擦惯性压电驱动装置缺少钳位机构而导致预紧力不足，推力小。
叠层压电陶瓷因性能较优越，近年来制造工艺的提升，大规模生产的实现，越来越多的被应用在精密驱动上。叠层压电陶瓷具有纳米级精度的稳定输出位移，并且具有线性好、控制方便、分辨率高、响应频率高、发热少、无磁干扰、噪声低等特点，因此采用该结构设计的压电驱动器具有独特的优势。近年来，压电精密驱动技术已成为国内外精密驱动领域的研究热点之一。但目前的非共振式压电电机主要问题在于叠层压电陶瓷的迟滞效应影响，导致压电电机的回程误差积累而增大其定位误差，能解决该问题的双足驱动压电直线电机也存在大推力与高精度难以兼顾的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种差动旋转压电步进电机及电激励方式，综合利用压电精密驱动和摩擦惯性压电驱动的优点,解决断电自锁、大推力与高精度难以兼顾的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：
一种差动旋转压电步进电机，包括驱动组件、动子、预紧机构和基座，所述预紧机构包括与所述基座固接的转轴，所述动子固定连接所述转轴，所述驱动组件一端连接所述基座，另一端通过所述预紧机构紧抱所述动子；
所述驱动组件包括围绕转轴呈环形分布的第一驱动足、第二驱动足和第三驱动足，该第一驱动足、第二驱动足和第三驱动足均具有位移转换机构，所述位移转换机构上设有叠层压电陶瓷，且通过该叠层压电陶瓷驱动所述位移转换机构使所述动子旋转以带动所述转轴旋转。
较佳实施例中，所述第一驱动足、第二驱动足及第三驱动足还都包括耐磨陶瓷球，所述耐磨陶瓷球设置在所述位移转换机构和动子之间且上下顶抵所述位移转换机构和动子。
较佳实施例中，所述预紧机构还包括弹簧、金属圆环及设置在转轴一端的六角螺母，所述弹簧套设在转轴上，所述金属圆环与所述弹簧相连接。
较佳实施例中，所述第一驱动足、第二驱动足及第三驱动足围绕转轴等间距设置。
较佳实施例中，所述动子为耐磨金属圆盘。
较佳实施例中，所述第一驱动足、第二驱动足及第三驱动足的耐磨陶瓷球为形状大小相同的球体。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：
施加三相电压激励电机第一驱动足的叠层压电陶瓷、第二驱动足的叠层压电陶瓷和第三驱动足的叠层压电陶瓷，使所述第一驱动足、第二驱动足及第三驱动足共同作用驱动动子。
优选地，所述第一驱动足、第二驱动足及第三驱动足共同作用驱动动子逆时针产生一个步进。
优选地，所述第一驱动足、第二驱动足及第三驱动足共同作用驱动动子顺时针产生一个步进。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的压电步进电机中采用三驱动足设计，三个驱动足相对动子等间隔排列，三驱动足通过预紧机构直接紧抱动子，三驱动足的伸缩作用通过位移转换机构传递到动子，使动子旋转；当给三驱动足输入三相电压控制信号后，能够实现差动作动，从而实现大推力与高精度兼顾。
(2)本发明所述的压电步进电机的三个驱动足始终由预紧机构压紧在动子上，这使得电机具有断电自锁的能力，并且三个驱动足采用高硬度高耐磨性的耐磨陶瓷球与预紧机构接触，这将大大提高电机的使用寿命。
(3)本发明整体结构简单，提高了电机的装配效率，且易于实现批量化生产。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的俯视图；
图2为本发明的侧视图；
图3为本发明的电压信号时序图1；
图4为本发明的电压信号时序图2。
具体实施方式
实施例：
请查阅图1和图2，较佳实施例中，一种差动旋转压电步进电机，包括驱动组件1、动子2、预紧机构3和基座4。
具体结构中，所述预紧机构3包括与所述基座固接的转轴31，所述动子2 固定连接所述转轴31，所述驱动组件1一端连接所述基座4，另一端通过所述预紧机构3紧抱所述动子2。
具体地，所述驱动组件1包括围绕转轴呈环形等间距分布的第一驱动足A、第二驱动足B和第三驱动足C，所述第一驱动足A的一端与所述基座4固连，另一端通过所述预紧机构3紧抱所述动子2；所述第二驱动足B的一端与所述基座 4固连，另一端通过所述预紧机构3紧抱所述动子2；所述第三驱动足C的一端与所述基座4固连，另一端通过所述预紧机构3紧抱所述动子2。
该第一驱动足A、第二驱动足B和第三驱动足C均具有位移转换机构11，所述位移转换机构11上设有叠层压电陶瓷111，且通过该叠层压电陶瓷11驱动所述位移转换机构11使所述动子2旋转以带动所述转轴31旋转。
本实施例中，所述第一驱动足A、第二驱动足B及第三驱动足C还都包括耐磨陶瓷球12，所述耐磨陶瓷球12设置在所述位移转换机构11和动子2之间且上下顶抵所述位移转换机构11和动子2。
本实施例中，所述预紧机构3还包括弹簧32、六角螺母33和金属圆环(图中未示出)，所述六角螺母33设置在转轴31一端，所述弹,32套设在转轴31上，所述金属圆环34与所述弹簧32相连接。所述第一驱动足A的位移转换机构通过耐磨陶瓷球与金属圆环相连，所述第二驱动足B的位移转换机构通过耐磨陶瓷球与金属圆环相连；所述第三驱动足C的位移转换机构通过耐磨陶瓷球与金属圆环相连，所述弹簧32与金属圆环相连可在转轴上移动。
所述第一驱动足A、第二驱动足B和第三驱动足C上的耐磨陶瓷球为形状大小相同的球体。
通过旋转六角螺母33可以调节预紧机构3所提供的预压力的大小，金属圆环能够使预压力均匀的施加在三个驱动足上，所述预紧机构3通过金属圆环压紧所述位移转换机构上的耐磨陶瓷球，使所述第一驱动足A、第二驱动足B、第三驱动足C通过所述位移转换机构紧抱所述动子2，其伸缩作用通过所述位移转换机构传递到动子2，使动子2旋转。给三个驱动足输入一个差动信号，使其实现差动作动。在整个驱动过程中，驱动模式仿制惯性摩擦式的驱动；差动作动能够满足大行程的要求。
本发明实施例利用叠层压电陶瓷的逆压电效应，给叠层压电陶瓷施加的电压增大，叠层压电陶瓷伸长；电压减小，叠层压电陶瓷回缩。因此，给定一个电压信号可以实现叠层压电陶瓷的伸缩运动，可以实现轴向位移变化，将位移变化通过摩擦运动转移到动子即可实现动子的运动。单个叠层压电陶瓷的运动范围很小，只有几十微米，摩擦力也很小，将多个叠层压电陶瓷机械上并联，电路上串联，给定一个差动作动的驱动信号控制，实现步进驱动的行程累积，即可以实现大范围驱动；单个驱动的摩擦力很有限，多个驱动足的联合使用可以增大摩擦力，即可实现大推力的输出驱动。
进一步的，本发明使用三个驱动足来实现差动驱动控制。差动作动正常工作的要求：三只驱动足分别以面接触的方式与动子接触，接触材料、接触面积、接触方式和预紧力完全相同，且单只足的驱动摩擦力小于动子的静摩擦力，三驱动足的驱动摩擦力之和大于动子的静摩擦力；三驱动足依次作动，动子在这个过程中静止不动；待三驱动足全部伸长后同时回缩，此时的总驱动力大于动子的静摩擦力，动子在总驱动力的作用下转动一个步距，三驱动足再依次恢复到原长，这时候动子在惯性作用下保持不动，重复上述运动，可以实现动子不断旋转步进运动。
请参照图1至图2并结合图3和图4，本发明差动旋转压电步进电机的电激励方式如下：
施加三相电压激励电机第一驱动足A的叠层压电陶瓷、第二驱动足B的叠层压电陶瓷和第三驱动足C的叠层压电陶瓷，使三个驱动足共同作用驱动动子运动。
如图3所示，具体采用如下激励方式使得动子向逆时针转动一个步进：
在原始阶段，输入电压信号为零，三驱动足都是原始长度，动子静止不动；
第一阶段，给A足一个上升的电压信号，A足伸长而其他的足先不动，伸长后保持电压不变。一个足的摩擦力不足以拖动动子的运动，动子保持静止；
第二阶段，给B足一个上升的电压信号，B足伸长而其他足保持原状，B足伸长后保持电压不变，动子静止；
第三阶段，给C足一个上升的电压信号，C足伸长而其他足保持原状，C足伸长后保持电压不变，动子静止；
第四阶段，将A、B、C足电压同时降到零，使三足回缩到原来位置，此时三足所产生的驱动摩擦力驱使动子向逆时针方向转动一个步进。
至此，叠层压电陶瓷完成一次驱动过程，动子向逆时针方向转动一个叠层压电陶瓷的伸长单位。按此激励信号重复，就可以实现动子的持续单向步进转动。
如图4所示，采用如下激励方式使得动子向顺时针转动一个步进：
在原始阶段，输入电压信号为零，三驱动足都是原始长度，动子静止不动；
第一阶段，对A、B、C三足的叠层压电陶瓷同时施加上升的电压信号，使三足同时伸长后。此时三足所产生的驱动摩擦力驱使动子向顺时针方向转动一个步进。
第二阶段，将A足的电压先降到0，其他足的电压信号保持不变，A足回缩到原来的位置而其他的足不动。一个足的摩擦力不足以拖动动子的运动，动子保持静止；
第二阶段，将B足的电压降到0，其他足的电压信号保持不变，B足回缩到原来的位置而其他的足不动。一个足的摩擦力不足以拖动动子的运动，动子保持静止；
第三阶段，将C足的电压降到0，其他足的电压信号保持不变，C足回缩到原来的位置而其他的足不动。一个足的摩擦力不足以拖动动子的运动，动子保持静止；
至此，叠层压电陶瓷完成一次驱动过程，动子向顺时针转动一个叠层压电陶瓷的伸长单位(即实现反向移动)，按此激励信号重复，就可以实现动子的持续单向步进移动。
上述仅为本发明所述的差动的差动旋转压电步进电机及电激励方式一个具体实施例，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (9)
1.一种差动旋转压电步进电机，其特征在于：包括驱动组件、动子、预紧机构和基座，所述预紧机构包括与所述基座固接的转轴，所述动子固定连接所述转轴，所述驱动组件一端连接所述基座，另一端通过所述预紧机构紧抱所述动子；
所述驱动组件包括围绕转轴呈环形分布的第一驱动足、第二驱动足和第三驱动足，该第一驱动足、第二驱动足和第三驱动足均具有位移转换机构，所述位移转换机构上设有叠层压电陶瓷，且通过该叠层压电陶瓷驱动所述位移转换机构使所述动子旋转以带动所述转轴旋转。
2.根据权利要求1所述的一种差动旋转压电步进电机，其特征在于：所述第一驱动足、第二驱动足及第三驱动足还都包括耐磨陶瓷球，所述耐磨陶瓷球设置在所述位移转换机构和动子之间且上下顶抵所述位移转换机构和动子。
3.根据权利要求1所述的一种差动旋转压电步进电机，其特征在于：所述预紧机构还包括弹簧、金属圆环及设置在转轴一端的六角螺母，所述弹簧套设在转轴上，所述金属圆环与所述弹簧相连接。
4.根据权利要求1所述的一种差动旋转压电步进电机，其特征在于：所述第一驱动足、第二驱动足及第三驱动足围绕转轴等间距设置。
5.根据权利要求1所述的一种差动旋转压电步进电机，其特征在于：所述动子为耐磨金属圆盘。
6.根据权利要求2所述的一种差动旋转压电步进电机，其特征在于：所述第一驱动足、第二驱动足及第三驱动足的耐磨陶瓷球为形状大小相同的球体。
7.一种如权利要求1至6中任一项所述的差动旋转压电步进电机的电激励方式，其特征在于：施加三相电压激励电机第一驱动足的叠层压电陶瓷、第二驱动足的叠层压电陶瓷和第三驱动足的叠层压电陶瓷，使所述第一驱动足、第二驱动足及第三驱动足共同作用驱动动子。
8.根据权利要求7所述的电激励方式，其特征在于：所述第一驱动足、第二驱动足及第三驱动足共同作用驱动动子逆时针产生一个步进。
9.根据权利要求7所述的电激励方式，其特征在于：所述第一驱动足、第二驱动足及第三驱动足共同作用驱动动子顺时针产生一个步进。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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