CN113612406B - 一种基于差动运动原理的压电驱动器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于差动运动原理的压电驱动器及其控制方法，包括基座、差动单元、动子单元及初始间隙调整单元；动子单元和初始间隙调整单元分别通过螺钉固定在基座上，差动单元竖直固定在初始间隙调整单元上；差动单元包括差动柔性铰链、左压电叠堆、右压电叠堆，左压电叠堆和右压电叠堆分别通过预紧螺钉对称安装在差动柔性铰链内；动子单元包括导轨以及滑动连接在导轨上的滑块，并通过初始间隙调整单元调节差动柔性铰链的驱动脚与滑块之间的初始间隙。滑块在差动柔性铰链的驱动下在导轨上滑动，通过同时向左压电叠堆和右压电叠堆施加协同驱动电信号，Z形柔性铰链组将产生弹性变形，可以合成并输出差动运动以实现抑制回退运动的功能。
Description
技术领域
本发明涉及精密定位领域，特别是涉及一种基于差动运动原理的压电驱动器及其控制方法。本发明提供的基于差动运动原理的压电驱动器及其控制方法，与现有的粘滑式、惯性式、寄生式等驱动原理研制的压电驱动器相比，从驱动原理上实现了对粘滑式等压电驱动器出现的回退运动的抑制，极大地提高了压电驱动器的输出性能和使用寿命，可用于精密定位、精密/超精密加工、精密光学***和显微操作等领域实现无回退、高精度的定位。
背景技术
随着精密定位、精密/超精密加工、精密光学***等领域对微/纳米定位、加工和操作等需求的不断提升，对精密定位平台的需求也愈发迫切。基于逆压电效应的压电叠堆因具有高刚度、高分辨率、快速响应等优点，获得了广大研究人员的青睐，成为了驱动器的主流驱动元件。目前，研究人员开发出了多种驱动原理的压电驱动器，例如直推式、仿生尺蠖式、粘滑式、惯性式和寄生式等类型。其中，直推式压电驱动器行程十分有限，往往只有几十微米，其应用场合较为有限。而仿生尺蠖式压电驱动器虽具能够输出长行程的直线运动，但其结构往往比较复杂，且通常需要3个及以上数量的压电叠堆且需要按照特定的时序进行驱动，因此其控制和操作流程较为繁琐。而诸如粘滑式、惯性式和寄生式等类型的压电驱动器能够输出长行程的直线运动，且这些类型的压电驱动器的结构和控制相对简单，但在工作过程中普遍存在着回退运动，不仅会降低驱动器的输出性能，而且会缩短驱动器的使用寿命。
综上所述，在压电驱动器领域中，回退运动是研究的热点问题，需要亟待解决。为此，需要提出一种新的压电驱动原理，并研制出相应的装置和方法，在保留现有粘滑式、惯性式和寄生式压电驱动器结构简单、控制简单、大行程的基础上实现对回退运动的抑制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于差动运动原理的压电驱动器及其控制方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明基于差动运动原理的压电驱动器的结构简单，控制方法灵活，差动柔性铰链的驱动脚与滑块之间的初始间隙可以通过微调机构的旋钮来调节，在合适的初始间隙下，通过驱动单元中两个压电叠堆的协同驱动，可以在差动柔性铰链的驱动脚处输出差动运动，从而有效抑制了粘滑式等压电驱动器固有的回退运动。本发明为研究抑制粘滑式、寄生式、惯性式等类型压电驱动器回退运动提供了一种解决方案，在精密定位、精密/超精密加工、精密光学***和显微操作等领域具有广阔的应用前景。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现，结合附图：
一种基于差动运动原理的压电驱动器的控制方法，其特征在于，所述压电驱动器包括基座1、差动单元、动子单元及初始间隙调整单元；所述动子单元和初始间隙调整单元分别固定在基座1上，所述差动单元竖直固定在初始间隙调整单元上；所述差动单元包括差动柔性铰链4、左压电叠堆5、右压电叠堆8及两个预紧螺钉9，所述差动柔性铰链4整体为对称结构，包括固定架401、固定孔402、压电叠堆安装槽403、预紧螺钉安装孔404、Z形柔性铰链组405及驱动脚406；所述压电叠堆安装槽403嵌入在固定架401中，压电叠堆安装槽403前端与Z形柔性铰链组405相连，压电叠堆安装槽403后端与固定架401相连；所述Z形柔性铰链组405将驱动脚406分别与两侧的压电叠堆安装槽403相连；所述左压电叠堆5和右压电叠堆8分别通过预紧螺钉9安装在压电叠堆安装槽403内，预紧螺钉9通过固定架401上的预紧螺钉安装孔404作用在压电叠堆安装槽403的后端面上；所述左压电叠堆5与右压电叠堆8结构相同，左压电叠堆5整体为一端平面另一端球头形结构；所述压电叠堆安装槽403前端为设有U形凹槽的并联对称结构，压电叠堆安装槽403后端为H形结构；所述Z形柔性铰链组405由4条对称分布的Z形铰链组成，各Z形铰链一端连接驱动脚406，另一端连接压电叠堆安装槽403；所述动子单元包括导轨6以及滑动连接在导轨6上的滑块7，滑块7在差动柔性铰链4输出的差动运动的驱动下在导轨6上滑动；初始间隙调整单元用于调节差动柔性铰链4的驱动脚406与滑块7之间的初始间隙；同时向所述左压电叠堆5和右压电叠堆8施加协同驱动电信号，Z形柔性铰链组405将产生弹性变形，进而合成并输出差动运动以抑制回退运动；
压电驱动器的控制方法包括以下步骤：
步骤一、在0时刻时，压电驱动器处于初始状态，驱动脚406处于位置A，通过初始间隙调整单元改变驱动脚406与滑块7之间初始间隙Δy，并同时测量滑块7的输出位移，当输出位移曲线中无水平迟滞部分时，相应的间隙被定义为零间隙；此后，适当扩大初始间隙Δy；
步骤二、第一阶段：在0～t1时间段内，随着施加至右压电叠堆的驱动电压Ur的增加，右压电叠堆8将缓慢伸长并推动差动柔性铰链4产生弹性变形，在此期间，驱动脚406从位置A经历位移x1和y1到达位置B；在此过程中，相位差被定义为/>
步骤三、第二阶段：在t1～t2时间段内，施加至左、右压电叠堆的驱动电压Ul和Ur保持同步增长，相应地，左压电叠堆5和右压电叠堆8产生相同的伸长量，在此期间，驱动脚406沿y轴正向运动位移y2，直至与滑块7接触于位置C，并产生接触力P；
步骤四、第三阶段：在t2～t3时间段内，驱动电压Ul继续增长，而Ur开始下降，二者变化幅度相同，且此变化幅值被定义为推动电压Upush，在此期间，左压电叠堆5伸长，而右压电叠堆8收缩，二者变化程度相同；在这一过程中，驱动脚406沿x轴正向从位置C运动至位置D，由于相对运动的存在，静摩擦力f将产生并作为驱动力驱动滑块7沿x轴正向产生与驱动脚406相同的位移x2；
步骤五、第四阶段：在t3～t4时间段内，与第三阶段电压变化相反，驱动电压Ul和Ur保持同步下降，则左压电叠堆5和右压电叠堆8产生相同的收缩量，在此期间，驱动脚406沿y轴负向从位置D运动至位置E，相应地产生位移y3，并与滑块7分离；在此过程中，滑块7始终保持静止因为驱动脚406与滑块7在x轴方向上没有产生相对运动；
步骤六、第五阶段：在t4～t5时间段内，与第四阶段电压变化相反，驱动脚406沿x轴负向从位置E迅速地移动位移x2至位置B，为下一个循环做准备；在此过程中，驱动脚406与滑块7始终保持分离状态，滑块7不会产生回退运动；
步骤七、在t5～tn-1时间段内，驱动器将重复步骤三至步骤六，驱动脚406将相应产生周期性的差动运动，与滑块7周期性的接触和分离，进而驱动滑块7在导轨6上进行长行程、无回退的直线运动；
步骤八、在tn-1～tn时间段内，当滑块运行至目标点时，驱动脚406从位置E经历位移x3和y4返回至位置A，此次驱动过程的结束。
进一步地，所述初始间隙调整单元包括微调机构2、立板3，微调机构2包括微调旋钮201、锁紧螺钉203、下滑台204、上滑台205，下滑台204固定在所述基座1上，上滑台205滑动连接在下滑台204上并通过锁紧螺钉203进行限位，微调旋钮201用于调节上滑台205与下滑台204的相对位移量；所述立板3固定在上滑台205的上表面，所述差动柔性铰链4通过螺钉固定在立板3的立面上，通过旋动微调旋钮201实现差动柔性铰链4的驱动脚406与动子单元的滑块7之间的初始间隙的调节。
进一步地，所述动子单元的导轨6通过螺钉固定在基座1的凸台上，滑块7位置与差动柔性铰链4的驱动脚406位置相对。
进一步地，所述差动运动过程为：
当只向左压电叠堆5施加电压Ul时，其左压电叠堆5伸长量表示为：
xl＝nld33Ul
其中，nl为左压电叠堆5具有的压电陶瓷片的层数，d33为其压电常数，Ul为施加于其上的电压幅值；
之后，位移xl经差动柔性铰链4放大后于驱动脚406处沿x方向和y方向的输出分别为：
xlout＝Axxl
ylout＝Ayxl
其中，Ax、Ay分别为差动柔性铰链4沿x轴、y轴的位移放大倍数；
同理，当只向右压电叠堆8施加电压Ur时，右压电叠堆8伸长量xr和驱动脚沿x方向和y方向的输出位移分别表示为：
xr＝nrd33Ur
xrout＝Axxr
yrout＝Ayxr
其中，nr为右压电叠堆8具有的压电陶瓷片的层数，d33为其压电常数，Ur为施加于其上的电压幅值；
当同时分别向左压电叠堆5和右压电叠堆8施加电压Ul、Ur时，差动柔性铰链4将上述左压电叠堆5产生的位移xl、右压电叠堆8产生的位移xr进行合成，并于驱动脚406处输出，用于驱动滑块7在导轨6上滑动，则输出运动，表示为：
xout＝xlout-xrout＝Ax(xl-xr)
yout＝ylout+yrout＝Ay(xl+xr)
上两式表明驱动脚406沿x轴方向的输出xout取决于左压电叠堆5产生的位移xl和右压电叠堆8产生的位移xr的位移之差xl-xr，而驱动脚沿y轴方向的输出yout取决于左压电叠堆5产生的位移xl和右压电叠堆8产生的位移xr的位移之和xl+xr。
进一步地，通过调节左压电叠堆5和右压电叠堆8的驱动电信号UL和UR的频率，即实现对滑块7的运动速度的调控。
本发明的有益效果在于：
通过本发明提供的基于差动运动原理的压电驱动器及其控制方法，可以从驱动原理上实现对粘滑式、寄生式、惯性式等类型驱动器出现的回退运动的抑制，极大地提高了驱动器的输出性能和使用寿命。本发明结构简单、控制灵活、适应范围广、通用性强，在设定的初始间隙下，通过调节协同驱动电信号的幅值和频率均可调节滑块的运动速度，且理论上滑块具有无限制行程的优点。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本申请的一部分,本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定
图1为本发明一种基于差动运动原理的压电驱动器的立体结构示意图；
图2为本发明所述微调机构的立体结构示意图；
图3(a)为本发明所述立板的立体结构示意图；
图3(b)为本发明所述立板的另一角度立体结构示意图；
图4为本发明所述差动柔性铰链的立体结构示意图；
图5为本发明输出的菱形轨迹对应的电信号的时序控制图；
图6为本发明输出的差动运动对应的协同驱动电信号的时序控制图；
图7为本发明在不同协同驱动电信号相位差下输出的差动运动的轨迹形状；
图8为本发明在保持协同驱动电信号相位差、推动电压不变时，在不同卸载电压下输出的差动运动的轨迹形状；
图9为本发明在保持协同驱动电信号相位差、卸载电压不变时，在不同推动电压下输出的差动运动的轨迹形状；
图10为本发明差动运动原理的等效机构实现直线驱动的过程示意图；其中，
(a)为驱动脚位于初始位置A时状态示意图；
(b)为驱动脚从位置A到达位置B的过程状态示意图；
(c)为驱动脚从位置B到达位置C的过程状态示意图；
(d)为驱动脚从位置C到达位置D的过程状态示意图；
(e)为驱动脚从位置D到达位置E的过程状态示意图；
(f)为驱动脚从位置E到达位置B的过程状态示意图；
(g)为驱动脚从位置E到达位置A的过程状态示意图；
图11为本发明在电压幅值为150V、驱动频率为1Hz时的三角波单独作用于右压电叠堆时，在不同初始间隙下，滑块的输出位移随时间的实验曲线图；
图12为本发明在初始间隙、驱动频率保持不变时，在不同幅值的卸载电压下，滑块的输出位移随时间的实验曲线图；
图13为本发明在卸载电压、初始间隙、驱动频率保持不变时，在不同幅值的推动电压下，滑块的输出位移随时间的实验曲线图；
图14为本发明在卸载电压、推动电压、初始间隙保持不变时，在不同驱动频率下，滑块的输出位移随时间的实验曲线图；
图中：
1-基座；2-微调机构；3-立板；4-差动柔性铰链；5-左压电叠堆；6-导轨；7-滑块；8-右压电叠堆；9-预紧螺钉；201-微调旋钮；202-定位孔；203-锁紧螺钉；204-下滑台；205-上滑台；401-固定架；402-固定孔；403-压电叠堆安装槽；404-预紧螺钉安装孔；405-Z形柔性铰链组；406-驱动脚。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图4所示，一种基于差动运动原理的压电驱动器，包括基座1、差动单元、动子单元及初始间隙调整单元；所述动子单元和初始间隙调整单元分别通过螺钉固定在基座1上，所述差动单元竖直固定在初始间隙调整单元上；所述差动单元包括差动柔性铰链4、左压电叠堆5、右压电叠堆8，左压电叠堆5和右压电叠堆8分别通过预紧螺钉9对称安装在差动柔性铰链4内，实现差动运动的合成和输出；所述动子单元包括导轨6以及滑动连接在导轨6上的滑块7，滑块7在差动柔性铰链4输出的差动运动的驱动下在导轨6上滑动，并通过初始间隙调整单元调节差动柔性铰链4的驱动脚406与滑块7之间的初始间隙。
进一步地，如图2、图3所示，所述初始间隙调整单元包括微调机构2、立板3，微调机构2包括微调旋钮201、定位孔202、锁紧螺钉203、下滑台204和上滑台205，下滑台204通过螺钉固定在所述基座1上，上滑台205滑动连接在下滑台204上并可通过锁紧螺钉203进行限位，微调旋钮201通过支架固定在下滑台204末端并与上滑台205抵接，用于调节上滑台205与下滑台204的相对位移量，上滑台205上设有若干定位孔202，所述立板3通过螺钉和定位孔202固定在上滑台205的上表面，所述差动柔性铰链4通过螺钉固定在立板3的立面上。通过旋动微调机构2的微调旋钮201实现差动柔性铰链4的驱动脚406与动子单元的滑块7之间的初始间隙的调节，通过调节锁紧螺钉203实现微调机构2的自锁。
如图4所示，进一步地，所述差动单元包括差动柔性铰链4、左压电叠堆5、右压电叠堆8及两个预紧螺钉9，所述差动柔性铰链4整体为对称结构，包括固定架401、固定孔402、压电叠堆安装槽403、预紧螺钉安装孔404、Z形柔性铰链组405和驱动脚406。所述固定架401为C字形结构，在其上均匀分布着4个固定孔402；所述压电叠堆安装槽403嵌入在固定架401中，其前端为设有U形凹槽的并联对称结构，并与Z形柔性铰链组405相连，其后端为H形结构，与固定架401相连；所述Z形柔性铰链组405将压电叠堆安装槽403与驱动脚406相连，Z形柔性铰链组405由4条对称分布的Z形铰链组成，Z形铰链一端连接驱动脚406，另一端连接电叠堆安装槽403；所述差动柔性铰链4通过固定架401上的固定孔402和螺钉固定在立板3的前端面。所述预紧螺钉9通过预紧螺钉安装孔404作用在压电叠堆安装槽403的后端面上，用于调节压电叠堆的预紧力。所述左压电叠堆5和右压电叠堆8分别通过两个预紧螺钉9平行且对称地安装在差动柔性铰链4的两个压电叠堆安装槽403内，通过调节两个预紧螺钉9，可分别调节左压电叠堆5、右压电叠堆8与压电叠堆安装槽403之间的预紧力。
进一步地，所述动子单元包括导轨6、滑块7，所述导轨6通过螺钉固定在基座1的凸台上，所述滑块7在驱动脚406输出的差动运动的驱动作用下在导轨6上滑动。
如图5所示，为本发明压电驱动器输出的菱形轨迹对应的电信号的时序控制图，此菱形轨迹是本发明输出的所有差动运动的包络线。其中，UL为左压电叠堆5的驱动电信号，UR为右压电叠堆8的驱动电信号。
如图6所示，为本发明输出的差动运动对应的协同驱动电信号的时序控制图，其中，协同驱动电信号的相位差影响差动运动轨迹的整体形状尺寸，卸载电压影响差动运动轨迹的y方向形状尺寸，推动电压影响差动运动轨迹的x方向形状尺寸。通过同时向左压电叠堆5和右压电叠堆8施加协同驱动电信号，Z形柔性铰链组405将产生弹性变形，可以合成并输出差动运动以实现抑制回退运动的功能。
如图7至图9所示，图7为本发明在不同协同驱动电信号相位差下输出的差动运动的轨迹形状；图8为本发明在保持协同驱动电信号相位差、推动电压不变时，在不同卸载电压下输出的差动运动的轨迹形状；图9为本发明在保持协同驱动电信号相位差、卸载电压不变时，在不同推动电压下输出的差动运动的轨迹形状。
以下介绍本发明的差动运动原理：
当只向左压电叠堆5施加电压Ul时，其伸长量可以表示为：
xl＝nld33Ul
其中，nl为左压电叠堆5具有的压电陶瓷片的层数，d33为其压电常数，Ul为施加于其上的电压幅值。
之后，此位移xl经差动柔性铰链4放大后于驱动脚处输出：
xlout＝Axxl
ylout＝Ayxl
其中，Ax、Ay分别为差动柔性铰链4沿x轴、y轴的位移放大倍数。
同理，当只向右压电叠堆8施加电压Ur时，其伸长量和驱动脚的输出位移可分别表示为：
xr＝nrd33Ur
xrout＝Axxr
yrout＝Ayxr
同样，nr为右压电叠堆8具有的压电陶瓷片的层数，d33为其压电常数，Ur为施加于其上的电压幅值。
当同时分别向左压电叠堆5和右压电叠堆8施加电压Ul、Ur时，差动柔性铰链4将上述左压电叠堆5产生的位移xl、右压电叠堆8产生的位移xr进行合成，并于驱动脚处输出，用于驱动滑块7在导轨6上滑动。则输出运动可以表示为：
xout＝xlout-xrout＝Ax(xl-xr)
yout＝ylout+yrout＝Ay(xl+xr)
此即为差动运动原理，上两式表明驱动脚406沿x轴方向的输出xout取决于左压电叠堆5产生的位移xl和右压电叠堆8产生的位移xr的位移之差xl-xr，而驱动脚沿y轴方向的输出yout取决于左压电叠堆5产生的位移xl和右压电叠堆8产生的位移xr的位移之和xl+xr。
以正向驱动为例，当改变三角波电压的相位差时，基于差动运动原理，驱动脚的输出轨迹随相位差的变化如图6所示，其运动方向为顺时针。进一步地，对三角波电压波形进行改进，如图5所示，当分别改变卸载电压Uunload和推动电压Upush的幅值时，驱动脚的输出轨迹的变化分别如图7和图8所示，同样地，其运动方向也为顺时针。
参见图5和图9所示，本发明一种基于差动运动原理的压电驱动器的控制方法，包括以下步骤：
一、在0时刻时，驱动器处于初始状态，驱动脚406处于位置A，调节微调机构2的旋钮，改变驱动脚406与滑块7之间初始间隙Δy，并同时测量滑块7的输出位移，当输出位移曲线中无水平迟滞部分时，相应的间隙被定义为零间隙，如图10所示，此后，扩大初始间隙Δy至合适程度，并调节锁紧螺钉203将初始间隙Δy固定，本例以30微米为例。如图10中(a)所示。
二、第一阶段：在0～t1时间段内，随着驱动电压Ur的增加，右压电叠堆8将缓慢伸长并推动差动柔性铰链4产生弹性变形，在此期间，驱动脚406从位置A经历位移x1和y1到达位置B。在此过程中，相位差被定义为/>在本例中，相位差/>如图10中(b)所示。
三、第二阶段：在t1～t2时间段内，驱动电压Ul和Ur保持同步增长，相应地，左压电叠堆5和右压电叠堆8产生相同的伸长量，在此期间，驱动脚406沿y轴正向运动位移y2，直至与滑块7接触于位置C，并产生接触力P。如图10中(c)所示。
四、第三阶段：在t2～t3时间段内，驱动电压Ul继续增长，而Ur开始下降，二者变化幅度相同，且此变化幅值被定义为推动电压Upush，在本例中，驱动电压被设置为Upush＝50V。在此期间，左压电叠堆5伸长，而右压电叠堆8收缩，二者变化程度相同。在这一过程中，驱动脚406沿x轴正向从位置C运动至位置D，由于相对运动的存在，静摩擦力f将产生并作为驱动力驱动滑块7沿x轴正向产生与驱动脚406相同的位移x2。如图10中(d)所示。
五、第四阶段：在t3～t4时间段内，与第三阶段电压变化相反，驱动电压Ul和Ur保持同步下降(此下降的电压幅值被定义为卸载电压Uunload，在本例中被设置为Uunload＝60V)，则左压电叠堆5和右压电叠堆8产生相同的收缩量，在此期间，驱动脚406沿y轴负向从位置D运动至位置E，相应地产生位移y3，并与滑块7分离，在此过程中，滑块7始终保持静止因为驱动脚406与滑块7在x轴方向上没有产生相对运动。如图10中(e)所示。
六、第五阶段：在t4～t5时间段内，与第四阶段电压变化相反，相当于粘滑压电驱动器工作工程中的“滑”阶段，驱动脚406沿x轴负向从位置E迅速地移动位移x2至位置B，为下一个循环做准备。在此过程中，驱动脚406与滑块7始终保持分离状态，因此滑块7不会产生回退运动，即从驱动原理上抑制了回退运动。如图10中(f)所示。
七、在t5～tn-1时间段内，驱动器将重复步骤三至步骤六，因此，驱动脚406将相应产生周期性的差动运动，与滑块7周期性的接触和分离，进而驱动滑块7在导轨6上进行长行程、无回退的直线运动。
八、在tn-1～tn时间段内，当滑块运行至目标点时，驱动脚406从位置E经历位移x3和y4返回至位置A，标志着此次驱动过程的结束。上述过程仅以正向驱动为例，同理，将左压电叠堆5和右压电叠堆8的驱动电信号UL和UR相互对换即可实现滑块7的反向驱动。如图10中(g)所示。
通过调节左压电叠堆5和右压电叠堆8的驱动电信号UL和UR的频率，即可实现对滑块7的运动速度的调控。
参见图11所示，为本发明的右压电叠堆8在驱动频率为1Hz，电压幅值为150V的三角波电压单独作用下，在初始间隙Δy为0微米至20微米范围内，调节10微米，滑块7的输出位移随时间变化的实验曲线图。从图中可以看出，当调节微调机构2的旋钮对初始间隙Δy从0微米开始，依次扩大10微米时，滑块7的输出位移曲线中的水平停滞部分相应增大。
参见图12所示，为本发明在初始间隙为30微米，驱动频率为1Hz的协同驱动电信号作用下，在卸载电压Uunload为0V至60V范围内，依次调节10V，滑块7的输出位移随时间变化的实验曲线图。从图中可以看出，滑块7输出位移曲线中的回退运动部分随着卸载电压Uunload的增大而逐渐减小，表明驱动器的回退运动正在被逐渐抑制，当卸载电压Uunload大于50V时，驱动器的回退运动被完全抑制。
参见图13及图14所示，图13为本发明在卸载电压Uunload为60V，初始间隙Δy为30微米，驱动频率为1Hz的协同驱动电信号作用下，在推动电压Upush为10V至90V范围内，依次调节10V，滑块7的输出位移随时间变化的实验曲线图；
图14为本发明在推动电压Upush为50V，卸载电压Uunload为60V，初始间隙Δy为30微米的协同驱动电信号作用下，在驱动频率为1Hz至10Hz范围内，对驱动频率依次调节1Hz，滑块7的输出位移随时间变化的实验曲线图；可以看出，在保持初始间隙Δy、卸载电压Uunload不变的前提下，改变推动电压Upush与驱动频率其一时，驱动器的回退运动均得到了有效的抑制。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于差动运动原理的压电驱动器的控制方法，其特征在于，所述压电驱动器包括基座(1)、差动单元、动子单元及初始间隙调整单元；所述动子单元和初始间隙调整单元分别固定在基座(1)上，所述差动单元竖直固定在初始间隙调整单元上；所述差动单元包括差动柔性铰链(4)、左压电叠堆(5)、右压电叠堆(8)及两个预紧螺钉(9)，所述差动柔性铰链(4)整体为对称结构，包括固定架(401)、固定孔(402)、压电叠堆安装槽(403)、预紧螺钉安装孔(404)、Z形柔性铰链组(405)及驱动脚(406)；所述压电叠堆安装槽(403)嵌入在固定架(401)中，压电叠堆安装槽(403)前端与Z形柔性铰链组(405)相连，压电叠堆安装槽(403)后端与固定架(401)相连；所述Z形柔性铰链组(405)将驱动脚(406)分别与两侧的压电叠堆安装槽(403)相连；所述左压电叠堆(5)和右压电叠堆(8)分别通过预紧螺钉(9)安装在压电叠堆安装槽(403)内，预紧螺钉(9)通过固定架(401)上的预紧螺钉安装孔(404)作用在压电叠堆安装槽(403)的后端面上；所述左压电叠堆(5)与右压电叠堆(8)结构相同，左压电叠堆(5)整体为一端平面另一端球头形结构；所述压电叠堆安装槽(403)前端为设有U形凹槽的并联对称结构，压电叠堆安装槽(403)后端为H形结构；所述Z形柔性铰链组(405)由4条对称分布的Z形铰链组成，各Z形铰链一端连接驱动脚(406)，另一端连接压电叠堆安装槽(403)；所述动子单元包括导轨(6)以及滑动连接在导轨(6)上的滑块(7)，滑块(7)在差动柔性铰链(4)输出的差动运动的驱动下在导轨(6)上滑动；初始间隙调整单元用于调节差动柔性铰链(4)的驱动脚(406)与滑块(7)之间的初始间隙；同时向所述左压电叠堆(5)和右压电叠堆(8)施加协同驱动电信号，Z形柔性铰链组(405)将产生弹性变形，进而合成并输出差动运动以抑制回退运动；
压电驱动器的控制方法包括以下步骤：
步骤一、在0时刻时，压电驱动器处于初始状态，驱动脚(406)处于位置A，通过初始间隙调整单元改变驱动脚(406)与滑块(7)之间初始间隙Δy，并同时测量滑块(7)的输出位移，当输出位移曲线中无水平迟滞部分时，相应的间隙被定义为零间隙；此后，适当扩大初始间隙Δy；
步骤二、第一阶段：在0～t1时间段内，随着施加至右压电叠堆的驱动电压Ur的增加，右压电叠堆(8)将缓慢伸长并推动差动柔性铰链(4)产生弹性变形，在此期间，驱动脚(406)从位置A经历位移x1和y1到达位置B；在此过程中，相位差被定义为/>
步骤三、第二阶段：在t1～t2时间段内，施加至左、右压电叠堆的驱动电压Ul和Ur保持同步增长，相应地，左压电叠堆(5)和右压电叠堆(8)产生相同的伸长量，在此期间，驱动脚(406)沿y轴正向运动位移y2，直至与滑块(7)接触于位置C，并产生接触力P；
步骤四、第三阶段：在t2～t3时间段内，驱动电压Ul继续增长，而Ur开始下降，二者变化幅度相同，且此变化幅值被定义为推动电压Upush，在此期间，左压电叠堆(5)伸长，而右压电叠堆(8)收缩，二者变化程度相同；在这一过程中，驱动脚(406)沿x轴正向从位置C运动至位置D，由于相对运动的存在，静摩擦力f将产生并作为驱动力驱动滑块(7)沿x轴正向产生与驱动脚(406)相同的位移x2；
步骤五、第四阶段：在t3～t4时间段内，与第三阶段电压变化相反，驱动电压Ul和Ur保持同步下降，则左压电叠堆(5)和右压电叠堆(8)产生相同的收缩量，在此期间，驱动脚(406)沿y轴负向从位置D运动至位置E，相应地产生位移y3，并与滑块(7)分离；在此过程中，滑块(7)始终保持静止因为驱动脚(406)与滑块(7)在x轴方向上没有产生相对运动；
步骤六、第五阶段：在t4～t5时间段内，与第四阶段电压变化相反，驱动脚(406)沿x轴负向从位置E迅速地移动位移x2至位置B，为下一个循环做准备；在此过程中，驱动脚(406)与滑块(7)始终保持分离状态，滑块(7)不会产生回退运动；
步骤七、在t5～tn-1时间段内，驱动器将重复步骤三至步骤六，驱动脚(406)将相应产生周期性的差动运动，与滑块(7)周期性的接触和分离，进而驱动滑块(7)在导轨(6)上进行长行程、无回退的直线运动；
步骤八、在tn-1～tn时间段内，当滑块运行至目标点时，驱动脚(406)从位置E经历位移x3和y4返回至位置A，此次驱动过程的结束。
2.如权利要求1所述的一种基于差动运动原理的压电驱动器的控制方法，其特征在于，所述初始间隙调整单元包括微调机构(2)、立板(3)，微调机构(2)包括微调旋钮(201)、锁紧螺钉(203)、下滑台(204)、上滑台(205)，下滑台(204)固定在所述基座(1)上，上滑台(205)滑动连接在下滑台(204)上并通过锁紧螺钉(203)进行限位，微调旋钮(201)用于调节上滑台(205)与下滑台(204)的相对位移量；所述立板(3)固定在上滑台(205)的上表面，所述差动柔性铰链(4)通过螺钉固定在立板(3)的立面上，通过旋动微调旋钮(201)实现差动柔性铰链(4)的驱动脚(406)与动子单元的滑块(7)之间的初始间隙的调节。
3.如权利要求1所述的一种基于差动运动原理的压电驱动器的控制方法，其特征在于，所述动子单元的导轨(6)通过螺钉固定在基座(1)的凸台上，滑块(7)位置与差动柔性铰链(4)的驱动脚(406)位置相对。
4.如权利要求1所述的一种基于差动运动原理的压电驱动器的控制方法，其特征在于，所述差动运动过程为：
当只向左压电叠堆(5)施加电压Ul时，其左压电叠堆(5)伸长量表示为：
xl＝nld33Ul
其中，nl为左压电叠堆(5)具有的压电陶瓷片的层数，d33为其压电常数，Ul为施加于其上的电压幅值；
之后，位移xl经差动柔性铰链(4)放大后于驱动脚(406)处沿x方向和y方向的输出分别为：
xlout＝Axxl
ylout＝Ayxl
其中，Ax、Ay分别为差动柔性铰链(4)沿x轴、y轴的位移放大倍数；
同理，当只向右压电叠堆(8)施加电压Ur时，右压电叠堆(8)伸长量xr和驱动脚沿x方向和y方向的输出位移分别表示为：
xr＝nrd33Ur
xrout＝Axxr
yrout＝Ayxr
其中，nr为右压电叠堆(8)具有的压电陶瓷片的层数，d33为其压电常数，Ur为施加于其上的电压幅值；
当同时分别向左压电叠堆(5)和右压电叠堆(8)施加电压Ul、Ur时，差动柔性铰链(4)将上述左压电叠堆(5)产生的位移xl、右压电叠堆(8)产生的位移xr进行合成，并于驱动脚(406)处输出，用于驱动滑块(7)在导轨(6)上滑动，则输出运动，表示为：
xout＝xlout-xrout＝Ax(xl-xr)
yout＝ylout+yrout＝Ay(xl+xr)
上两式表明驱动脚(406)沿x轴方向的输出xout取决于左压电叠堆(5)产生的位移xl和右压电叠堆(8)产生的位移xr的位移之差xl-xr，而驱动脚沿y轴方向的输出yout取决于左压电叠堆(5)产生的位移xl和右压电叠堆(8)产生的位移xr的位移之和xl+xr。
5.如权利要求1所述的一种基于差动运动原理的压电驱动器的控制方法，其特征在于，通过调节左压电叠堆(5)和右压电叠堆(8)的驱动电信号UL和UR的频率，即实现对滑块(7)的运动速度的调控。
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