压电驱动精密直线步进电机研究

ωn =
2 F0 2 K1 + M + M w ( M + M w )e
式中 M 为薄壁铰链一侧直线动子质量；Mw 为外 部载荷物体质量；F0 为薄壁铰链上的预紧力；e 为 直线动子的振幅。 设计直线动子时，在满足强度条件和步进位 移量的前提下，应尽量提高薄壁铰链的等效弹性系 数 K1，减小直线动子质量 M，使系统具有良好的 动态性能。 3.3 机构制作 由于该步进电机要求具有非常高的精确度， 压电叠堆的位移量也在微米级，因此在该系统的制 作中，应充分考虑以下几个方面的问题。 机械加工制作：机械加工的精度直接决定着 该电机的步进精度，其中，直线动子和箝位定子之 间的配合间隙精度显得尤为重要，在加工中，采用 二者配合加工，并对其接触表面进行研磨，使其自 由状态下间隙不大于 3µm；另外，薄壁铰链部分 的加工采用线切割工艺，薄壁铰链在加工中要保持
ABSTRACT: Describes a precision line motor, the motor is based on the piezoelectric (PZT) technology. It works with a new kind of anchoring method. From this anchoring method the motor works well, it worked out the problem of anchoring loosing and frequency. Experiments show that The motor which developed in this paper can work in high frequency (100Hz); high speed (30mm/min); large travel (>20mm); high resolution and high load. This kind of actuator will be applied for large travel and high resolution driving, optics engineering, precision positioning and some micro-manipulation field. KEY WORDS: Piezoelectric (PZT); Anchoring/loosen; Step motor; Thin flexible hinge; Large travel 摘要：提出一种新型的定子主动箝位方式压电精密直线步 进电机，解决了压电驱动电机箝位不牢固、步进频率较低、 行程小、速度低等问题。研制的精密电机能够实现高频率 （100Hz） ，高速度（30mm/min） ，大行程（>20mm） ，高精 度，大驱动力（100N）等特点，大幅度提高了压电型步进 电机的驱动性能。研制的该步进电机在精密运动、微操作、 光学工程、精密定位等精密工程中具有一定的应用价值。 关键词：压电陶瓷驱动器；定子箝位；步进电机；薄壁柔 性铰链；大行程
L1 EI y x dx Y L2 M ∆L X
驱动压电叠堆
动子
图 1 电机整体结构图 Fig.1 Structure of the PZT motor
箝位机械结构原理如图 2 所示：定子体固定 不动，压电叠堆在正向电压作用下伸长推动箝位块 向下运动，压紧直线动子，从而实现箝位，该双侧 薄壁铰链结构在钳位过程中几乎不产生阻力作用， 由于双薄壁铰链的变形和横向约束作用，使箝位块 只产生 y 向的运动，而不产生 x 向运动，从而在钳位 过程中对动子不产生偏转动力，使箝位牢靠、稳定。
1 引言
近年来，随着微/纳米技术的迅猛发展 , 在光 学工程、微电子制造、航空航天技术、超精密机械 制造、微机器人操作、地震测量、生物、医学及遗 传工程等技术领域的研究都迫切需要亚微米级、微/ 纳米级的超精密驱动。传统的步进电机功率—重量
基金项目：国家“863”高技术基金项目（2002AA423150） 。 Project Support by National High Technology Research and Development of China (863 Programme)（2002AA423150） ．
第4期
刘建芳等： 压电驱动精密直线步进电机研究
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驱动器上有较多的问题需要解决。本文提出一种新 型结构基本上解决了这方面的问题。
性铰链的变形使直线动子沿轴线方向伸长而不会相 对轴线偏转。
直线动子
2 基本原理及结构
2.1 定子箝位方式 本文研制的压电直线步进电机整体结构如图 1 所示：主要由定子箝位体和直线动子组成，定子箝 位体上安装有箝位动力压电叠堆，直线动子上安装 有驱动动力压电叠堆，各压电叠堆协调工作，使直 线动子在定子导向孔中运动。
文献标识码：A
压电驱动精密直线步进电机研究
刘建芳，杨志刚，程光明，华顺明
（吉林大学压电驱动与控制技术研究中心，吉林 长春 130025）
A STUDY OF PRECISION PZT LINE STEP MOTOR
LIU Jian-fang, YANG Zhi-gang, CHENG Guang-ming, HUA Shun-ming （Jilin University, PZT Research Centre, Changchun 130025, China）
第 24 卷 第 4 期 2004 年 4 月 文章编号：0258-8013（2004）04-0102-06
中 国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE 中图分类号：TH137.33
报
Vol.24 No.4 Apr. 2004 ©2004 Chin.Soc.for Elec.Eng. 学科分类号：470·4024
48EI 下面用瑞利能量法对图 4 进行分析：设ρ为薄壁铰 链单位长度质量，整个薄壁铰链的动能为 ym =
3 M g L1
图 2 箝位结构原理图 Fig.2 Principle of anchor/loosen structure
2.2 直线驱动动子结构 为实现直线动子具有大的输出载荷，并且具 有较高的运动频率，取得刚度适中的中间柔性铰链 很重要。直线动子结构如图 3 所示。直线动子加工 出双薄壁柔性铰链，并沿中心线对称分布，中间安 放用于驱动的压电叠堆，当压电叠堆伸长时由于柔
学
报
第 24 卷
=y m y
2 3L1 x − 4x3 3 L1
系统的最大动能为 1 17 1 17 2 2 max Tmax = ( M + ρL1 ) y = (M + ρL1 ) A 2ω n 2 35 2 35 而系统的最大弹性势能为 1 1 max = kA2 U max = ky 2 2 由 Tmax = U max 得
ωBaidu Nhomakorabea =
k M + (17 / 35) ρL1
式中 k 为薄壁铰链的弹性刚度系数，对于两端固 定薄壁铰链带有中间质量 M 时 48 EI k= 3 L1 式中 EI 为薄壁铰链截面抗弯曲刚度系数。 在保证箝位牢靠、刚性满足要求的前提下， 最大限度的减小 M 的质量，将能显著提高系统的 固有频率。 由于薄壁铰链截面的影响，使系统的抗弯刚 度系数 EI 引起的抗弯力 Fe<<F ，从而使 F 有效 的作用在动子上，产生的摩擦箝位力 Ff 为 F f = K s ⋅ ( F − Fe ) ≈ K s ⋅ F 式中 Ks 为钳位块与动子间的静摩擦系数。 在 F 的选取中，压电叠堆的预紧力 Fp ，压电 叠堆与箝位块之间的连接牢固程度，箝位块与动子 之间的间隙大小都对 F 起很大的影响。 压电叠堆有很高的响应频率（几万 Hz） ，因此 尽可能提高箝位机械结构的固有频率可使整个系统 的工作频率 P 提高。另外，在工作中，箝位系统 的响应频率 P1 和直线动子系统的响应频率是一致 的，所以箝位系统的固有频率和直线动子系统的固 有频率应尽量趋于一致。 3.2 直线动子参数设计 直线动子是整个系统的运动部件和动力输出 装置，其参数设计中同样包括推力参数 F 、步进 量参数∆L 和频率参数 P2。该系统的变形如图 5 所 示，当左侧箝位后，可看作紧固连接，右侧为在力 的作用下产生变形，两侧的薄壁铰链可看作两串连 的弹簧模型。参数之间关系为 F − Fw = ( K1 + K1 )∆L
y x
图 4 箝位结构变形图 Fig.4 Distortion of anchor/loosen structure
定子体 箝位用 压电叠堆 薄壁铰链 箝位块 动子剖面
质点。假设系统在自由振动时的挠度曲线和系统中 间有集中静载荷 Mg 作用下的静挠度曲线一样，则 在距离固支点 x 距离处的任一单元的位移表达式为 Mg 3L2 x − 4 x3 2 y= x − 4 x 3 ) = ym 1 3 (3L1 48 EI L1 式中 ym 为中点挠度。求解上式得
T =2
∫
L1 2
0
3L2 x − 4 x 3 2 1 17 1 2 m 1 3 m ρ(y ) dx = ( ρL1 ) y 2 35 2 L1
因为是简谐振动，可设 y m = A sin(ω n t + ϕ ) m = Aω n cos(ω n t + ϕ ) 则 y
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中
国
电
机
工
程
比低，而且电机高速运转后需要减速装置变速，致 使传动系统复杂、结构累赘。显然，现有技术已不 能满足工业领域发展的需求。 随着科技的发展，人们研制出利用功能材料 构成的新型电机来实现超精密驱动，近年来此研究 已取得了一系列成果，如记忆合金电机、压电效应 电机、电致伸缩电机和磁致伸缩电机等。其中，由 于压电材料（PZT）相对优越的性能，从而使精密 驱动技术的研究主要集中在压电型驱动器( 或压电 步进马达)，这是因为压电材料在给其提供一定的 电压时能够产生稳定的微米、纳米量级的位移或运 动，同时，压电驱动具有线性好、控制方便、位移 分辨率高、频率响应好、不发热、无磁干扰、无噪 声等优点，并且压电型驱动步进电机能够实现体积 小、重量轻、大功率密度的特点。因此压电型精密 微驱动技术已成为国内外的重点研究方向。 近年来，对压电型精密驱动技术的研究主要 集中在两个方面：一个方面为单步输出微动驱动技 术，此种驱动器只能进行单步微动操作，输出力和 输出位移恒定，但行程小，只有 0~50µm，因此只 能应用在一些特殊的场合，如镜面精密定位，细胞 基因注射操作等领域。对压电型精密驱动器研究的 另一方向表现为大行程多步输出驱动技术，它分为 惯性冲击式和步进式两种动力转换方式构造多种精 密驱动机构。步进式的工作原理是根据自然界某些 爬行类动物行走的方法而提出的，故称为步进式驱 动机构，这种运动方式又称为蠕动式（inchworm） 。 在时序控制电压信号的作用下，则驱动装置可实现 定向运动[1-6]。 现在国内外对步精密驱动器的研究都取得了 一定的进展，但对超精密、大行程、高速、大载荷
式中 F 为压电叠堆产生的有效推力；Fw 为有效 输出载荷；K1 为薄壁铰链动力学模型的当量弹性 系数；∆L 为直线动子的变形位移量。
∆L
F
D
1 17 1 2 ρL1 A2ω n = kA2 M + 2 35 2
得
图 5 直线动子受力变形图 Fig.5 Distortion of the line driver
因为该驱动过程非常复杂，涉及到压电叠堆 的响应时间，输出载荷的加速度变化，内部能量损 耗等，所以这里采用了当量弹性系数 K1、有效推 力 F、有效输出载荷 Fw 等对系统进行描述。 该驱动部分运动时，压电叠堆具有与箝位部 分相同的运动频率，所以，为了提高整体系统的频 率，应尽可能的提高直线动子机械系统本身的固有 频率。但是直线动子部分与定子箝位部分不同，定 子箝位系统的固有频率一旦设计完成，是一个固定 不变的量，而直线动子系统的固有频率则随着输出 载荷的变化而变化，是一个变化的量。由材料力学 和振动力学知识可以推导出其变化函数关系
箝位压电叠堆 定子
驱动用压电叠堆 薄壁铰链
图 3 直线动子结构图 Fig.3 Structure of the line driver
3 设计及制作
3.1 箝位参数设计 在步进驱动中，箝位性能的好坏直接影响步 进运动的效果，箝位性能参数主要为动力学参数设 计，包括箝位力参数 F 和箝位响应频率参数 P1。 大的箝位力可以使箝位牢靠、稳定，不会因冲击而 产生位移，从而提高步进重复性精度；高的箝位响 应频率可以使箝位灵敏，实现高频步进运动，从而 形成高速运动。该箝位结构的动力学模型如图 4 所 示：假设箝位块质量为 M，可认为是集中质量即