惯性式中型结构的直线压电电机及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种惯性式中型结构的直线压电电机及其控制方法，该直线压电电机包括杆状动子、环形定子、压电陶瓷片，所述环形定子包括第一横板、第二横板，第一横板、第二横板的同侧端部之间均通过一弹片连接，且第一横板的中部位置开设导向孔，而第二横板则通过纵向切缝分割成两块陶瓷片安装板，每一块陶瓷片安装板的外侧表面均粘接有一片压电陶瓷片，且两块陶瓷片安装板的切面在中部位置均开设有一个内凹的弧形定子夹持槽，该弧形定子夹持槽的弧面与动子的外圆面相适配；所述动子的一端依次穿过导向孔、弧形定子夹持槽设置，每一片压电陶瓷片均与相应的激励电源连接。由此可知，本发明专利技术具有结构简单、部件微小、运行稳定、定位精确、运动分辨率高、成本较低的优点。

【技术实现步骤摘要】
惯性式中型结构的直线压电电机及其控制方法
本专利技术涉及一种惯性式压电直线电机及其控制方法，属于压电精密致动

技术介绍
压电直线电机技术作为新兴的精密驱动技术，因其短小轻薄的外形特征和易于集成等突出优势得到了国内乃至全世界的广泛关注。压电陶瓷的逆压电效应可将电能转化为机械能，据此效应设计的作动器具有结构简单，电磁兼容性好和响应快等特点。惯性式电机是一种利用压电陶瓷的快速变形产生的惯性冲击来实现微位移的微型驱动机构，它具有很多优势，如：运动范围大，分辨率能达到纳米级，结构简单，部件可被微小化，并能在步进运动的同时实现精确定位等。利用压电元件动态特性的惯性冲击式驱动器在精密驱动领域已经发展为一项独特的驱动型式，得到了广泛的研究与应用。然而就目前的对惯性式压电直线电机研究技术还有一些不足，如：电机部件的微小化并未完全得到实现，定位精确的电机结构较为复杂，运动的分辨率不高，并且普遍采用作为驱动元件的压电叠堆抗拉力弱，结构限制不能连接质量较大的惯性块，驱动能力受到限制，成本较高。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提出一种惯性式的压电直线电机，其具有结构简单、部件微小、运行稳定、定位精确、运动分辨率高、成本较低的优点。为实现以上的技术目的，本专利技术将采取以下的技术方案：一种惯性式中型结构的直线压电电机，包括动子以及压电复合振子，该压电复合振子包括定子以及压电陶瓷片，所述的动子呈杆状，而定子呈环形设置，所述环形定子包括两块相互平行设置的横板，分别为第一横板、第二横板，所述的第一横板、第二横板的同侧端部之间均通过一弹片连接，且第一横板的中部位置开设有一个与动子外圆面匹配的导向孔，而第二横板则通过中部位置所开设的纵向切缝分割成两块相对设置的陶瓷片安装板，每一块陶瓷片安装板的外侧表面均粘接有一片压电陶瓷片，且两块陶瓷片安装板的切面在中部位置均开设有一个内凹的弧形定子夹持槽，该弧形定子夹持槽的弧面与动子的外圆面相适配；所述动子穿过导向孔设置，并通过两块陶瓷片安装板上的弧形定子夹持槽夹持；每一片压电陶瓷片均与相应的激励电源连接。作为本专利技术的进一步改进，两块陶瓷片安装板上所粘接的压电陶瓷片的极化方向、作动方向一致作为本专利技术的进一步改进，弹片包括片状主体以及连接在片状主体两端的弧形衔接片。作为本专利技术的进一步改进，所述弹片为金属材质。作为本专利技术的进一步改进，所述激励电源为慢升快降的三角波电压信号；该三角波电压信号在0至的一个周期内分为两个过程，其中0至为上升信号段，至为下降信号段，并且本专利技术的另一技术目的是提供一种上述惯性式中型结构的直线压电电机的控制方法，将两块陶瓷片安装板上所粘接的压电陶瓷片分别与同频、同向、同型的三角波激励信号连接；当给两块陶瓷片安装板上所粘接的压电陶瓷片施加慢升电信号时，激励压电复合振子产生弯曲模态，并选择陶瓷片安装板的面外二阶弯振作为工作模态，此时压电复合振子在弧形定子夹持槽处对动子施加夹持力，压电复合振子将锁住并抱紧圆杆，圆杆由于摩擦力作用将会随着压电复合振子的向前弯曲而向前直线运动；而当慢升电信号施加到最大值时，瞬间转换为快降电信号，压电复合振子将快速从弯曲状态恢复至原来的平衡位置，此时，动子自身惯性力的作用克服了压电复合振子回复运动产生的摩擦力，促使动子继续保持向前直线运动的状态；当快降电信号快速回复至0，下一个周期的慢升电信号又开始激励，重复上述的激励过程，动子始终保持向前的直线运动。根据以上的技术方案，相对于现有技术，本专利技术具有以下的优点：1.本专利技术所述的压电电机各部件结构简单，加工难度小，连接方便，可以实现批量生产；2.本专利技术的压电元件采用压电陶瓷，克服了普遍的作为惯性驱动元件的压电叠堆抗拉力弱，不能连接较大质量块的缺点，在实现步进的同时精度也较高，成本较低；3.本专利技术的作动定子部分将传统压电电机中的定子部分与导向装置部分连接在了一起，大大增加了空间利用率，实现了电机整体的小型化。4.本专利技术在所有压电陶瓷上均施加了电压慢升快降的三角波电压信号，驱动方式较为简单，避免了复杂的驱动形式。附图说明图1是惯性式压电超声电机的整体结构示意图；图2是图1中的环状定子的示意图；图3是锯齿波信号示意图；图4是惯性式压电超声电机的直线运动原理示意图；其中：动子1；定子2；横板21；导向孔210；弹片22；陶瓷片安装板23；弧形定子夹持槽231；压电陶瓷片3；运动方向4；压电复合振子5。具体实施方式以下将结合附图详细地说明本专利技术的技术方案。如图1和图2所示，本专利技术所述的惯性式中型结构的直线压电电机，包括动子1以及压电复合振子，该压电复合振子5包括定子2以及压电陶瓷片3，所述的动子1呈杆状，而定子2呈环形设置，所述环形定子包括两块相互平行设置的横板21，分别为第一横板、第二横板，所述的第一横板、第二横板的同侧端部之间均通过一弹片22连接，弹片22包括片状主体以及连接在片状主体两端的弧形衔接片；并采用金属材质制成；且第一横板的中部位置开设有一个与动子外圆面匹配的导向孔210，而第二横板则通过中部位置所开设的纵向切缝分割成两块相对设置的陶瓷片安装板23，每一块陶瓷片安装板23的外侧表面均粘接有一片压电陶瓷片3，且两块陶瓷片安装板23的切面在中部位置均开设有一个内凹的弧形定子夹持槽231，该弧形定子夹持槽231的弧面与动子的外圆面相适配；所述动子1的一端依次穿过导向孔210、弧形定子夹持槽231设置，并通过两块陶瓷片安装板上的弧形定子夹持槽夹持，每一片压电陶瓷片3均与相应的激励电源连接；因此，本专利技术所述动子、定子、压电陶瓷片具有如下特点：1.动子采用细圆柱杆结构，定子为环形结构；2.定子集成了动子的导向部分（导向孔、弧形定子夹持槽），动子的作动方向由中通导向孔与弧形定子夹持槽决定；弧形定子夹持槽用于夹持动子，通过定子（弹片）金属材料的弹性提供夹持力；3.压电陶瓷片为两片，位置对称；4.利用压电复合振子本身的弹性，施加陶瓷片安装板与动子之间的预压力，使得动子的外圆与弧形定子夹持槽的弧面相触；5.激励电源采用慢升快降的锯齿波电压信号或者三角波电压信号。图3、图4为定子与动子运动的示意图，图3为一种常用的驱动电信号：三角波；其中：正向三角波信号在0至的一个周期内分为两个过程，其中0至为上升信号段，至为下降信号段，并且所述两片压电陶瓷片3的极化方式与作动方向4相同，且其连接有相同的电压信号，即电压慢升快降的三角波信号（如图3所示）。当对压电陶瓷片3施加电压慢升的信号时，将激励作动定子和压电陶瓷片组成的复合压电振子产生弯曲模态。为了激励复合压电振子的弧形槽处的振幅最大，选择作动定子一侧两个矩形面的面外二阶弯振作为工作模态；当同时施加慢升电信号时，复合压电振子产生弯曲，此时弧形槽处的振幅最大，且复合压电振子的侧边矩形板的弯曲方向一致。由于作动定子材料的弹性，在弧形槽处施加夹持力，此时由于摩擦力圆杆将会随着复合压电振子的向前弯曲而向前直线运动，由于此时是静摩擦力起作用，所以复合压电振子将锁住并抱紧圆杆；而当慢升电信号施加大最大值时，瞬间转换为快降电信号，陶瓷片两端电压迅速恢复零电压，压电陶瓷片迅速恢复初始形状，压电陶瓷片3带动所述定子2快速回复初始形状，此时所述动子由于惯性，来不及沿作动方向的反方向回复，使定子2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种惯性式中型结构的直线压电电机，包括动子以及压电复合振子，其特征在于，所述的压电复合振子包括定子以及压电陶瓷片；动子呈杆状，而定子呈环形设置，所述环形定子包括两块相互平行设置的横板，分别为第一横板、第二横板，所述的第一横板、第二横板的同侧端部之间均通过一弹片连接，且第一横板的中部位置开设有一个与动子外圆面匹配的导向孔，而第二横板则通过中部位置所开设的纵向切缝分割成两块相对设置的陶瓷片安装板，每一块陶瓷片安装板的外侧表面均粘接有一片压电陶瓷片，且两块陶瓷片安装板的切面在中部位置均开设有一个内凹的弧形定子夹持槽，该弧形定子夹持槽的弧面与动子的外圆面相适配；所述动子穿过导向孔设置，并通过两块陶瓷片安装板上的弧形定子夹持槽夹持；每一片压电陶瓷片均与相应的激励电源连接。

【技术特征摘要】
1.一种惯性式中型结构的直线压电电机，包括动子以及压电复合振子，其特征在于，所述的压电复合振子包括定子以及压电陶瓷片；动子呈杆状，而定子呈环形设置，所述环形定子包括两块相互平行设置的横板，分别为第一横板、第二横板，所述的第一横板、第二横板的同侧端部之间均通过一弹片连接，且第一横板的中部位置开设有一个与动子外圆面匹配的导向孔，而第二横板则通过中部位置所开设的纵向切缝分割成两块相对设置的陶瓷片安装板，每一块陶瓷片安装板的外侧表面均粘接有一片压电陶瓷片，且两块陶瓷片安装板的切面在中部位置均开设有一个内凹的弧形定子夹持槽，该弧形定子夹持槽的弧面与动子的外圆面相适配；所述动子穿过导向孔设置，并通过两块陶瓷片安装板上的弧形定子夹持槽夹持；每一片压电陶瓷片均与相应的激励电源连接。2.根据权利要求1所述惯性式中型结构的直线压电电机，其特征在于，两块陶瓷片安装板上所粘接的压电陶瓷片的极化方向、作动方向一致。3.根据权利要求1或2所述惯性式中型结构的直线压电电机，其特征在于，弹片包括片状主体以及连接在片状主体两端的弧形衔接片。4.根据权利要求3所述惯性式中型结构的直线压电电机，其特征在于，所述弹...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵淳生，皮奥特尔·瓦西尔耶夫，孙梦馨，杨颖，王亮，王寅，谢尔盖·鲍罗廷，达柳斯·马泽卡，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32