壓電陶瓷撥爪電機(jī)驅(qū)動(dòng)特性研究

范 偉 李鐘慎 崔長彩

華僑大學(xué)，廈門，361021

0 引言

微位移技術(shù)是精密工程和精密儀器的關(guān)鍵技術(shù)之一，在微電子、微機(jī)械、納米科技等前沿學(xué)科領(lǐng)域都有廣泛的需求和應(yīng)用［1－3］。實(shí)際應(yīng)用中除了要求有高的定位精度，同時(shí)也希望有較大的位移范圍［4］。目前微位移機(jī)構(gòu)大多采用粗精二級(jí)定位機(jī)構(gòu)。大行程粗位移可以由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠，或線性馬達(dá)配上氣浮軸承及導(dǎo)軌，或音圈馬達(dá)配上導(dǎo)軌等實(shí)現(xiàn)；微位移多用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)。兩級(jí)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，又增加了誤差源，使得實(shí)際的定位精度很難滿足納米級(jí)定位控制的要求［5］。

雙向共振模式工作的壓電陶瓷撥爪電機(jī)可實(shí)現(xiàn)大行程的快速驅(qū)動(dòng)，有較高的分辨率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，在國外已有廣泛的應(yīng)用，但由于價(jià)格昂貴，應(yīng)用成本高，控制復(fù)雜，所以國內(nèi)對(duì)其研究并不多。壓電陶瓷撥爪電機(jī)的控制采用專用的驅(qū)動(dòng)器——AB2驅(qū)動(dòng)器。AB2是一種24V單軸放大器，用來控制最多16路壓電陶瓷撥爪電機(jī)。它可以選擇不同的驅(qū)動(dòng)模式，有 AC、DC、STEP和GATE驅(qū)動(dòng)模式。在DC驅(qū)動(dòng)模式下，壓電陶瓷撥爪電機(jī)的分辨率可以達(dá)到1nm，可以直接實(shí)現(xiàn)納米級(jí)驅(qū)動(dòng)定位。其他幾種驅(qū)動(dòng)模式的分辨率為100nm。

1 研究試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

雙向共振模式工作的壓電陶瓷撥爪電機(jī)具有大行程、高速、高位移分辨率等突出優(yōu)點(diǎn)，其交流驅(qū)動(dòng)模式采用的是用一路39.6kHz的等幅正弦波電壓，同時(shí)激發(fā)壓電陶瓷撥爪電機(jī)定子C中的壓電陶瓷A、B伸縮，產(chǎn)生一階縱向振動(dòng)模態(tài)和一階彎曲振動(dòng)模態(tài)，使撥爪電機(jī)驅(qū)動(dòng)頭沿橢圓軌跡z運(yùn)行，并依靠摩擦力驅(qū)動(dòng)滑塊沿箭頭方向運(yùn)動(dòng)，原理如圖1所示。

圖1 撥爪電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

由于壓電陶瓷撥爪電機(jī)通過壓電陶瓷端面與陶瓷貼片間的摩擦力來推動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，因此在交流驅(qū)動(dòng)模式下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加的振動(dòng)，那么，這個(gè)振動(dòng)有什么樣的規(guī)律？會(huì)給工作臺(tái)帶來怎樣的影響？

此外壓電陶瓷撥爪電機(jī)在精確定位時(shí)，為了達(dá)到納米級(jí)的定位精度，采用的是直流驅(qū)動(dòng)模式，那么撥爪電機(jī)實(shí)現(xiàn)納米級(jí)驅(qū)動(dòng)定位的直流驅(qū)動(dòng)模式又有怎樣的驅(qū)動(dòng)特性？本文基于這些問題進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究。

1.2 驅(qū)動(dòng)測試系統(tǒng)構(gòu)建

壓電陶瓷撥爪電機(jī)驅(qū)動(dòng)器AB2的控制信號(hào)需要1路±10V的連續(xù)直流模擬信號(hào)和3路開關(guān)量信號(hào)，所以系統(tǒng)采用了PCI－7484數(shù)據(jù)采集卡，輸出電機(jī)控制信號(hào)。壓電陶瓷撥爪電機(jī)根據(jù)驅(qū)動(dòng)力的大小，分為HR1型、HR2型、HR4型和HR8型，其控制方法都是相同的。本試驗(yàn)選擇了2個(gè)驅(qū)動(dòng)頭的 HR2型，其尺寸均為41.7mm×21.5mm×12.7mm，最大驅(qū)動(dòng)力為9N，AC、DC、STEP和GATE驅(qū)動(dòng)模式的選擇都是通過開關(guān)量信號(hào)控制的。

大位移時(shí)，需要首先采用壓電陶瓷撥爪電機(jī)的AC模式。在該模式下，電機(jī)的速度與±10V的控制直流模擬信號(hào)成正比。此外還可以像直線電機(jī)一樣，采用GATE和STEP的步進(jìn)模式，步進(jìn)的幅值取決于直流模擬信號(hào)的大小，頻率取決于數(shù)字信號(hào)的頻率。在接近目標(biāo)位移時(shí)，為了達(dá)到納米級(jí)定位精度，就必須使得壓電陶瓷電機(jī)能夠工作在DC模式下。整個(gè)納米級(jí)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖如圖2所示，工作臺(tái)實(shí)物如圖3所示。

圖2 撥爪電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖

圖3 撥爪電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)物圖

1.3 試驗(yàn)控制及數(shù)據(jù)處理軟件

VB（visual basic）軟件能夠迅速地編制程序界面，具有良好的程序開發(fā)環(huán)境，這在界面設(shè)計(jì)和程序開發(fā)上是非常有效的。本研究中采用VB6.0編寫了HPV型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的控制程序。MATLAB語言具有簡潔緊湊、語法限制不嚴(yán)、程序設(shè)計(jì)自由度大、可移植性好、運(yùn)算符和庫函數(shù)豐富、圖形功能強(qiáng)等特點(diǎn)，所以本研究采用MATLAB語言進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和曲線擬合。

由于壓電陶瓷撥爪電機(jī)控制器的模擬控制信號(hào)要求±10V的驅(qū)動(dòng)電壓，所以在控制過程中要求能夠根據(jù)期望位移和速度，施加幅值和時(shí)間可連續(xù)控制的±10V模擬信號(hào)。為此在用VB進(jìn)行程序設(shè)計(jì)過程中采用Timer控件對(duì)輸出電壓時(shí)間進(jìn)行控制。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)器AB2的I／O口第16針接地時(shí)，壓電陶瓷撥爪電機(jī)工作在STEP模式下。當(dāng)8針接地、16針為高電平時(shí)，電機(jī)工作在GATE模式下，輸出控制信號(hào)的頻率由16針輸入的脈沖頻率決定，幅值由模擬信號(hào)的幅值控制。當(dāng)I／O口21針接地，則壓電陶瓷撥爪電機(jī)工作在DC模式下，位移量和模擬控制信號(hào)電壓成正比。最后，當(dāng)16針、8針和21針懸空或均接高電平，壓電陶瓷撥爪電機(jī)則工作在AC模式下。控制程序界面如圖4所示。

圖4 壓電陶瓷撥爪電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序界面

2 壓電陶瓷撥爪電機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

壓電陶瓷撥爪電機(jī)進(jìn)行大行程快速驅(qū)動(dòng)時(shí)，采用的是交流AC驅(qū)動(dòng)模式，此時(shí)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器給壓電陶瓷撥爪提供一個(gè)39.6kHz的高頻交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)，撥爪在陶瓷條上高頻扭動(dòng)，靠摩擦力推動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)給，如圖5所示。因此電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加的高頻振動(dòng)。采用加速度傳感器及電荷放大器對(duì)該振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集放大，并輸入到后續(xù)的示波器中，將振動(dòng)信號(hào)的頻率和幅值顯示出來。

圖5 撥爪電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型

首先，工作臺(tái)靜止時(shí)，加速度傳感器輸出信號(hào)如圖6所示，可以看到一個(gè)幅值為30mV的雜波信號(hào)，信號(hào)頻率在48.5kHz附近，與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓頻率并不符合，并且幅值也很小，說明該信號(hào)并不是驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)引起的高頻振動(dòng)，而是傳感器背景噪聲信號(hào)，從而證明了壓電陶瓷撥爪電機(jī)在驅(qū)動(dòng)器上電，但并未施加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，不會(huì)存在伺服振動(dòng)。

圖6 振動(dòng)背景噪聲測試結(jié)果

隨后開始對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行交流驅(qū)動(dòng)模式下的振動(dòng)試驗(yàn)。采用不同的驅(qū)動(dòng)電壓，即工作臺(tái)在不同驅(qū)動(dòng)速度下，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，測試結(jié)果如圖7～圖10所示。

圖7 驅(qū)動(dòng)電壓為2V時(shí)的振動(dòng)測試結(jié)果

圖8 驅(qū)動(dòng)電壓為4V時(shí)的振動(dòng)測試結(jié)果

圖9 驅(qū)動(dòng)電壓為6V時(shí)的振動(dòng)測試結(jié)果

圖10 驅(qū)動(dòng)電壓為8V時(shí)的振動(dòng)測試結(jié)果

由于在交流驅(qū)動(dòng)模式下，壓電陶瓷撥爪電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)為模擬信號(hào)，范圍為0～10V，分別對(duì)2V、4V、6V和8V驅(qū)動(dòng)電壓下工作臺(tái)的振動(dòng)做了對(duì)比試驗(yàn)。由圖7～圖10可以看出，壓電陶瓷撥爪電機(jī)在大行程的交流驅(qū)動(dòng)模式下，驅(qū)動(dòng)頭在依靠摩擦力推動(dòng)工作臺(tái)前進(jìn)的同時(shí)，也會(huì)在工作臺(tái)上附加一個(gè)與驅(qū)動(dòng)器交流驅(qū)動(dòng)正弦電壓頻率接近的高頻振動(dòng)，其振動(dòng)頻率也在39.6kHz附近。

由圖7～圖10還可看出，壓電陶瓷撥爪電機(jī)驅(qū)動(dòng)所產(chǎn)生附加振動(dòng)的幅值與驅(qū)動(dòng)電壓的大小成正比關(guān)系。由于撥爪電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)工作臺(tái)的速度會(huì)隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增大而增大，因此對(duì)撥爪電機(jī)進(jìn)行大行程的AC驅(qū)動(dòng)控制時(shí)，在速度允許的前提下，應(yīng)盡量減小驅(qū)動(dòng)電壓幅值，從而減小附加振動(dòng)對(duì)工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)精度的影響。工作臺(tái)附加振動(dòng)測試結(jié)果如表1所示。

表1 驅(qū)動(dòng)電壓與振動(dòng)信號(hào)電壓幅值關(guān)系表

3 壓電陶瓷撥爪電機(jī)納米驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)

壓電陶瓷撥爪電機(jī)一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)就是可以避免使用傳統(tǒng)的粗精二級(jí)驅(qū)動(dòng)，直接實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的驅(qū)動(dòng)控制。由于撥爪電機(jī)只有在直流模式下才可以達(dá)到納米級(jí)的驅(qū)動(dòng)精度，為了對(duì)其高精驅(qū)動(dòng)模式下的驅(qū)動(dòng)特性進(jìn)行分析試驗(yàn)，特進(jìn)行了以下試驗(yàn)分析：

工作臺(tái)采用RENISHAW雷尼紹的直光柵檢測工作臺(tái)的位移變化，其分辨率為10nm。由于直流模式下電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制電壓范圍為0～10V，所以選定電壓加載分別為每步1V和每步2V兩種方式，根據(jù)驅(qū)動(dòng)電壓的不同，觀察電機(jī)的位移變化情況。

在每步1V方式下，電壓加載范圍為0～9V，而每步2V方式下，電壓加載范圍為0～8V，針對(duì)每種加載方式分別進(jìn)行了四組試驗(yàn)。利用MATLAB軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，繪出加載電壓與位移的關(guān)系曲線圖，如圖11～圖14所示。

圖11 1V進(jìn)給電壓與位移的關(guān)系曲線圖

圖12 1V進(jìn)給電壓與單次位移的關(guān)系曲線圖

圖13 2V進(jìn)給電壓與位移的關(guān)系曲線圖

由圖11、圖12可以看出，壓電陶瓷撥爪電機(jī)在直流驅(qū)動(dòng)模式下，仍然存在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器所固有的遲滯、蠕變和非線性的影響，在控制時(shí)需加以修正。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓增幅為1V時(shí)，驅(qū)動(dòng)位移曲線的重復(fù)性較差，遲滯和非線性誤差也相對(duì)較大，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)施加1V進(jìn)給電壓時(shí)工作臺(tái)無位移輸出的現(xiàn)象。

圖14 2V進(jìn)給電壓與單次位移關(guān)系曲線圖

從圖13、圖14可以看出，壓電陶瓷撥爪電機(jī)在2V進(jìn)給電壓驅(qū)動(dòng)下，驅(qū)動(dòng)位移曲線的重復(fù)性較好，非線性誤差和遲滯、蠕變誤差也明顯降低，驅(qū)動(dòng)特性較好。綜上所述，壓電陶瓷撥爪電機(jī)在直流模式下，驅(qū)動(dòng)行程接近100nm，驅(qū)動(dòng)位移分辨率在10nm以內(nèi)，可以滿足納米級(jí)驅(qū)動(dòng)控制定位的要求。

4 結(jié)論

壓電陶瓷撥爪電機(jī)具有大行程、高速、位移分辨率高等突出優(yōu)點(diǎn)，可以避免使用傳統(tǒng)的二級(jí)驅(qū)動(dòng)，直接實(shí)現(xiàn)納米級(jí)驅(qū)動(dòng)定位。本文分別對(duì)其在大行程交流驅(qū)動(dòng)時(shí)的附加振動(dòng)和直流模式下的納米級(jí)驅(qū)動(dòng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

（1）壓電陶瓷撥爪電機(jī)在交流驅(qū)動(dòng)模式下，會(huì)同時(shí)在工作臺(tái)上附加一個(gè)與驅(qū)動(dòng)器交流驅(qū)動(dòng)正弦電壓頻率很接近的高頻振動(dòng)，其振動(dòng)頻率在39.6kHz附近。

（2）附加振動(dòng)的幅值與驅(qū)動(dòng)電壓大小基本成正比關(guān)系。因此為提高驅(qū)動(dòng)控制精度，在驅(qū)動(dòng)速度允許的前提下，應(yīng)盡可能減小驅(qū)動(dòng)電壓。

（3）壓電陶瓷撥爪電機(jī)在直流驅(qū)動(dòng)模式下，仍然存在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器所固有的遲滯、蠕變和非線性的影響。但是驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電壓為2V時(shí)，電機(jī)的重復(fù)性較好，非線性誤差和遲滯、蠕變誤差也明顯降低，驅(qū)動(dòng)特性較好，其驅(qū)動(dòng)行程接近100nm，驅(qū)動(dòng)位移分辨率在10nm以內(nèi)，可以滿足納米級(jí)驅(qū)動(dòng)控制定位的要求。

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