三角位移轉換式壓電直線電機

王　寅，潘　松，黃衛清，余　卿

(1.華僑大學 機電及自動化學院，福建 廈門 361021;

2.南京航空航天大學 機械結構力學與控制國家重點實驗室，江蘇 南京 210016)

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三角位移轉換式壓電直線電機

王寅1*，潘松2，黃衛清2，余卿1

(1.華僑大學 機電及自動化學院，福建 廈門 361021;

2.南京航空航天大學 機械結構力學與控制國家重點實驗室，江蘇 南京 210016)

為了在保持電機精度的同時獲得較大作動行程，提出了一種以疊層壓電陶瓷作為激勵振動源的壓電直線電機。分析了電機的工作原理，推導了電機驅動足在工作時的運動軌跡。設計安裝了電機樣機，并對其定子進行了測試。最后，在兩種激發條件下實驗研究了電機的整機性能。結果表明：單組疊層壓電陶瓷激勵時，該樣機定子驅動頭在接觸面法向和切向同時具有振動分量，并能夠在階躍和連續兩種不同激勵方式下實現單向大行程直線運動。以鋸齒波激勵時可實現步進運動，激勵頻率為20 Hz時步距為0.1 μm；以兩路相位差π/2的正弦波激勵時，可在1.5 kHz到5.8 kHz的激勵頻率區間輸出穩定連續的直線運動，其運動速度隨激勵頻率的升高而增大，在峰-峰值110 V(50 V偏置)的正弦電壓激勵下其推力可達4.8 N。該電機具有高位置分辨率和寬頻率響應，可以在兩種工作模式下分別穩定地實現直線步進和大行程連續運行。

直線電機；壓電電機;疊層壓電陶瓷；三角位移轉換；雙模式

*Correspondingauthor,E-mail:yin.wangyin@hqu.edu.cn

1　引　言

20世紀下半葉，隨著對壓電陶瓷材料研究的深入，具有高性能的鈣鈦礦壓電陶瓷被研制出來。該材料的逆壓電效應在作動器上的應用在世界范圍內引起了學者的廣泛興趣。由此產生了形態多樣、原理各異的壓電電機，壓電直線電機也由此產生[1,2]。壓電陶瓷具有高剛度、寬頻響的特性，可達到較高的位置分辨率，但是其微小的應變輸出使其作動行程有限，成為其在作動器中應用中的瓶頸。

將壓電陶瓷作為激振單元激發彈性體的高頻振動模態,通過結構共振實現較大位移輸出可突破這一瓶頸[3-5]。應用這一原理的壓電直線電機使用定子體的單一或者多個振動模態進行工作，最終通過摩擦將定子體的機械振動能轉換為負載的動能。該類電機可以通過控制壓電陶瓷上施加的電場實現超高分辨率(納米級)的定位，即直接利用壓電陶瓷的變形，也可在高頻振動下高速連續運行從而獲得大行程運動[6]。然而，工作在共振狀態的電機性能隨共振頻率變化顯著，此外，高頻驅動電路使得該類電機性能輸出呈現出強烈的非線性，使得該類電機的控制問題變得復雜。

隨著壓電陶瓷材料制作工藝的改進，出現了另一種方法，即將多層片狀壓電陶瓷疊層放置并將電機以特定形式封裝的集成元件，即疊層壓電陶瓷[7]。疊層壓電陶瓷具有激勵電壓低，輸出應變大等特性，一些集成度高的疊層壓電陶瓷也具有較寬的響應頻率[8]。針對疊層壓電陶瓷在作動器上的開發研究可根據工作方式分為尺蠖式壓電直線電機[9-11]，慣性沖擊式壓電直線電機[12,13]，直接利用疊層壓電陶瓷變形的微動臺以及采用彈性放大機構放大疊層壓電陶瓷輸出變形的壓電電機等[14, 15]。其中，直接利用疊層壓電陶瓷變形的微動臺的行程一般在微米級，采用彈性放大機構放大疊層壓電陶瓷輸出變形的壓電作動器的行程增大的同時其彈性放大機構的剛度將迅速減??；慣性沖擊式壓電直線電機利用激勵波形或者電機結構的不對稱性獲得往返振動加速度的不對稱，從而獲得單向運動，但不適合在具有沖擊載荷的環境中使用；尺蠖式壓電直線電機機構較復雜[11]，需要至少3組壓電執行單元協同工作，這對3組壓電執行單元的加工精度和裝配要求較高，并且驅動電路至少要提供3路不同相位的激勵信號，由于其結構的復雜性，該類電機工作頻率較低，不易獲得較快的運動速度[16]。

為避免因共振帶來的非線性，提升穩定性并獲得較大作動行程，本文提出了工作在非共振狀態的壓電直線電機，利用疊層壓電陶瓷輸出變形大、激勵電壓低和頻率響應寬的特性，研制了具有高位置分辨率和寬頻率響應的大行程壓電直線電機，分析其工作原理和結構設計原則，并通過樣機實驗驗證了設計的可行性。

2　壓電直線電機的構成及其工作原理

2.1壓電直線電機的構成

電機結構如圖1所示，主要由定子、動子及定子夾持裝置等構成。其中，動子為一根由安裝在導向滑塊中的導軌，其表面黏附一根氧化鋁陶瓷條，定子的驅動頭與動子導軌表面的氧化鋁陶瓷條直接接觸；夾持裝置由導向機構和預緊機構組成[17]，導向機構由3組滾動軸承及壓緊彈簧構成，定子固定安裝在由3個軸承導向的滑座上，用于約束定子在定、動子接觸面切向的運動自由度，并允許其在接觸面法向自由滑動，滑座下面有一彈簧預緊機構，用于施加定子驅動頭與動子之間的接觸力。

圖1　電機結構示意圖Fig.1　Structure diagram of motor

2.2壓電直線電機的工作原理

壓電直線電機在運行時，首先，疊層壓電陶瓷輸出的變形經定子中三角位移轉換機構的變換在驅動頭處產生沿接觸面法向和切向的位移分量，兩組疊層壓電陶瓷同時以一定相位激勵定子振動時，定子的驅動頭以特定的橢圓軌跡運動。這時，由于定子驅動頭以一定預壓力接觸動子，動子和定子接觸面產生單向摩擦功從而使動子在驅動頭的摩擦力推動下運動。根據定子驅動頭的不同運動形式，壓電直線電機的工作模式可以分為步進模式和連續模式。

圖2　定子原理示意圖Fig.2　Principle diagram of stator

為便于分析驅動頭的運動軌跡，定子的原理如圖2所示，在驅動頭位置設置直角坐標系x-o-y，三角位移轉換機構簡化為等腰三角形。當只給兩個疊層壓電陶瓷中的一個壓電堆施加直流電壓，疊層壓電陶瓷的變形量用D表示，那么驅動頭在直角坐標系x-o-y中的位移可表示為:

(1)

其中:a為等腰三角形腰長，l為等腰三角形底邊長，θ為底角。

如果給其中一個疊層壓電陶瓷所施加的電壓的波形為鋸齒波，則在鋸齒波的上升沿驅動頭將由于摩擦力的作用帶動動子以相對緩慢的速度運動，在鋸齒波下降沿驅動頭迅速往回運動，而這時的動子將由于慣性在整個運動過程中產生步進。

當兩個疊層壓電陶瓷分別施加等幅同頻并且在相位上相差π/2的正弦電壓激勵信號時，由疊加原理，可以得到驅動頭的運動軌跡參數為：

(2)

(3)

式(3)為橢圓方程。這說明在兩個疊層壓電陶瓷分別施加等幅同頻并且在相位上相差π/2的正弦電壓激勵信號時，驅動頭將以橢圓軌跡運動。

在上述兩相正弦電壓的頻率較高時，驅動足在一個周期內僅有部分時段與動子接觸，可以保證每次驅動頭接觸動子時的摩擦力都是同一個方向，由于慣性動子將在驅動頭高頻間歇推動下輸出連續直線運動。

3　三角轉換式壓電直線電機設計制作

3.1電機定子的結構設計

圖3所示為三角轉換式定子結構三維模型圖，主要包括三角轉換機構、調節墊塊、銷、兩組疊層壓電陶瓷、板彈簧、預緊螺釘和基體等。其驅動足呈三角形，疊層壓電陶瓷的支撐面一面貼緊三角轉換機構，另一面則緊貼安裝在基體的調整墊塊上。該調整墊塊通過銷與基體相連，該設計可預防疊層壓電陶瓷發生應力集中。疊層壓電陶瓷的預緊力由板彈簧的變形回復力提供，在三角轉換結構中部下方有一柔性鉸鏈連接的附屬結構，在該結構上設有螺紋孔，有一預緊螺釘穿過板彈簧和基體與三角轉換機構相連，調節螺釘使板彈簧處于預變形狀態；該附屬結構用柔性鉸鏈連接，這是因為在電機工作時三角形轉換機構存在平面內轉動，為防止預緊機構阻礙三角轉換機構的轉動采用柔性鉸鏈連接。

圖3　電機定子三維模型Fig.3　3D model of stator

3.2樣機制作

三角轉換式壓電直線電機定子的所有零件中，所用彈性零件都經熱處理、拋光和表面防銹處理。其中，板簧材質選用65 Mn，其余零件皆使用45鋼加工。圖4所示為裝配后的三角轉換式壓電直線電機定子，定子高為35 mm。

圖4　裝配后的定子Fig.4　Assembled stator

圖5所示為采用直線滑道式夾持機構的三角轉換式電機，其后的預壓機構可通過調整彈簧導桿的位置來調節預壓力。動子使用了帶導向滑塊的直線滑軌。

圖5　電機裝配總成Fig.5　Whole assembled motor

4　樣機測試實驗與結果

4.1定子驅動足振動響應實驗

樣機的驅動頭材料為45鋼，疊層壓電陶瓷選用德國PI公司的PL055，其尺寸參數為長5 mm、寬5 mm、厚2 mm，該疊層壓電陶瓷在100 V的電壓激勵下輸出位移標稱值為2.2 μm，并且其推薦預緊力為15 MPa，通過與3片板簧相接觸的螺母來預緊疊層壓電陶瓷。完成定子的安裝后首先進行驅動頭運動軌跡測量，測試裝置如圖6所示，為避免外界振動噪聲的干擾，測量對象至于氣浮工作臺上，所用位移傳感器為基恩士公司產品LK-030系列激光位移傳感器，通過激光三角法獲得驅動頭的運動信息。

當給其中一個壓電疊堆施加幅值為100 V的方波電壓時，驅動頭在x和y方向上的位移輸出的幅值約為1.7 μm，該數值經換算后與疊層壓電陶瓷的位移標稱值相近，說明兩組激勵原件正常工作且定子安裝合理。

(a) 測量裝置實驗照片(a) Photo of measurement set-up

(b) 測量位置示意(b) Demonstration of measuring points圖6　驅動頭運動軌跡測量裝置Fig.6　Measuring equipment of trajectory of drive tip

4.2壓電直線電機輸出特性實驗

動子的運動測試裝置如圖7所示，將激光位移傳感器的監測光線方向與導軌運動方向調整至平行，并將光點打在導軌一端。

圖7　直線電機運動輸出測量示意Fig.7　Measuring equipment arrangement of linear motor output

當僅給其中一個疊層壓電陶瓷施加幅值為110 V的鋸齒波電壓時，動子在定子的帶動下產生往返運動，由于往返運動的加速度存在較大差異，在加速度較小時動子隨著驅動頭一起運動，在驅動頭以較大加速度復位時，動子由于自身慣性與驅動頭產生相對滑動，從而動子每個周期都會產生單方向的步進運動。實驗結果表明，在頻率為1 Hz時，直線電機的步距為0.17 μm；在20 Hz的頻率下電機的步距為0.1 μm。

(a) 激勵頻率2 Hz(a) Exciting frequency is 2 Hz

(b) 激勵頻率20 Hz (b) Exciting frequency is 20 Hz圖8　步進分辨率測量Fig.8　Measurement of resolution

圖9　激勵頻率與輸出速度的關系Fig.9　Relationship between the Incentive frequency and output speed

當分別給兩個疊層壓電陶瓷施加峰峰值110 V(正50 V偏置)的兩相相位差π/2的正弦電壓時[18]，改變激勵電壓的頻率可以得到壓電直線電機輸出速度與激勵電壓頻率之間的關系，如圖9所示。由圖9可以看出，電機在1.5 kHz到5.8 kHz的較寬頻段內穩定運行，壓電直線電機的輸出速度隨激勵電壓頻率的升高而逐漸增大并近似線性關系。采用在導軌一端懸掛重物的辦法測量電機的機械特性，在激勵電壓的頻率為5.8 kHz、驅動頭與動子之間的預壓力為7 N時，壓電直線電機的機械特性曲線如圖10所示，電機可輸出最大4.8 N的推力。

圖10　機械特性曲線Fig.10　Curve of mechanical characteristics

從上面的實驗結果可以看出，壓電直線電機由于避免使用共振，其輸出速度與激勵頻率呈近似線性關系，與直線超聲電機在共振區強烈的非線性特性相比，其頻率穩定性顯著改善，這對提高電機的穩定性和可控性具有積極意義；另外，壓電直線電機采用作動方向尺寸僅為2 mm的疊層壓電陶瓷，可以在較低的激勵電壓下實現驅動，一般疊層壓電陶瓷作動方向尺寸可以做到10 mm以上，如果采用作動方向尺寸10 mm的激勵元件就可以在20 V的激勵電壓下獲得相同的輸出特性，這是利用共振原理的直線超聲電機難以實現的。

5　結　論

本文利用疊層壓電陶瓷激勵電壓低，頻率響應寬的特點提出了一種具有兩種作動模式的壓電直線電機，在三角形位移轉換結構轉換下，疊層壓電陶瓷的輸出位移傳遞至驅動頭并在接觸面法向和切向同時具有振動分量；在兩路正弦電壓信號激勵下，驅動頭振動軌跡為橢圓。樣機實驗結果表明：電機在較低的激勵電壓下可實現兩種工作模式的作動。在步進模式下，電機的位移分辨率可達0.1 μm；連續作動模式下，其輸出速度隨激勵頻率的升高而增大；在7 N的預壓力下，兩路激勵電壓頻率為5.8 kHz，并且電壓峰峰值為110 V(50 V正偏置)的電壓激勵下，電機的輸出推力可達4.8 N。

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王寅(1986-)，男，江蘇淮安人，博士，講師，2003年于南京航空航天大學獲得學士學位,2014年于南京航空航天大學獲得博士學位，主要從事壓電精密驅動研究。E-mail: yin.wangyin@hqu.edu.cn

導師簡介：

黃衛清(1965-)，男，江蘇南通人，教授，博士生導師，新世紀百千萬人才工程、國家教育部優秀人才計劃、江蘇省333工程第二層次獲得者，1987年于南京航空航天大學獲得學士學位，1990年于南京航空航天大學獲得碩士學位，1999年于香港理工大學獲得博士學位，主要從事壓電精密致動技術的研究。E-mail: mehwq@nuaa.edu.cn

(版權所有未經許可不得轉載)

Linear piezoelectric motor with triangular displacement transformer

WANG Yin1*, PAN Song2, HUANG Wei-qing2, YU Qing1

(1.CollegeofMechanicalEngineeringandAutomation,HuaqiaoUniversity,Xiamen361021,China; 2.StateKeyLaboratoryofMechanicsandControlofMechanicalStructures,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)

A linear piezoelectric motor was proposed by using the stacked piezoelectric ceramics as a excited vibration source to enlarge its stroke and to maintain a higher precision. The working principle of the linear motor was analyzed, and the moving trajectory equation of the driving tip in the linear motor was deduced at a working state. The construction of the linear motor was designed, and a prototype of the motor was fabricated, assembled and tested. Finally, the motion performance of the motor was measured under two different exciting conditions. Experimental results indicate that the driving tip of the stator in the motor vibrates both normally and tangentially and the motor is capable of two operation modes, including the stepping mode excited by single channel saw-tooth wave voltage signal and the continuous mode excited by dual channel sinusoidal voltage signals with a phase difference of π/2. In the former mode, the resolution of step reaches 0.1 μm under driving frequency 20 Hz; while in the later mode, the motor moves stably during frequency band from 1.5 kHz to 5.8 kHz and its speed increases with the frequency. When the two sinusoidal exciting voltages are to be peak to peak of 100V,the offset of 50 V and a frequency of 5.8 kHz, the thrust of the prototype reaches 4.8 N. In conclusion, the proposed piezoelectric motor is capable of realizing both high resolution and long travel at dual operation modes.

linear motor; piezoelectric motor; stacked piezoelectric ceramics; triangular displacement transformer; dual modes

2016-02-15；

2016-03-20.

國家自然科學基金資助項目 (No.51505161，No.51575260，No.51375224)；華僑大學高層次人才科研啟動資金資助項目(No.15BS102)

1004-924X(2016)08-1973-07

TM359.4

A

10.3788/OPE.20162408.1973