壓電粘滑驅動器研究現狀與進展分析

程廷海, 高 琪, 李義康, 李恒禹, 何 猛, 盧曉暉

(1.長春工業大學 汽車工程研究院， 吉林 長春 130012;2.長春工業大學 機電工程學院， 吉林 長春 130012)

0 引 言

具有微納米定位精度的壓電驅動技術是精密光學系統、微/納米制造、生物醫療工程、精密科學儀器等領域的支撐性技術之一。其中，基于粘滑驅動原理的壓電驅動器因具有結構簡單、精度高、行程大和無電磁干擾等特點得到了廣泛關注[1-3]。壓電粘滑驅動其實質上是利用壓電元件的慣性驅動原理，實現動子的往復直線運動輸出。簡單概括為在非對稱鋸齒電壓信號激勵下，利用壓電振子的不對稱振動所造成的動、靜摩擦力之間的差異，以達到控制被驅動物體產生微小位移的目的[4-6]。

文中將首先介紹壓電粘滑驅動器的工作原理，然后從驅動器的新構型設計、激勵波形優化設計、理論建模分析及控制方法研究等方面對其研究現狀進行論述，分析當前研究主要存在的問題，介紹近年來相關研究工作的最新進展。

1 壓電粘滑驅動器工作原理

典型的壓電粘滑驅動原理與過程示意圖如圖1所示。

圖1 壓電粘滑驅動原理與過程示意圖

壓電粘滑驅動器在工作過程中主要采用非對稱鋸齒波對壓電堆疊進行緩慢與快速交替激勵，利用逆壓電效應激發定子(圖中定子由壓電堆疊與摩擦桿構成)產生緩慢與快速交替的運動變形，使得定子與動子(圖中動子為滑塊)處于“粘”和“滑”兩種運動狀態，在摩擦力作用下實現機械運動輸出[7]。

壓電粘滑驅動器在一個運動周期內的工作過程可描述為以下幾個階段：

1)當t=0時刻，壓電堆疊未得電，壓電堆疊的伸長量為零，此時滑塊與摩擦桿處于靜止狀態。

2)當t=t0-t1時段，壓電堆疊在電信號激勵下緩慢伸長，定子在靜摩擦驅動力作用下“粘”住動子一起運動，向右產生一段微小的距離Ds。

3)在t=t1-t2時段，壓電堆疊迅速收縮至初始長度，此時動子所受滑動摩擦阻力與其運動方向相反。因此，當慣性力不足時，動子將產生向左的回退位移Db。驅動器的有效輸出步距De大小為Ds-Db。重復上述周期性激勵，可實現驅動器宏觀上的連續運動輸出。

2 壓電粘滑驅動器的研究現狀

近年來，壓電粘滑驅動器在新構型設計、激勵波形優化設計、理論建模分析以及控制方法等幾個方面得到了廣泛研究，文中將圍繞這幾個方面著重進行論述。

2.1 驅動器新構型設計

從驅動器的新構型設計研究角度來講，由于新構型設計靈活，國內外學者們開展大量研究工作。2004年，國內學者程光明等[8]采用雙壓電晶片振子為移動機構的驅動源，提出了一種新型二維壓電驅動機構。該機構是通過控制機構驅動足產生的驅動力與接觸面間的摩擦力共同作用實現機構的定向運動。此外，2006年研制了粘滑型實驗裝置樣機，壓電薄膜精密運動平臺試驗樣機如圖2所示。

圖2 壓電薄膜精密運動平臺試驗樣機

圖中，當驅動電壓低于30 V 時，步距誤差不超過0.5 μm，承載能力約為自重的7～8倍[9]。

2006年，加拿大學者Zhang等[10]利用粘滑驅動原理設計了一種多自由度壓電粘滑驅動器，如圖3所示。

圖3 二維壓電粘滑驅動器結構示意圖

該驅動器包括執行機構輸出軸、摩擦套、摩擦環、摩擦片和壓電陶瓷驅動器等部分。其中，該驅動器的直線運動可通過一個壓電陶瓷驅動器實現，而旋轉運動可通過兩個壓電陶瓷反方向伸縮帶動輸出軸旋轉，并搭建驅動器的實驗測試系統，進行了實驗研究。實驗結果表明，驅動器具有較好的輸出性能。

2009年，國內學者馮志華等利用纖維扭轉式驅動器研制了具有較高定位精度和運動分辨率的旋轉式微型壓電粘滑驅動器[11-12]，如圖4所示。

該驅動器可實現較好的運動輸出。在直線驅動器方面，利用一種基于簡諧振動合成的共振型鉗位機構設計了壓電直線型驅動器[13-14]，通過調節機構尺寸來分別匹配共振頻率比為1∶3∶5和1∶2。實驗結果表明，該類驅動器可實現較好性能輸出。

圖4 纖維扭轉式壓電粘滑驅動器

2012年，日本學者Morita等[15]提出了一種共振型壓電粘滑驅動器，該驅動器結構簡單，并且利用的共振模式可實現高輸出功率。

并于2013年利用壓電堆疊設計了共振型桿式壓電粘滑驅動器，當定子與動子間的預緊力為270 mN時，在1.6 V電壓下，驅動器可獲得的空載速度為40 mm/s，該壓電驅動器具有較好的低電壓特性，同時較好地抑制了驅動器的產熱量[16]。

共振型壓電粘滑驅動器如圖5所示。

圖5 共振型壓電粘滑驅動器

2013年，立陶宛學者Mazeika等[17]利用壓電雙晶片作為驅動源設計了一種壓電粘滑線性驅動裝置，驅動裝置樣機的實物照片如圖6所示。

在鋸齒和脈沖信號激勵下，驅動裝置具有較好的輸出特性。當脈沖信號的頻率為153.37 Hz時，輸出的平均速度最大。該驅動器的輸出位移和速度主要取決于接觸面間的滑動摩擦阻力，接觸面間的滑動摩擦阻力越大，輸出位移與速度越小。

圖6 壓電粘滑線性驅動裝置

2013年，國內學者趙宏偉等[18]基于鉗式結構寄生運動原理設計并研制一種旋轉型壓電粘滑驅動器，驅動器樣機結構如圖7所示。

圖7 旋轉型壓電粘滑驅動器

該壓電驅動器的最小分辨率為0.7 μrad。基于寄生運動原理研制一種直線壓電粘滑驅動器[9-21]。在先前研究工作的基礎上，2015年，基于側向運動原理研制一種壓電粘滑驅動器[22]，該驅動器在實現大行程的同時兼具較高的分辨率。該驅動器的最大輸出速度能夠達到14.25 mm/s，最大輸出力為3.43 N，最小步位移約為0.04 μm。此外，還研制了一種旋轉型壓電粘滑驅動器，該驅動器能夠實現雙伺服納米定位臺的宏-微復合定位[23]，其最大速度為32 000 μrad/s，旋轉分辨率約為1.54 μrad。在2017年，又基于耦合運動設計并研制了新型驅動原理的壓電粘滑驅動器，實驗結果表明,驅動器可實現較理想的運動輸出[24]。

2017年，國內學者榮偉斌等[25]研制一種新型旋轉式壓電粘滑驅動器，如圖8所示。

圖8 新型旋轉式壓電粘滑驅動器

該驅動器基于壓電堆疊和柔性鉸鏈機構共同作用實現驅動，壓電堆疊產生的微位移可通過柔性鉸鏈機構進行放大，在保證較高分辨率的同時，實現較大的行程輸出，柔性鉸鏈機構致使定子與轉子間處于靜摩擦驅動力與滑動摩擦阻力交替變化狀態，實現轉子的運動輸出。通過調節輸入電壓和頻率，以實現不同的驅動器速度輸出。驅動器的分辨率為0.75 μrad，最大負載能力為74 N。

2017年，國內學者范尊強等[26]研制了一種雙堆疊共同驅動式直線壓電粘滑驅動器，該裝置主要由橋式柔性鉸鏈機構和平行四邊形柔性鉸鏈機構復合而成，將兩個壓電堆疊的變形分別放大作用于滑塊，壓電堆疊B用于產生沿著導軌方向的驅動，壓電堆疊A產生垂直于導軌方向的力，用于預緊力調節，如圖9所示。

圖9 雙堆疊驅動式壓電粘滑驅動器

實驗結果表明，該驅動器可實現大行程直線運動，最小步長為0.29 μm，最大速度可達3.27 mm/s。

2.2 驅動器波形優化設計

從驅動器激勵波形優化設計角度來講，當前壓電粘滑驅動器主要是利用非對稱鋸齒波的緩慢和快速交替通電來激發定、動子間產生“粘”與“滑”兩種工作狀態，通過分析該鋸齒波電信號激勵下驅動器的粘滑運動原理可知，在壓電粘滑的快速變形驅動階段，該鋸齒波電信號的輸入將會顯著削弱其驅動器輸出性能。并在此基礎上，逐步發展出梯形波、擺線波以及指數波等激勵波形。

2012年，國內學者陸輕鈾等[27]研究了不同波形激勵下壓電粘滑驅動器的輸出特性規律，如優化的鋸齒波、梯形波和擺線波等。結果表明,在緩慢變形與快速變形交替的過渡階段，通過對激勵電信號施加適當的時間延遲，可抑制驅動器位移回退運動的產生，提升驅動器的有效步距，進而提升其速度和負載等輸出性能。壓電粘滑驅動器的典型激勵波形電信號如圖10所示。

圖10 壓電粘滑驅動器的典型激勵信號

2012年，捷克學者Neuman等[28]采用冪函數激勵電信號對壓電陶瓷剪切片進行激勵，提升了壓電粘滑驅動器的機械輸出性能。除了捷克學者提出的冪函數電信號之外，當前壓電粘滑驅動器采用的幾種典型激勵電信號波形如圖11所示。

圖11 當前壓電粘滑驅動器采用的激勵電信號

2.3 驅動器理論建模分析

由于壓電粘滑驅動器主要依靠滑動摩擦阻力與靜摩擦驅動力的相互轉換致使定、動子間處于“粘”與“滑”兩種運動狀態，建立了粘滑理論等效模型，研究了其摩擦調控機理。2011年，德國學者Edeler等基于彈塑性理論建立粘滑驅動原理不同運動階段等效運動狀態模型和機械系統等效動力學模型。實驗測試較好證明了該粘滑理論分析結果的正確性[29-30]。粘滑原理不同階段等效模型如圖12所示。

圖12 粘滑原理不同階段等效模型

機械系統的等效動力學模型如圖13所示。

圖13 機械系統等效動力學模型

2013年，德國學者Hunstig等建立了壓電粘滑驅動器定、動子間摩擦力的動力學仿真模型，并搭建了驅動器的實驗測試系統，通過數值模擬和實驗研究方式對壓電粘滑驅動器的摩擦特性進行了分析；隨后又對壓電粘滑驅動器緩慢與快速變形驅動階段的運動狀態進行研究，揭示了緩慢與快速變形驅動階段輸出特性的影響因素及其作用規律，指出在快速變形驅動階段產生的滑動摩擦阻力是導致驅動器產生位移回退運動的主要原因[31-35]。壓電粘滑驅動器定、動子間的受力分析如圖14所示。

圖14 定動子間受力分析示意圖

接觸面間的粘滑驅動等效力學模型如圖15所示。

圖15 粘滑驅動等效力學模型

2.4 驅動器控制方法研究

從驅動器控制方法研究角度來講，為保證壓電粘滑驅動器有著良好的運動性能，基于PID反饋控制的閉環系統得到廣泛應用；1998年，Breguet等[36]采用數字頻率比例控制器，將位移誤差轉換并反饋給時間信號，使頻率與誤差成比例，計數器輸出信號根據誤差增減，當到達期望位置時，頻率趨向于零。此外，在壓電粘滑驅動器控制系統中，通常會將前饋控制和反饋控制結合使用，以達到更好的控制精度[37-39]。

2008年，Rakotondrabe等[40]提出電壓/頻率(U/f)比例控制方法，通過電壓飽和函數和頻率飽和函數來避免產生過電壓以及使驅動系統在頻率的線性范圍內工作，選擇控制方式，電壓U和頻率f與誤差ε的比例系數；KU和Kf同經典比例控制相同，通過仿真和實驗得出控制器穩定性較高，特別是在頻率控制下系統穩定時誤差趨于零，精度很高。

2018年，中科院研究所Cheng等[41]提出一種可實現壓電粘滑驅動裝置精密控制的智能神經網絡控制方法。首先，通過建立神經網絡模型對驅動裝置末端執行器與被驅動物體間的相對運動進行捕獲，實現整個驅動過程的精密控制。然后，開發了一種基于神經網絡控制算法的逆向模型，在末端執行器預先標定的前提下，在線計算壓電執行器的理想位置。最后，采用一種基于動態線性化神經網絡的模型預測控制方法，有效地處理驅動器控制過程中存在的遲滯和非線性等特性，實現了壓電執行器的位移控制，最終獲取了一種高精度的控制器。研制了壓電粘滑驅動裝置的原型樣機，通過實驗驗證了提出新方法的可行性。

綜上所述，上述研究學者已經在壓電粘滑驅動器新構型設計、波形優化設計、理論建模分析及控制方法研究等方面取得了較好的研究成果，并且得出驅動器定、動子間的摩擦力是影響驅動器輸出性能的關鍵因素。

3 壓電粘滑驅動器的研究進展

壓電粘滑驅動器工作過程受力分析和典型位移輸出曲線如圖16所示。

圖16 壓電粘滑驅動器工作過程受力分析和典型位移輸出曲線

由圖16可以看出，在緩慢變形驅動階段，定、動子間的靜摩擦力為驅動力，此階段增大靜摩擦驅動力將會提出驅動器輸出性能；在快速變形驅動階段，定、動子間的滑動摩擦力為阻力，此階段減小動摩擦阻力將會改善驅動器輸出性能。

在壓電粘滑驅動過程中，增大緩慢變形階段的靜摩擦驅動力，同時減小快速變形驅動階段的滑動摩擦力是提升驅動器輸出性能的關鍵。基于此，具有摩擦調控功能的壓電粘滑驅動器研究成為當前研究熱點。針對壓電粘滑驅動器摩擦力調控困難的問題，研究學者主要從驅動器的新材料制備、驅動方法和新構型設計等方面對壓電粘滑驅動器進行研究。

3.1 定/動子接觸面新材料制備方面

2012年，加拿大學者Chen等[42]嘗試采用化學微加工方式對定子與動子接觸表面進行處理，研制出一種具有各向異性摩擦接觸表面的壓電粘滑驅動器。其研制的壓電粘滑驅動器樣機與輸出位移測試結果如圖17所示。

從位移曲線可以看出，由于驅動器定、動子接觸面間采用了具有各向異性材料特性的摩擦接觸表面，改變了驅動過程中定子與動子接觸面間的摩擦狀態，在單方向驅動時(論文表述為正向)顯著提升了驅動器的輸出性能，減小了位移回退。

3.2 壓電粘滑復合驅動方法

2016年，針對當前壓電粘滑驅動器普遍存在的位移回退運動問題，國內學者程廷海等提出了基于超聲減摩效應的壓電粘滑復合驅動方法[43-46]，復合驅動方法的工作原理和輸出位移特性測試結果如圖18所示。

圖17 文獻[42]研制的壓電粘滑驅動器樣機與輸出位移測試結果

圖18 壓電粘滑復合驅動方法工作原理與輸出位移測試結果

該新方法可通過復合驅動波形實現，具體包括鋸齒波和正弦波，通過將微幅高頻正弦波耦合施加到鋸齒波的快速變形驅動階段，激發定子在快速變形驅動階段處于微幅高頻振動狀態，基于超聲減摩效應降低了驅動器定子和動子間的滑動摩擦阻力，實現了驅動過程中摩擦力的綜合調控，顯著抑制了驅動器的位移回退，提升了驅動器的速度和負載特性。實驗結果表明，相比于傳統鋸齒驅動方法，提出的復合驅動新方法可將驅動器的位移回退降低至20%以下。

3.3 結構非對稱式壓電粘滑驅動器

2017年，國內學者程廷海等[47]針對已有壓電粘滑驅動器較難實現對緩慢與快速變形驅動階段摩擦力進行綜合調控，限制其輸出性能這一共性問題，提出一種結構非對稱式壓電粘滑驅動器。研制的壓電粘滑驅動器樣機與輸出位移測試結果如圖19所示。

通過將非對稱柔性鉸鏈機構引入定子結構設計，使得定子軸向剛度分布不均，激發定子驅動足產生側向位移實現驅動，并調整定子與動子間的軸向接觸正壓力，實現對緩慢與快速變形驅動階段摩擦力的綜合調控，提升壓電粘滑驅動器的整機輸出力與速度能力。實驗結果表明，結構非對稱式壓電粘滑驅動器的最佳工作頻率為500 Hz，最大輸出速度可達5.96 mm/s，開環條件下最小位移分辨率為50 nm，最大負載為3 N，樣機的最大效率為0.90%。

圖19 壓電粘滑驅動器樣機與輸出位移測試結果

4 結 語

介紹了壓電粘滑驅動器的工作原理，總結了當前壓電粘滑驅動器的國內外研究現狀，得出當前研究工作主要集中在驅動器的新構型設計、激勵波形優化設計、建模理論分析和控制方法研究等方面。針對當前壓電粘滑驅動器存在的摩擦力綜合調控困難等問題，從驅動器的新材料制備、驅動方法設計和新構型設計等方面論述了壓電粘滑驅動器的最新研究進展。