黏滑模式壓電慣性電機的研究進展

張建輝，高素成，安大偉，黃衛清

(廣州大學 機械與電氣工程學院， 廣州 510006)

隨著半導體工業、光學工程、航空航天、超精密加工、生物醫學等行業的迅猛發展，傳統電機受制于工作原理和結構形式，逐漸無法滿足當前的高精密工作要求，微納米精密驅動技術研究水平已成為制約當前高精尖行業發展的關鍵環節[1-6]。在需求的牽引下，以壓電陶瓷驅動器、磁致伸縮式驅動器、電致伸縮驅動器、形狀記憶合金驅動器等為代表的采用新型功能材料制作驅動元件的新式驅動器成為近年來取代傳統電磁制動的重點研發方向[7-10]。

在各式新型驅動器中，壓電陶瓷驅動器因精度高、響應快、效率高、可電磁兼容、穩定性高、結構緊湊、可與傳感器等實現閉環控制等明顯優勢[11]，在振動控制、精密光學調整、超聲加工、光纖對接、生物醫藥和納米加工等領域得到廣泛應用。其中基于逆壓電效應和慣性位移原理的壓電慣性電機更是憑借結構簡單、能在較大行程輸出的同時實現長距離微納米級精度、易實現多自由度驅動等特點，成為高精度定位裝置、醫療機械以及微型機器人等精密驅動領域的研發熱點[12-13]。

黏滑模式壓電慣性電機(stick-slip mode inertial piezoelectric motor)是興起于20世紀80年代的壓電電機研究分支，其理論和結構設計研究正處于不斷豐富和完善階段。本文中結合慣性壓電電機的最新研究進展，論述黏滑模式慣性壓電電機的基本原理和發展情況，并總結黏滑模式慣性壓電電機下一步研究的部分要點。

1 基本工作原理

黏滑模式壓電慣性電機利用逆壓電效應和慣性位移原理，通過摩擦力作用將慣性位移產生的運動傳遞出去[14]。逆壓電效應是指某些各向異性的晶體在外電場的作用下成比例地產生幾何形變，形變也會隨著外電場的撤除而消失的現象。圖1所示的逆壓電效應示意圖表明,在逆壓電效應中可通過控制施加的外電場實現工作所需的特定形變。

圖1 逆壓電效應示意圖

黏滑模式(stick-slip mode)壓電慣性電機的慣性位移不同于滑移模式(slip-slip mode)壓電慣性電機，黏滑模式慣性位移是基于最大靜摩擦力和滑動摩擦力的差異控制滑塊的“粘”與“滑”不同狀態來實現運動。而滑移模式采用不利用靜摩擦力的方法，運動過程中沒有“粘”狀態，故滑移模式也稱作“滑-滑”模式。黏滑模式慣性位移原理如圖2所示。

圖2 黏滑模式慣性位移原理示意圖

當激勵信號在從①到②階段時，壓電元件受到緩慢上升的電信號激勵開始緩慢伸長，此時慣性質量塊緩慢向右運動的同時產生向左的慣性沖擊力，由于產生的慣性沖擊力小于主質量塊與摩擦界面產生的靜摩擦力，物體保持原地不動，稱為“粘”的過程。當電信號在從②到③階段時，壓電元件受到快速下降的電信號激勵迅速縮短，壓電元件迅速收縮拉回慣性質量塊產生的慣性沖擊力大于滑塊與摩擦界面產生的摩擦力，此時主質量塊開始滑動產生位移,稱為“滑”的過程。重復以上運動周期即可實現物體的慣性黏滑運動。

2 信號控制式壓電慣性電機

信號控制式壓電慣性電機是較早提出的黏滑模式壓電慣性電機種類，目前主要采用鋸齒波信號等非對稱波形信號驅動對稱機械結構，形成往復方向大小不等的慣性沖擊力在與雙向對等的摩擦力綜合作用下產生慣性位移[15]。采用信號控制的黏滑模式壓電慣性電機從驅動信號入手，通過合適的驅動信號使壓電慣性電機產生往復運動的不等慣性力，而靜摩擦力大小介于兩慣性力之間，完美實現黏滑過程，帶動電機運動。信號控制式壓電慣性電機原理簡單、設計方便，但對驅動信號要求較高，需要滿足一定的工作條件(見圖3)。

圖3 信號控制式壓電慣性電機工作原理示意圖

Pohl等[16]于1987年設計了采用慣性位移原理的用于納米精密操作的壓電定位平臺，較早實現了逆壓電效應與慣性位移的結合應用。Higuchi等[17]基于黏滑模式慣性位移，采用壓電材料制作了一種慣性沖擊壓電電機，開啟了黏滑模式壓電慣性電機的設計階段。Choi等[18]采用壓電疊堆作為驅動元件的黏滑模式壓電慣性電機，該方案適用于懸掛系統，可在特定條件下輸出較大的力。Mazeika等[19]提出一款采用蝶形結構的新型直線慣性壓電電機，發現了在特定的非對稱激勵信號類型和特定激發頻率的條件下電機運轉情況能得到優化的現象。Andrius 等[20]提出的旋轉慣性壓電電機方案是通過兩相位差為π的鋸齒信號激發第二種面內彎曲模式進行驅動，該設計方案結構扁平，適用于部分對空間和安裝體積都有要求的工作情景。

國內對信號控制式壓電慣性電機的研究相較于國外起步較晚，但近年來隨著越來越多的研究團隊加入也取得了不少成果。張宏壯等[21]提出一種端部帶有較大質量塊的懸臂式慣性沖擊壓電電機，可以實現平動和轉動的2自由度運動。Cheng等[22]提出一種新型的雙模式慣性壓電電機設計方案，該方案由一定相位差的激勵信號驅動兩平行放置的壓電元件實現平動和旋轉的雙模式輸出。Pan等[23]從驅動信號出發提出一種激勵信號由兩路頻率比為1：2的正弦信號疊加而成的慣性壓電電機，可通過調整疊加信號的相位改變機構的運動方向。He等[24]提出了一種單相諧波驅動慣性壓電驅動器，配合自動夾緊機構能夠有效減少滑動摩擦，簡化慣性電動機的驅動機構和電源控制。Zhang等[25]提出使用功率函數形狀驅動信號激勵以消除步進損耗的構想，實驗結果驗證了設想的可行性。Yu等[26]提出通過方向引導混合波激勵解決傳統黏滑模式低速問題，在不改變結構的前提下，通過方向引導混合波激勵驅動的機構即使在輸入電壓不足原來1/10的情況下也可以達到原有1.5倍速度的效果。賀提喜等[27]立足我國自主大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡(LAMOST)觀測光纖掃描定位的需求，設計了一種運行平穩、分辨率精確的慣性電機。

3 摩擦控制式壓電慣性電機

摩擦控制式壓電慣性電機是針對信號控制式壓電慣性電機電路轉換較為復雜的情況做出的改進，對稱信號的驅動電路和非對稱信號驅動電路相比相對簡單。摩擦控制式壓電慣性電機不同于信號控制式壓電慣性電機，其采用對稱信號激勵對稱機械結構中的壓電元件產生往復方向、大小相等的驅動力，通過改變往復運動方向上影響摩擦力的因素(如摩擦因數、正壓力等)形成雙向不等摩擦力，在對稱慣性驅動力和非對稱摩擦力綜合作用下實現慣性位移[28]。

摩擦控制式壓電慣性電機從摩擦力公式f=μ*N出發，摩擦控制式壓電慣性電機以摩擦力公式f=μ*N為基礎，通過特殊的工藝改變往復運動的摩擦因數，在往復方向形成不等的摩擦力，使電機的驅動力值介于兩摩擦力值之間，實現黏滑運動。改變摩擦力可以分別從摩擦因數和正壓力入手，其中摩擦因數μ主要由以下兩部分組成，即μ=μ1+μ2(μ1為摩擦因數中機械作用分量，μ2為摩擦因數中的分子作用分量)。可以看出，摩擦控制式壓電慣性電機可通過不同加工工藝或特殊機械結構使得往復運動方向的摩擦因數μ不同。變摩擦因數摩擦控制式壓電慣性電機工作原理見圖4。

圖4 變摩擦因數摩擦控制式壓電慣性電機工作原理示意圖

另一方面，可從正壓力入手[29]。正壓力與摩擦力成正相關，當壓電元件伸長、縮短的方向垂直于與主體的接觸平面時，壓電元件在對稱電信號激勵下伸長、縮短會改變正壓力的大小，進而改變往復運動時的摩擦力。變正壓力摩擦控制式壓電慣性電機工作原理見圖5。

圖5 變正壓力摩擦控制式壓電慣性電機工作原理示意圖

Furutani等[30]提出一種適用于液體環境的慣性壓電電機，將主質量塊換成可周期通/斷電的電磁鐵，通過控制通/斷電情況改變正壓力來控制摩擦力。同理， Peng等[31]設計了基于雙摩擦傳動原理的壓電關系電機，通過壓電陶瓷使電磁鐵和永磁鐵連接，能夠有效實現雙目標定位精度。 Navid 等[32]提出一種2自由度壓電微位移機器人，其運動通過同時激發產生黏滑運動的垂直和水平振蕩器來實現。Li等[33]設計了一種壓電慣性電機，在與水平面呈一定角度的主體上布置壓電元件，通過改變正壓力的方法調節主體和支持面之間的摩擦力，最終在對稱信號激勵下實現定向運動。Deng等[34]提出一種使用彎曲-彎曲混合模式的慣性壓電驅動器，驅動器壓電元件可在水平和垂直方向上獨立彎曲，水平彎曲用于推動滑塊的移動，垂直彎曲用于快速改變法向力以調節移動過程中的摩擦力。Zhang等[35]設計了一種工作在非對稱接觸面的壓電慣性壓電電機，接觸面采用化學蒸汽沉積和離子雕刻的方法形成不對稱的納米尖端，使驅動器不同位移方向上的摩擦因數不同，從制造工藝出發改變摩擦因數。李曉韜等[36]利用楔形摩擦足不同運動方向的摩擦因數不一的原理設計了一款新型變摩擦式慣性壓電電機。Wen等[37]提出采用電磁鐵控制磁流變液(MRF)進行摩擦控制的設計方案，可避免由于固體間摩擦接觸導致磨損從而引起輸出性能下降的現象。

4 結構控制式壓電慣性電機

針對信號控制式、摩擦控制式壓電慣性電機控制要求高、摩擦影響大的問題，有學者提出在對稱信號和非對稱結構作用下產生往復方向不等的驅動力，再與對稱摩擦力綜合作用形成慣性位移的結構控制式壓電慣性電機。非對稱機械結構慣性電機的非對稱結構可以是非對稱夾持[38]、非對稱材料[39]亦可是非對稱壓電元件。

結構控制式壓電慣性電機直接從結構設計入手，避免了較為復雜的電路控制和摩擦控制工作。選擇非對稱結構形式達成不對等的慣性驅動力，減輕壓電慣性電機的設計負擔，由非對稱結構的電機產生不相等的慣性驅動力，該力與摩擦力的綜合作用可實現黏滑運動。結構控制式壓電慣性電機受迫振動的工況公式為m*d2x/dt2=F(t)-Kx-c*dx/dt，可知壓電元件在受到電信號激勵時，電機工作情況受等效輸入簡諧力、彈性恢復力和阻尼力影響[40]。非對稱壓電元件影響等效輸入簡諧力F(t)，阻尼c和夾持材料有關，則采用不同的夾持材料時可有不等阻尼力c*dx/dt，剛度K和夾持結構有關，彈性恢復力為Kx，當用非對稱夾持時彈性恢復力Kx不等。以上非對稱結構方法可單一控制，也可共同作用。

圖6 結構控制式壓電慣性電機工作原理示意圖

Shen等[41]提出使用不對稱材料夾緊塊的壓電慣性電機，不同夾持材料具有的不等彈性模量會使往復方向阻尼力不等，從而產生不等的慣性沖擊力。實驗結果表明，采用特定夾緊材料組合的壓電慣性電機可具有更穩定的工作性能。Chen等[42]設計了一種具有偏置單元的非對稱夾持慣性壓電電機，不僅證明非對稱夾持可實現壓電電機黏滑模式慣性運動，還證明具有偏置單元的慣性壓電電機相較于沒有偏置單元的慣性壓電電機的工作性能有明顯提升。李曉韜等[43]設計了一款應用慣性沖擊原理的非對稱夾持式壓電旋轉驅動器，通過非對稱夾持器的夾持差實現較穩定的單向轉動。曾平等[44]結合已有非對稱夾持壓電慣性電機，通過采用對稱波形、不同頻率的電源激勵信號來達到簡單實現雙向驅動的目的，并證明可通過特定頻率的對稱信號驅動非對稱結構以有效實現雙向驅動。為解決慣性黏滑模式運動過程中的回撤現象，Ding等[45]提出了2個不對稱夾持雙壓電晶片同相工作的慣性壓電旋轉驅動器設計方案。Zhang等[46]提出使用單個壓電雙晶片振動器夾住非對稱固定梁結構的設計思路，能在保持簡單結構的同時保證較高的穩定性。為確保分辨率高、穩定性高且線性行程大，Hu等[47]提出了一種使用小型化壓電雙晶片壓電振子的低頻結構控制式壓電慣性驅動器，通過特定制備工藝在實現小型化的同時提高了系統的輸出性能。

5 結論與展望

近年來，黏滑模式壓電慣性電機理論研究更加成熟，并逐漸走向實際應用。已有的黏滑模式壓電慣性電機研究解決了不少設計和應用方面的難題，但回顧黏滑模式壓電慣性電機技術的設計發展歷程，仍有一些問題需要探討和研究。信號控制式壓電慣性電機原理最為簡單，故而設計方便、易于實現，是設計和應用中最為廣泛的選擇，但其復雜的信號控制系統限制了信號控制式壓電慣性電機的微型化和集成化。摩擦控制式壓電慣性電機在驅動能力、承載能力以及運動準確性等方面性能優越，適合對這些工作性能有較高要求的實際應用場景。然而，對摩擦接觸面情況和驅動器運動參數的較高要求會增加設計和制造難度。結構控制式壓電慣性電機不僅簡化了復雜的電路控制系統，而且降低了高精度摩擦控制要求，使結構控制式壓電慣性電機設計和應用限制降低。但由于結構控制式壓電慣性電機的非對稱結構，其雙向運動實現困難，無法滿足對雙向運動有要求的特定應用場景，因此，對于不同類型黏滑模式慣性壓電電機的未來發展可從以下角度考慮：

1) 黏滑模式壓電慣性電機(尤其是信號控制黏滑模式壓電慣性電機)的工作性能與激勵信號的波形和占空比等聯系緊密，故嘗試從激勵信號出發提高黏滑模式壓電慣性電機的工作性能有助于進一步擴大應用范圍。閉環控制可有效提高電機精度，但對于一些因場景受限無法施加反饋調節、仍需保證工作精度和工作性能的情況，直接從控制信號入手改善因壓電元件遲滯、蠕變等特性帶來的不利影響是可行的。

2) 對于黏滑模式慣性壓電電機，摩擦情況對于電機性能至關重要。從摩擦力控制角度可以探究預緊力、摩擦接觸狀態、摩擦材料、加工工藝等因素的影響效果，進而從摩擦方面優化黏滑模式慣性壓電電機性能。

3) 對于結構控制式壓電慣性電機，需要進一步發展和完善非對稱結構設計理論，提高結構控制式壓電慣性電機的性能。

4) 微納米驅動領域的發展不但對提高慣性壓電電機的精度提出要求，也要求其體積微型化。因此，驅動電源的集成一體化對黏滑模式壓電慣性電機的精度提升和結構微型化具有意義。