[发明专利]惯性压电马达的低电压控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电步进器的控制方法，特别涉及一种惯性压电步进器的低电压控制方法，属于压电定位器技术领域。

背景技术

压电马达的种类很多，但原理上都是依靠压电体对动子产生重复累加的压电移动来推动动子相对于定子步进的。压电马达因同时具有毫米以上的宏观大行程和纳米甚至埃米级超高精度而广泛应用于相机光路调节、显微镜镜头纳米精度调焦、原子分辨率的扫描探针显微镜，以及现代光学、微电子制造、航空航天、超精密机械制造、微机器人、地震测量，生物、医学、遗传工程(参见吉林大学压电驱动与控制技术研究中心刘建芳，杨志刚，程光明和华顺明2004年发表于《中国电机工程学报》第24卷第004期第102页的题为“压电驱动精密直线步进电机研究”的论文)，是非常重要的纳米科技与国家战略重点领域工具。

惯性压电马达(简称惯性马达)是一类重要的、应用广泛的、已获得巨大商业成功的压电马达。其工作原理为：动子(质量块)通过摩擦力设置于压电体上，压电体利用压电形变先沿一个方向推动动子产生位移，再快速调头，利用快速调头时的巨大加速度产生作用于动子的巨大惯性力，该惯性力克服摩擦力使动子步进(滑动)。常用的压电马达控制信号波形包括两大类，参见附图1：(1)锯齿波(参见D.W.Pohl于1987年发表于Rev.Sci.Instrum.第58卷第54页的论文)，(2)正反双曲线波形(参见Ch.Renner等于1990年发表于Rev.Sci.Instrum.第61卷第965页)。至今，人们对这两类波形工作的细致原理仍不十分了解，不仅对二者孰优孰劣都存在重大争议(参见Ch.Renner等于1990年发表于Rev.Sci.Instrum.第61卷第965页，W.R.Silviera等于2003年发表于Rev.Sci.Instrum.上第74卷第267页)，甚至在相似结构的惯性马达上得出完全相反的结论(参见Ch.Renner等于1990年发表于Rev.Sci.Instrum.第61卷第965页，W.R.Silviera等于2003年发表于Rev.Sci.Instrum.上第74卷第267页)，就更不用谈如何改进了。而实际上，我们不仅需要彻底理解惯性马达的原理细节，更要找出最有效的控制波形，从而能以普通的低电压运算放大器(工业标准供电电压为±18V)就可控制其行走而不需要所谓的高压运算放大器。这不仅能大大降低成本，而且低压运算放大器在噪音、控制精度、温漂等各个重要参数上都优于高压运算放大器，使惯性马达的控制精度大大提高，满足原子、甚至亚原子分辨率的要求。而现状是：现有的惯性马达多是高压控制。

在本发明中，我们根据大量的实验比较，得到了一个令人吃惊的结果：“快速调头”不是最有利于惯性行走的！调头前一定程度的延迟可大大提高行走速度和降低启动电压，参见附图2。此外，调头之后如果立即开始下一步行走过程也不利于惯性行走，中间延迟一段时间可大大改善行走速度和降低启动电压，参见附图2。这些奇怪的现象我们可用压电效应的蠕变(creeping)特性解释，并给出了改进的惯性马达控制波形。

发明内容

本发明的目的：为了解决现有惯性压电马达需用高电压控制以及由此带来的不利影响，提供一种惯性压电马达的低电压控制方法。

本发明实现上述目的的技术方案是：

本发明惯性压电马达的低电压控制方法的特点是以如下顺序的三阶段时域控制信号驱动惯性压电马达的压电体，完成一次步进：

第一阶段控制信号的平均斜率为K1且K1大于0；

第二阶段控制信号的平均斜率为K2且K2大于0且K2小于K1且该阶段的持续时间在1微秒至400微秒之间；

第三阶段控制信号的平均斜率为K3且K3为负值，其绝对值|K3|大于能使惯性压电马达产生惯性滑动的启动值|Kmin|。

所述的第一和第二阶段控制信号拼成一段厂字形波形。

所述的第一和第二阶段控制信号拼成一段正弦波形。

本发明惯性压电马达的低电压控制方法的特点还可以是以如下顺序的三阶段时域控制信号驱动惯性压电马达的压电体，完成一次步进：

第一阶段控制信号的平均斜率为K1且K1小于0；

第二阶段控制信号的平均斜率为K2且K2小于0且K2大于K1且该阶段的持续时间在1微秒至400微秒之间；

第三阶段控制信号的平均斜率为K3且K3为正值，其值K3大于能使惯性压电马达产生惯性滑动的启动值|Kmin|。

所述的第一和第二阶段控制信号拼成一段倒厂字形波形。