[发明专利]一种抗温变数字压电执行器及其驱动方法

说明书

本发明公开一种抗温变数字压电执行器及其驱动方法，属于智能材料执行器技术领域。压电执行器包括调整螺钉、套筒、复合压电叠堆、输出杆、碟簧、防扭盖和预紧端盖。复合压电叠堆由n层复合压电轴向叠加构成，每层由目标温域内不同介电特性的压电材料复合组成，从而保证宽温域内介电稳定特性。输出杆实现执行器输出位移的感知与闭环控制。所属执行器总计释放出15个控制端口，按等值编码的数字编码方式，由数字信号驱动实现分布式数字控制。本发明适用于超精密加工、微纳操作、航空航天电液伺服控制与精密作动等在宽温域温变的工作环境下，对电机转换器的可靠性、抗干扰能力、输出位移与控制精度有较高需求的领域。

技术领域

本发明涉及一种抗温变数字压电执行器及其驱动方法，属于智能材料执行器技术领域。

背景技术

电机转换器是一种实现电能与机械能相互转换的器件。压电材料作为一种通过自身的压电效应实现电—机转换的智能材料，凭借频响高、体积小、输出力大等优点，广泛应用于航空航天精密作动、微纳操作定位、微纳装配、超声波发生器、振动主动控制等领域。例如，面向超精密加工领域，在快速伺服刀具系统中，采用叠堆式压电执行器驱动系统中的柔性铰链机构，从而实现微进给；面向微纳操作领域，使用叠堆式压电执行器驱动柔性铰链机构式钳体以及采用悬臂梁式压电执行器作为钳指，构成微夹钳，从而实现MEMS中对微零件和微部件的拾取、搬运和装配；面向生物医学工程领域，压电执行器驱动的微定位平台作为细胞的承载机构，便于实现对细胞的捕捉、释放等微操作；面向航空航天精密作动领域，压电执行器往往用于驱动机电液系统中的液压阀，从而实现液压元件的高频响应。在这些应用中，由压电材料构成的电机转换器，即压电执行器，其性能的优劣直接影响到系统性能和可靠性。

目前，在宽温域的工作环境(-60-150℃)和高频这两项工作条件下，压电执行器的性能往往会因为温度的变化而产生改变，影响执行器的驱动能力，同时，传统电磁式执行器的频宽往往小于400Hz，无法满足高频需求。与之相比，智能材料执行器具有频宽高(＞1000Hz)的优势。其中，磁致伸缩材料凭借着较高的居里温度(380℃)，一定程度上可以满足宽温域要求。但磁致伸缩执行器包含电-磁-机两级转换，驱动该种执行器所需的恒流电源、激励线圈与永磁体等装置使得磁致伸缩执行器结构复杂、能量转换效率低。相比于磁致伸缩材料，压电材料通过电-机直接转换，具有结构简单、能量利用率高等优点，结构也更为紧凑，更符合一些工作空间狭小、驱动精度高、能量利用率高的应用领域。但压电材料受制于其自身较低的居里温度(大多低于100℃)，无法满足高温环境的工作需求。随着高温压电材料配方和烧结工艺的发展和进步，近年来已研制出居里温度达510℃的高温压电陶瓷材料，基于压电陶瓷的高频执行器将得到更加广泛的应用前景。但是，在宽温域范围内，随着环境温度的变化，压电材料各项性能的稳定性难以保证。为了更好地应用于内环境温度剧烈变化的工况，压电材料执行器在宽温域下输出性能的一致性与稳定性是亟需解决的问题。

面对宽温域下的温变造成的压电执行器输出性能变化、无法实现一致性和稳定性的问题，需要考虑如何从压电执行器的结构、驱动方式及控制方式的角度，去实现压电执行器的稳定一致输出。

就执行器结构而言，目前压电执行器往往采用将等厚度的压电片轴向叠加，构成叠堆形式的压电执行器，从而实现大位移输出。但这种结构无法解决压电材料本身性能受温变的影响。

就驱动方式而言，针对叠堆型压电执行器，采用电气上并联的结构，即对每块压电材料同时施加激励电压，同时驱动。同时驱动的优点是驱动系统结构简单，仅需一套信号发生装置、功率放大装置。缺点是可靠性差，工作时若叠堆中某一层压电材料的输出性能受温变影响，整个压电叠堆的输出性能就会受到影响。

就驱动信号而言，现有叠堆型压电材料均使用模拟信号。模拟驱动信号的优点是驱动精度高，闭环位置控制易于实现。缺点是存在严重的迟滞非线性，抗干扰能力差，为克服工作环境的电磁干扰，需设计复杂的控制策略。