封閉式柱形微型慣性沖擊壓電馬達

姜凌云,丁鉤蘇,孫明宇

(1.南京師范大學 電氣與自動化工程學院,江蘇 南京 210023;2.蘇州大學 文正學院,江蘇 蘇州 215104)

0 引言

壓電馬達是利用壓電材料的特性來實現機械運動的一種新型馬達。常用的壓電元件有壓電陶瓷片和壓電疊堆。壓電陶瓷片是一種可以將電能轉化為機械能的新型復合材料。壓電疊堆是將多層壓電陶瓷片累疊、高溫燒結聚合在一起的壓電致動元件,在電信號激勵下可做伸縮運動,由于其可以提供較大力或力矩,且效率較高[1-3],因此,壓電疊堆制造出的壓電馬達具有較高的工作效率,較大的推重比及可靠穩定的工作性能,適用于各種精密儀器[4]、控制系統[5-6]、顯微系統[7]及振動控制[8-9]等工作場所。

慣性沖擊壓電馬達是壓電馬達中的一大分支,其工作原理是借助不對稱信號或機械結構帶來的不對稱慣性沖擊實現連續運動。其驅動原理簡單性,故慣性沖擊壓電馬達在結構上簡化壓縮,操作較簡單,位移步進較準確可靠。目前慣性沖擊馬達正朝著微型化[10]的方向發展,而慣性沖擊馬達普遍存在體積較大,摩擦磨損大,效能轉換較低等問題,需對馬達的結構與工作原理進行進一步研究優化。

1 結構和原理

1.1 馬達整體結構

本次研究提出了一種新穎的微型化慣性沖擊壓電馬達,其結構緊湊,尺寸小,驅動原理簡單有效。圖1為馬達整體結構的3D模型示意圖。

圖1 壓電馬達3D模型

馬達裝配方面,基板、壓電疊堆與鉛塊依次用環氧樹脂膠粘接,基板同樣粘接于封套一端,形成一個聯合體,作為馬達的動子。壓電疊堆作為激勵元件,驅動動子運動。預緊螺栓、預緊彈簧和夾持塊形成預緊結構,以調節夾持塊與封套之間的預緊力,同時它們也作為馬達的定子部分。

為了避免動子產生不必要的徑向轉動,還需對軸套的徑向轉動自由度進行限制。軸套兩端銑削出兩個軸向平面,夾持塊中心孔的相應位置也有相同的端面。至此,馬達只能做軸向線性反復運動。由于馬達動子整體外形統一且規則,馬達可以完整利用其長度作為工作行程。

表1為馬達樣機各加工零件的尺寸和材料明細。

表1 壓電馬達主要部件結構參數

1.2 馬達工作原理

圖2為馬達的工作原理圖。馬達主要通過利用鉛塊的較大慣性量使壓電疊堆振動時封套在軸向做微小的步進位移。

圖2 壓電馬達的工作過程

如圖2(a)所示,壓電馬達每個周期的工作步態可分為兩步:

1) 在初始狀態下,馬達給壓電疊堆施加鋸齒波信號。壓電疊堆在鋸齒波信號緩慢遞增信號幅值的激勵下,以較低速度伸長,推動鉛塊向右運動。第①結束后,馬達由初始狀態變為激勵狀態。

2) 由于鋸齒波信號每個周期的后階段幅值陡降,所以壓電疊堆的收縮回程速度相比于伸出速度提升較大。由于馬達動子的質量分布不均勻,鉛塊質量遠大于封套和基板,壓電疊堆收縮給鉛塊帶來的加速度和位移遠小于帶給基板和封套的。在鉛塊巨大的慣性力和壓電疊堆的收縮力下,封套克服夾持塊與封套之間的摩擦力向右進行一個微位移。第②結束后,馬達動子已整體向右進行了一個微小步進Δx。馬達由激勵狀態變為終止狀態,也是下一個運動周期的初始狀態。

在鋸齒波信號的持續激勵下,馬達重復每個運動周期的步驟,宏觀上即實現向右連續運動。動子和鉛塊的位移圖如圖2(b)所示。同理,令驅動信號反向,即可實現馬達向左連續運動。

壓電疊堆緩慢伸長時,動子可能會有一定的慣性回退,但因慣性力的差異,回退控制在可接受的范圍。通過調節馬達的初始預緊力對回退產生一定的限制。

2 實驗測試與分析

2.1 實驗平臺搭建

實驗所用器材有數字示波器(Rigol DS 5022M)、信號發生器(Rigol DG 1022)、功率放大器(Apex PA94)、激光位移傳感器(OPTO NCDT 2300)及裝有配套數據采集軟件的計算機一臺。試驗臺布置如圖3所示。

圖3 壓電馬達實驗裝置圖

使用臺式虎鉗將馬達樣機固定在實驗平臺上。由信號發生器輸出調制的鋸齒波電信號,經過功率放大器放大后,給馬達樣機中的壓電疊堆施加激勵,并由示波器實時監測信號。利用激光位移傳感器監測馬達動子位移狀況,監測對象為馬達封套,相關數據將保存在計算機中。

2.2 無負載特性

首先測試馬達無負載運行,功率放大器輸出的鋸齒波電信號的頻率為500 Hz,幅值峰-峰值為50 V,對馬達樣機的輸出速度與施加其上的初始預緊力之間的關系進行了實驗測定,速度-預緊力特性曲線如圖4所示。以螺栓擰緊圈數計算馬達預緊力,選定預緊力測試范圍為0～0.5 N。由圖4可知,馬達輸出速度隨著施加的初始預緊力的增大先加快后減慢,在預緊力設定為0.25 N時達到頂峰,最大空載速度為6.19 mm/s。之后的馬達輸出性能測試實驗中,均選用該最佳預緊力。

圖4 預緊力與馬達速度關系圖

設定馬達驅動信號電壓峰-峰值為50 V,在最佳預緊力條件下,對馬達樣機運動速度與驅動信號頻率之間的關系進行了實驗測試,得到速度-頻率特性曲線,如圖5所示。實驗選定測試工作頻率為100～500 Hz,為了減少試驗次數并獲得較為精確的結果,選定頻率步進為50 Hz。

圖5 工作頻率與馬達速度關系圖

根據實驗結果可知,在馬達樣機預緊力和驅動信號幅值一定時,隨著驅動信號頻率的升高,在測試區間內馬達的運動速度呈現為接近線性正相關。在驅動信號頻率為500 Hz時,馬達達到最大輸出速度6.16 mm/s,與預緊力測試時的結果相符,存在合理實驗誤差。

對馬達樣機的輸出速度與驅動信號幅值間的關系進行了測試,圖6為馬達的速度-電壓特性曲線。設定馬達在最佳預緊力,固定壓電疊堆施加的驅動信號頻率為500 Hz。由圖6可看出,此時馬達樣機的運動速度隨著驅動信號的電壓增大穩定上升。這是由于隨著激勵信號電壓的升高,壓電疊堆受形變幅度變大,從而使鉛塊的前伸行程變大,收縮步距變大,可提升宏觀速度。

圖6 驅動電壓與馬達速度關系圖

2.3 馬達負載特性

測試了馬達的負載特性,選定測試頻率為500 Hz,驅動電壓峰-峰值為50 V,考慮到在非空載運行下最佳預緊力可能會變化,分別對不同預緊力進行負載特性測試,結果如圖7所示。分別對預緊力為0、0.25 N、0.5 N時進行測試。

圖7 樣機在不同預緊力下的負載特性

由圖7可知,當不施加預緊力時,馬達樣機的負載能力較弱,負載增大時速度降速較快,最大負載最小;當施加0.25 N的預緊力時,馬達樣機的負載特性和最大負載力均增強;當施加0.5 N的預緊力時,隨著負載逐步增大,馬達樣機的速度曲線下降較平緩,且最大負載力相較于更低的預緊力實驗結果明顯提升。整體來看,在合適的預緊力區間內,施加較大的初始預緊力有益于該馬達樣機的負載性能。

2.4 馬達步距特性

對馬達樣機的輸出位移步距特性進行了測試。對預緊機構施加的初始預緊力為0.25 N,輸入電信號頻率為500 Hz,電壓峰-峰值為50 V,經過測試,得到了位移響應曲線如圖8所示。由圖可知,馬達在0.04 s內前進了20步,位移為0.247 mm,每步步距為12 μm。

圖8 位移響應曲線圖

3 結束語

本文設計并加工研究了一種封閉式柱形微型慣性沖擊壓電馬達。對馬達工作原理進行了逐步論證分析,按照設計內容加工樣機,并為測試馬達樣機的自身特性和輸出性能搭建了實驗測試平臺。

通過實驗測試得知,在預緊力為0.25 N,驅動電壓峰-峰值為50 V,驅動頻率為500 Hz時,馬達達到最大空載輸出速度(為6.19 mm/s),位移分辨率為12 μm;驅動電壓峰-峰值為50 V,驅動頻率為500 Hz,初始預緊力為0.5 N時,馬達樣機的負載特性最優,并達到最大負載20g。

本研究提出的封閉式柱形微型慣性沖擊壓電馬達結構簡單,尺寸微型化,形狀適合大部分線性馬達工作場景,驅動電壓低,驅動信號控制系統簡單。設計的馬達運行可靠性極高,輸出速度大,位移分辨率高,且可完整利用馬達全尺寸長度作為工作行程,實用性極強。并在能保持一定輸出速度的前提下提供較大的負載能力。對馬達外部結構做少許優化即可投入實際使用,適用于各種小、微工作場景。