[发明专利]口字形排列四压电体自由端驱动的旋转压电马达及控制法

说明书

本发明提供了一种口字形排列四压电体自由端驱动的旋转压电马达，包括四个相同的条形压电体、四个条形片、底座以及转子，其特征是：所述四个条形压电体各以一端作为固定端固定在底座上，组成口字形，各条形压电体余下的一端为自由端；四个条形片分别固定在所述四个条形压电体的自由端；在垂直于四个条形压电体形变方向上设置将条形片与转子相压的正压力。对于该马达，本发明同时提出了惯性驱动和非惯性驱动两种控制方法。该结构具有对称性高、步长大、低速大扭矩、定位精度高、无电磁干扰、工作温区大等优点。

技术领域

本发明涉及一种压电旋转步进器，特别涉及一种结构高度对称的步长增加型旋转压电马达，属于压电定位器技术领域。

背景技术

压电马达是利用压电陶瓷材料的电致伸缩效应实现驱动的一类压电定位装置，按驱动方式可以分为直线型、旋转型、混合型等多种类型。同传统的电磁马达和静电马达比较，压电马达具有无电磁干扰、静音操作、断电自锁、响应速度快、结构简单等特点，已经在精密仪器、航天航空、微型机械系统、精密定位等领域得到了实际应用。但是，压电马达要实现广泛应用，逐步取代传统马达，需要在保证高精度、高刚性的同时缩小马达结构并努力提升自身推力。如何同时实现这些指标是现阶段压电马达的改进方向。

我们于2017年提出了一种摩擦力自配合的高对称性四摩擦力旋转压电马达(专利申请号：201710645470.7)，依靠高对称的结构和反向摩擦减小驱动阻力的原理，可以在保证高精度、高刚性的前提下，提供极大推力。该发明的具体结构方案是：八个压电体分成四组，每组的两个压电体按形变方向串联的方式连接成一字型，组成四个双压电体串，四个双压电体串通过支架固定组成一个方形，四个垫片固定在四个双压电体串的中心位置，在垂直于四个双压电体串形变方向上设置将转子与垫片相压的正压力。该发明专利中提出了四种控制方法，主要方法是：首先，第一与第三双压电体串沿x轴同向推挽，中心转子受到反向的大致抵消的滑动摩擦力，同时第二与第四双压电体串进行沿y轴反向的单向推挽，中心转子同时受到两个同向的动力和一个极小的滑动阻力而转动一个角度；随后，第一与第三双压电体串停止形变，其四个压电体都处于未伸长也未缩短的初始态；最后，第二与第四双压电体串依次进行单向推挽形变，直至其四个压电体回到不伸长也不收缩的初始态，或发生反向推挽形变，由于每次只有一个双压电体串进行推挽形变，且三点摩擦力大于一点，中心转子不会发生转动。至此，整个马达完成一步循环。

该发明提高马达推力的方法主要是利用了高度对称的推挽结构来抵消反向摩擦力，从未减小驱动阻力，提升握持力。但是，对于等量的压电材料，采用推挽结构得到的形变量将降低到采用线性结构时的一半，而压电形变量是压电马达输出的重要动力。因此，该结构下压电材料的形变量无法被最大程度利用，每一步的旋转步长有限。

发明内容

本发明的目的是针对上述发明的不足和旋转压电马达的技术要求，提供一种口字形排列四压电体自由端驱动的旋转压电马达。

本发明实现上述目的的结构方案是(结构一)：

本发明口字形排列四压电体自由端驱动的旋转压电马达，包括四个相同的条形压电体、四个条形片、底座以及转子，其特征是：所述四个条形压电体各以一端作为固定端固定在底座上，组成口字形，各条形压电体余下的一端为自由端；四个条形片分别固定在所述四个条形压电体的自由端；在垂直于四个条形压电体形变方向上设置将条形片与转子相压的正压力。

本发明口字形排列四压电体自由端驱动的旋转压电马达，所述条形片通过条形片弹性和/或底座弹性和/或转子弹性和/或压电体弹性和/或增设于条形压电体与条形片之间的弹性体的弹性，与转子弹性相压。并且，此马达结构优先选择设置在条形片与转子之间的四个正压力对转子的最大静摩檫力大小相等，这种对称结构更有利于马达的驱动控制。

本发明针对上述口字形排列四压电体自由端驱动的旋转压电马达(结构一)的控制方案是，按如下时序分别控制所述四个条形压电体，完成一步旋转(非惯性驱动控制)：