[发明专利]一种基于差动运动原理的压电驱动器及其控制方法

权利要求书

1.一种基于差动运动原理的压电驱动器的控制方法，其特征在于，所述压电驱动器包括基座(1)、差动单元、动子单元及初始间隙调整单元；所述动子单元和初始间隙调整单元分别固定在基座(1)上，所述差动单元竖直固定在初始间隙调整单元上；所述差动单元包括差动柔性铰链(4)、左压电叠堆(5)、右压电叠堆(8)及两个预紧螺钉(9)，所述差动柔性铰链(4)整体为对称结构，包括固定架(401)、固定孔(402)、压电叠堆安装槽(403)、预紧螺钉安装孔(404)、Z形柔性铰链组(405)及驱动脚(406)；所述压电叠堆安装槽(403)嵌入在固定架(401)中，压电叠堆安装槽(403)前端与Z形柔性铰链组(405)相连，压电叠堆安装槽(403)后端与固定架(401)相连；所述Z形柔性铰链组(405)将驱动脚(406)分别与两侧的压电叠堆安装槽(403)相连；所述左压电叠堆(5)和右压电叠堆(8)分别通过预紧螺钉(9)安装在压电叠堆安装槽(403)内，预紧螺钉(9)通过固定架(401)上的预紧螺钉安装孔(404)作用在压电叠堆安装槽(403)的后端面上；所述左压电叠堆(5)与右压电叠堆(8)结构相同，左压电叠堆(5)整体为一端平面另一端球头形结构；所述压电叠堆安装槽(403)前端为设有U形凹槽的并联对称结构，压电叠堆安装槽(403)后端为H形结构；所述Z形柔性铰链组(405)由4条对称分布的Z形铰链组成，各Z形铰链一端连接驱动脚(406)，另一端连接压电叠堆安装槽(403)；所述动子单元包括导轨(6)以及滑动连接在导轨(6)上的滑块(7)，滑块(7)在差动柔性铰链(4)输出的差动运动的驱动下在导轨(6)上滑动；初始间隙调整单元用于调节差动柔性铰链(4)的驱动脚(406)与滑块(7)之间的初始间隙；同时向所述左压电叠堆(5)和右压电叠堆(8)施加协同驱动电信号，Z形柔性铰链组(405)将产生弹性变形，进而合成并输出差动运动以抑制回退运动；

压电驱动器的控制方法包括以下步骤：

步骤一、在0时刻时，压电驱动器处于初始状态，驱动脚(406)处于位置A，通过初始间隙调整单元改变驱动脚(406)与滑块(7)之间初始间隙Δy，并同时测量滑块(7)的输出位移，当输出位移曲线中无水平迟滞部分时，相应的间隙被定义为零间隙；此后，适当扩大初始间隙Δy；

步骤二、第一阶段：在0～t₁时间段内，随着施加至右压电叠堆的驱动电压U_r的增加，右压电叠堆(8)将缓慢伸长并推动差动柔性铰链(4)产生弹性变形，在此期间，驱动脚(406)从位置A经历位移x₁和y₁到达位置B；在此过程中，相位差被定义为

步骤三、第二阶段：在t₁～t₂时间段内，施加至左、右压电叠堆的驱动电压U_l和U_r保持同步增长，相应地，左压电叠堆(5)和右压电叠堆(8)产生相同的伸长量，在此期间，驱动脚(406)沿y轴正向运动位移y₂，直至与滑块(7)接触于位置C，并产生接触力P；

步骤四、第三阶段：在t₂～t₃时间段内，驱动电压U_l继续增长，而U_r开始下降，二者变化幅度相同，且此变化幅值被定义为推动电压U_push，在此期间，左压电叠堆(5)伸长，而右压电叠堆(8)收缩，二者变化程度相同；在这一过程中，驱动脚(406)沿x轴正向从位置C运动至位置D，由于相对运动的存在，静摩擦力f将产生并作为驱动力驱动滑块(7)沿x轴正向产生与驱动脚(406)相同的位移x₂；

步骤五、第四阶段：在t₃～t₄时间段内，与第三阶段电压变化相反，驱动电压U_l和U_r保持同步下降，则左压电叠堆(5)和右压电叠堆(8)产生相同的收缩量，在此期间，驱动脚(406)沿y轴负向从位置D运动至位置E，相应地产生位移y₃，并与滑块(7)分离；在此过程中，滑块(7)始终保持静止因为驱动脚(406)与滑块(7)在x轴方向上没有产生相对运动；

步骤六、第五阶段：在t₄～t₅时间段内，与第四阶段电压变化相反，驱动脚(406)沿x轴负向从位置E迅速地移动位移x₂至位置B，为下一个循环做准备；在此过程中，驱动脚(406)与滑块(7)始终保持分离状态，滑块(7)不会产生回退运动；

步骤七、在t₅～t_n-1时间段内，驱动器将重复步骤三至步骤六，驱动脚(406)将相应产生周期性的差动运动，与滑块(7)周期性的接触和分离，进而驱动滑块(7)在导轨(6)上进行长行程、无回退的直线运动；

步骤八、在t_n-1～t_n时间段内，当滑块运行至目标点时，驱动脚(406)从位置E经历位移x₃和y₄返回至位置A，此次驱动过程的结束。