压电谐波电机的研究

压电谐波电机是利用固定的压电驱动器及其位移放大机构作为谐波齿轮传动的波发生器，通过对压电元件的变形形状进行周期性控制，经过位移放大器进行位移放大，使柔轮产生周期性变形。只要使压电波发生器与柔轮接触的各离散点，按给定的柔轮变形规律进行变形，且驱动器的数目以及结构等参数满足连续啮合传动的要求，便可得到低转速的输出，它是一种基于谐波传动原理的新型步进电机。分析了压电波发生器结构以及控制系统的设计。它具有低速输出，功率密度大，结构简单，尺寸小，容易微型化，转动惯量小，定位精度高、效率高和噪音低等特点。     

压电谐波电机承载能力的研究

以保证柔轮与刚轮的正常啮合为条件,引入计算径向变形量系数,设计径向变形量系数以及允许位移损失系数,通过确定位移放大机构输出端允许位移损失量或柔轮的实际径向变形量,计算压电谐波电机承载能力。建立了压电谐波电机承载能力的设计准则,是包括压电驱动器驱动能力选择以及其他结构尺寸设计与校核的主要依据。其输出扭矩与压电驱动器与位移放大机构的刚度成正比,与柔轮变形力、轮齿啮合角以及摩擦系数成反比。克服了基于压电驱动器最大驱动能力建立压电谐波电机输出扭矩方法的缺陷。该模型也可用于采用超磁致伸缩等其他驱动器的谐波电机承载能力的计算。设计计算表明,相对于一般原动机,压电谐波电机能提供较大的输出扭矩。     

微动工作台行程放大结构的设计和分析

研究开发了一种新型的大行程二维压电微动工作台。介绍了弧曲位移放大机构的工作原理,分析了影响放大机构性能的因素;工作台的柔性铰链、弹性平行导板机构、弧曲位移放大机构,采用一体化设计,实现了大行程,并满足了传动导向的高精度、高稳定性要求;与采用杠杆放大的二维工作台作了简单比较,对各自的优缺点作了客观分析。     

杠杆放大式双足压电直线电机的建模及优化设计

杠杆放大机构设计对于杠杆放大式双足压电直线电机的性能起决定性作用。该文分析了杠杆放大式双足压电电机的作动机理,建立了基于柔性铰链的杠杆放大机构的动力学模型,对机构放大率进行了理论计算,纵向、横向理论放大率分别为3.12和1.98。利用有限元软件进行仿真分析,理论计算与有限元仿真误差分别为3.1%、14.6%。在此基础上,利用遗传算法对杠杆放大机构柔性铰链结构参数进行优化设计,优化后驱动足纵向、横向位移分别提高了17.6%、8.1%。     

压电阀中的微位移放大机构

压电陶瓷材料具有优良的力学性能和响应特性,将其作为智能执行器应用于液压阀中,是持续多年的研究热点。但压电驱动器输出仅为微米级,难以直接满足液压阀的使用要求,因此需要设计相应的微位移放大机构。首先,重点介绍了柔性铰链放大机构及其在压电阀中的典型应用,根据原理可分为杠杆、三角、桥式等放大形式;其次,归纳了基于液压放大和晶片放大机构的两类压电阀的代表性结构和性能特点;最后,分析对比了三类放大机构应用于压电阀中的优缺点。结果表明,铰链放大结构简单,再现性好;液压放大占用空间小,频带宽,倍数高;晶片放大频响高,只适用于伺服和先导控制。     

压电谐波电机的控制系统设计

压电谐波电机是根据谐波传动和压电逆效应原理设计的一种新型电机；控制系统是使其运转及实现各种控制功能的关键。针对设计的由四相压电驱动器构成的压电谐波电机样机，通过分析其控制原理，提出了相应的控制方案。根据压电陶瓷为容性负载的条件，设计了可快速响应的压电驱动器驱动电路。简要叙述了使电机实现调速、换向、精确定位等各项功能的控制系统软件设计方案。     

基于三角位移放大机构的压电制动器研究

提出了一种应用于压电制动器的微位移放大机构,该机构以叠层压电陶瓷为驱动元件,通过基于三角形放大原理的柔性铰链放大机构,放大叠层压电陶瓷的输出位移。分析了放大机构的运动及放大机理,建立了制动系统的力学模型,并利用ANSYS软件建立机构有限元模型进行仿真,在试制样机上对其输出特性进行了实验。实验测试结果表明,该机构对叠层压电陶瓷输出位移的放大倍数为3.2倍,与有限元仿真得到的放大倍数4倍相近,一阶固有频率为1 814Hz,最大输出力为44.1N(150V电压下),且该机构线性良好、分辨率高、迟滞效应较小。     

柔性铰链位移放大机构在活塞加工中的应用

针对活塞加工中快速刀具伺服机构高频响、大位移和高精度的特点，提出了一种基于压电陶瓷的新型单自由度柔性铰链微位移放大机构，对单轴柔性铰链和机构进行了刚度计算；为了提高控制精度，利用Maxwell模型对压电陶瓷非线性建立数学模型，利用反馈-前馈控制法消除了以切削力为主的干扰信号的影响，仿真实验证明该系统达到了活塞加工中高速进给的要求。     

微进给刀架中位移放大机构的优化设计

基于压电陶瓷驱动的刀具微进给机构是满足精密加工的重要途径,为进一步增加微进给刀架驱动位移,在微进给刀架中增加一种柔性铰链微位移放大机构,增加压电陶瓷驱动器输出位移。该文设计了4种微位移放大机构,理论计算了静态刚度,利用ANSYS软件对4种微位移放大机构进行了建模和有限元数值仿真分析,对比了不同类型的微位移放大机构的放大倍数、负载能力和应力情况等静态特性,为优化设计刀具微进给机构打下良好基础。     

柔性压电式微位移机构动态特性的实验研究

设计了一种压电式微位移机构,采用对称杠杆式柔性铰链放大机构对压电陶瓷输出位移进行放大,弥补了压电陶瓷位移行程过小的缺点.对微位移机构力学模型和压电陶瓷驱动器的动态特性进行了分析,指出压电陶瓷驱动器动态响应的迟滞非线性是影响压电式微位移驱动器控制性能的一个关键因素,直接关系到控制精度的提高,必须采取适当的控制算法予以修正.采用前馈控制同数字PID控制相结合的复合控制算法对柔性压电式微位移机构的控制过程进行校正补偿,建立了动态特性的闭环校正控制系统.实测结果表明,机构的动态响应时间显著缩短,实现了机构的快速响应.     

Design of a linear piezomotor with ultra-high stiffness andnanoprecision

An ultra-stiff nanoprecision linear piezomotor was recently designed for grinding application. This piezomotor consists of three high-voltage piezoelectric actuators integrated by a monolithic flexure frame. This monolithic frame was designed to have multiple functions such as protecting and pre-loading three piezoelectric actuators and withstanding all the shearing forces during operation. The monolithic frame as a motion mechanism eliminates the backlash problem. The stiffness distributions in certain directions over the frame were designed using the finite-element method     

Developing a linear piezomotor with nanometer resolution and high stiffness

A novel linear piezomotor was developed for machine tool applications. The design principles and methodology for this high stiffness linear piezomotor with nanometer resolution are presented. The linear piezomotor consists of three piezoelectric actuators and one monolithic flexure frame. The design strategy is to reduce the total number of mechanical elements and interfaces and to integrate all the elements into the frame. The finite element method is used in the design process. The principles and methodology are also applicable to other positioning systems where a high stiffness and high positioning resolution are required.     

Hybrid charge control for stick-slip piezoelectric actuators

The article describes an analog electronic circuit for driving stick-slip piezoelectric linear actuators. The task for the amplifier is to provide a high-voltage asymmetric sawtooth-like signal and feed it into a capacitive load. Generation of excessive heat must be avoided while maximizing the slew rate. In order to guarantee a steady translation, the hysteretic behaviour of the piezoelectric material must be compensated. Combination of a charge control scheme with switching is proposed as an efficient solution. Laboratory experiments confirm the superiority of this tailored solution over other existing techniques based on versatile linear voltage amplifiers.     

Using a Walking Piezo Actuator to Drive and Control a High-Precision Stage

Piezoelectric actuators are commonly used for micropositioning systems at nanometer resolution. Increasing demands regarding the speed and accuracy are inducing the need for new actuators and new drive principles. A nonresonant piezoelectric actuator is used to drive a stage with 1-DOF through four piezoelectric drive legs. In order to improve the positioning accuracy of the stage, a new drive principle and control strategy for the walking piezomotor are proposed in this paper. The proposed drive principle results in overlapping tip trajectories of the drive legs, resulting in a continuous and smooth drive movement. Gain scheduling feedback in combination with feedforward control further improves the performance of the stage. With the developed drive principle and control strategy, the piezomotor is able to drive the stage at constant velocities between 100 nm/s and 1 $mu$m/s with a tracking error below the encoder resolution of 5 nm. Constant velocities up to 2 mm/s are performed with tracking errors below 400 nm. Point-to-point movements between 5 nm and the complete stroke of the stage are performed with a final static error below the encoder resolution.      

一种压电陶瓷执行器动态驱动电源

针对压电陶瓷执行器呈现强容性负载的特性,该文研究了基于误差放大原理的压电陶瓷执行器动态驱动电源,提出采用高压运算放大器结合准互补对称功率放大电路构成的输出级以提高驱动电源的输出电压范围的方法和采用多组准互补对称功率放大电路构成的输出级并联以提高输出峰值功率的方法。通过对实际电路的测试表明,采用上述方法开发的压电陶瓷执行器动态驱动电源不仅输出功率达270 W,且具有良好的静态性能。