微机电系统用压电驱动器的发展及应用

微驱动器是微机电系统运行的关键,压电驱动器作为新的驱动元件在这一领域迅速发展起来.它具有很高的位移分辨率以及抗干扰能力,并且控制方法简单.本文介绍了微机电系统、压电驱动器的概念,并对国外微机电系统中压电驱动器的发展及应用情况进行了详细、全面的介绍,同时指出了压电驱动器研究领域需深入探讨的关键技术.     

一种旋转压电陶瓷驱动器的设计和研究

为发挥压电陶瓷分辨率高、频响高、功耗低及抗电磁干扰能力强等优点,进一步简化压电旋转驱动器的结构,提高压电驱动工作效率,设计和研制一种新型压电旋转驱动器。驱动器以压电陶瓷双晶片为原动件,通过联接机构联接定子和转子,选用滚子结构的超越离合器驱动机构,将双晶片扭转位移运动转化为输出轴的连续旋转运动。驱动器结构简单,体积小。通过理论分析、有限元仿真和试验研究表明,驱动器的转速与驱动信号的频率、电压近似呈线性关系,具有良好的输出特性,步进精确,运行平稳可靠,适于在微驱动领域应用。     

新型压电旋转驱动器的设计与试验研究

为简化压电旋转驱动器的结构,提高能量使用效率,设计和研制一种新型压电旋转驱动器。驱动器采用压电双晶片作为原动件,经运动转换机构将其弯曲变形转化为扭转运动,再通过双离合器的耦合传动将扭转运动转化为旋转运动。使用有限元仿真分析方法和试验对驱动器的物理性能进行深入的研究,测得驱动器的关键参数。针对该驱动器的有限元仿真分析和试验研究表明,压电旋转驱动器的转速与驱动信号的频率、电压近似呈线性关系,驱动器具有一定的承载能力。对试验结果与有限元仿真分析结果进行误差分析,找出产生误差的原因,为驱动器的进一步优化设计提供了参考。研究证明了该压电旋转驱动器设计方法的可行性,使用该方法可以制作出结构简单,体积小,适合在微驱动领域中应用的压电旋转驱动器。     

第四讲 开放式数控系统的驱动技术(二)——特种伺服电动机及其驱动器

本讲将向您介绍最新应用的几种特种伺服电动机及其驱动器:直线电动机及其驱动装置、压电陶瓷电动机及其驱动装置.它们作为新兴的驱动部件,具有广阔的应用和发展前景.     

压电陶瓷驱动电源的研究现状及进展

压电陶瓷驱动器在电场作用下存在压电效应,从理论上讲,压电陶瓷器件可以获得无限小的位移分辨率,但是由于电源的稳定性和压电陶瓷本身的特性而产生迟滞和蠕变现象,从而降低其定位精度.采用不同方式的驱动电源和控制模型将直接影响压电陶瓷致动器的输出性能.文中从驱动电源的发展和驱动器模型2个角度,总结了国内外不同的驱动方案,进而提出应该优先选用电流源驱动压电陶瓷,并得出根据应用场合不同选择相应驱动电源和控制模型的结论.     

新型压电旋转驱动器的设计与性能测试

为了降低压电旋转驱动器的成本,提高承载能力,实现分辨率可调,设计研制一种新型压电旋转驱动器。驱动器采用单个压电堆栈作为原动件,经二级位移放大机构将压电堆栈的变形进行放大,再通过运动转换将放大后的直线运动转化为棘轮转子的旋转转动。制作了压电旋转驱动器样机,对其进行试验测试。试验结果表明:驱动器的输出转角具有很好的可控性,当驱动电压分别为200 V、350 V和650 V时,可获得三种稳定的单步输出转角,旋转分辨率为0.034 9 rad,最大承载扭矩为0.392 N·m。频率为20 Hz时,最大运转速度为2.094 4 rad/s。该驱动器在降低成本的同时,还具有分辨率可调、运转速度较高和承载能力强的优点,在精密驱动和大转角驱动领域有较大的应用潜力。     

智能结构中的压电传感器与驱动器

本文阐述了智能结构中的压电应变传感器与应变速度传感器的原理、检测电路,简述了压电驱动器的原理及驱动电路,最后介绍了其在主动振动控制中的应用。     

开放式数控系统专题讲座 第四讲开放式数控系统的驱动技术(二)——特种伺服电动机及其驱动器

本讲将向您介绍最新应用的几种特种伺服电动机及其驱动器 :直线电动机及其驱动装置、压电陶瓷电动机及其驱动装置。它们作为新兴的驱动部件 ,具有广阔的应用和发展前景。1　直线电动机及其驱动装置　　直线电动机是一种将电能直接转换成直线运动而不需要通过任何中间转换机构的新颖电动机。由直线电动机驱动的直线运动装置和系统具有结构简单、运行可靠、控制方便、智能化程度高等优点。目前在世界范围内 ,都在加强直线电动机及其驱动装置与系统的研究与应用 ,如磁悬浮列车、磁浮船、各种流水生产线、各种制造设备的驱动部分、进刀机构、磁…     

压电旋转驱动器制作及性能测试

提出了通过控制正压力来改变摩擦力的方案,进而研制了一种以压电叠堆为动力转换元件的新型压电旋转驱动器。采用两个驱动用压电叠堆对称布置的方式设计了该旋转驱动器结构,探讨了旋转驱动器运动机理,制作了压电旋转驱动器试验样机并对其进行了试验测试。试验结果表明,该驱动器输出步长线性度较好,当驱动电压为10 V、频率为2 Hz时,驱动器旋转步长为20 μrad。分析了驱动器输出稳定性,针对存在的问题提出通过施加控制系统来有效提高不同起始位置驱动器的运动稳定性。对试验结果进行误差分析,找出了产生误差的原因,为驱动器的进一步优化设计提供了参考。研究证明了该压电旋转驱动器设计方法的可行性,利用该方法可以制作出结构简单,体积小,适合在微驱动领域中应用的驱动器。     

基于ILC的压电微位移驱动器电源线性化研究

压电微位移驱动器是一种利用压电材料逆压电效应制作的微位移器 ,具有体积小 ,分辨率高 ,重复性好 ,不产生热等优点 ,然而压电驱动器也具有滞回、蠕变、严重的非线性等不良特性 ,给驱动器精确定位带来误差 ,使驱动器电压位移转换信号失真。为使压电驱动器输入输出具有线性度 ,常用的方法是对驱动电源进行电压补偿来实现线性化。这里提出一种实用新颖的电源线性化方法—基于迭代自学习控制 (IL C)策略的线性化方法 ,该法具有在线、快速的优点 ,且可实现动态线性化补偿     

基于压电驱动的细胞微量注射装置的研究

提出了由压电驱动带动的注射微动平台和电机带动的细胞微载台来构成细胞药物微量注射的机械结构与控制系统。而且也提出了利用压电陶瓷的微位移特性构造了和目前的微量注射针完全不同的微量注射针结构与控制系统,这个压电微量注射针的驱动和注射动作全部由压电驱动器来完成;利用压电陶瓷的微位移和施加在压电陶瓷上的电压在微小位移情况下的线性关系实现了细胞注射系统的精确微定量注射。     

Thermo-mechanical coupled in situ fatigue device driven by piezoelectric actuator

This paper focuses on the design of a thermo-mechanical coupled in situ fatigue device driven by piezoelectric actuator. The structural resonances, transient response, grip design and thermal insulation performance of the device are discussed in detail. Micro-indentations are prepared on the specimen’s surface as embedded defects, and the deformation behaviors of the indentation subjected to cyclic strain under temperature of 530 °C are investigated. Quantitative effects of the cross-sectional area of indentation, alternating displacement amplitude and temperature on the fatigue life of copper/aluminum composite specimens are obtained, respectively. The experimental results could serve as proofs to verify the feasibility of the proposed device. This paper shows a modular example that combines piezoelectric actuator and ceramic heating components to realize thermo-mechanical coupled in situ fatigue testing.     

Modeling nonlinear behavior in a piezoelectric actuator

A piezoelectric tube actuator is employed as a sample positioning device in Nanocut, a cutting instrument conceived to study the mechanics of nanometric cutting. Extension of functionality of the instrument as a nanometric machine tool motivates the search for an accurate model of the actuator for implementing feedback control. A simple nonlinear model describing longitudinal expansion of the piezoelectric tube actuator is presented in this paper. The model derivation is based on a non-formal analogy with nonlinear viscoelastic materials under uniaxial extension, for which the responses to a step input are similar to the piezoelectric tube. Suitability of the model structure for arbitrary inputs is tested by cross-verification between time and frequency domains. Two parameter estimation procedures are examined and the results of the experimental work for characterization, estimation and validation are presented.     

压电智能梁的静态耦合模型

利用力平衡原理，建立了单面粘贴有压电致动器的梁结构的静态拉伸－弯曲耦合模型，在分析过程中，考虑了梁与致动器之间粘贴层的影响。通过分析可得，粘贴层剪切应力的分布与致动器端部附近的应变分布有相似的特征。随着粘贴层的剪切模量的增加或其厚度的减小，剪切力在靠近压电致动器端部区域迅速增大。     

压电微动工作台的位移复合控制

为解决稳态精度和稳定性之间的矛盾,提高压电陶瓷执行器的控制性能,进而提高其驱动的微动工作台的定位精度,构造了一种前馈补偿同反馈调节相结合的复合控制算法。其中,前馈补偿为基于压电陶瓷执行器迟滞非线性模型的前馈控制,通过自学习算法来实现,用来补偿压电陶瓷执行器的迟滞非线性,提高对参考位移信号的跟踪能力;反馈调节为PID反馈控制,用来进一步校正前馈补偿没有消除的偏差以及由模型的不确定性所引起的误差,且为了减小积分饱和作用以及微分对扰动的敏感性,对PID算法进行了改进,使之成为一种变系数积分与加权微分的PID算法。试验验证了该算法的有效性,并将该算法同其他控制算法——开环控制、前馈控制、PID 反馈控制进行了对比试验研究,结果表明,复合控制算法比其他控制算法具有更好的性能。     

大行程纳米级步距压电电动机

介绍了一种基于尺蠖运动原理的大行程纳米级步距压电电动机。在结构设计方面,变传统单驱动器结构为双驱动器结构,采用新颖的推—拉接力运动原理,配以适当的四路驱动信号,实现了压电电动机的连续匀速运动。通过试验对电动机的性能进行了测试,结果表明：电动机的运动位移是线性的,运动速度在驱动电压为300 V时可达12 mm/s,最小步距小于6 nm,行程大于10 mm。     

Modeling of piezoelectric actuator for compensation and controller design

This work proposes a novel method for describing the hysteretic non-linearity of a piezoelectric actuator. The hysteresis behavior of piezoelectric actuators, including the minor loop trajectory and the residual displacement near zero input, are modeled by a set of hysteresis operators, including a gain and an input-dependent lag, as well as the parameter scheduling method. A hysteresis model, using the identified parameters, and containing only the dominant hysteresis operator, is presented herein. Based upon a simplified hysteresis model, tracking is controlled to reduce the non-linear effects in the characteristics of the piezoelectric actuator. A proportional-integral (PI) controller, with inverse model feed-forward, suppresses the tracking error to within ±1% full span range (FSR) of the actuator, noticeably improving the tracking performance of the piezoelectric actuator.     

基于惯性冲击原理的非对称夹持式压电旋转驱动器的实验研究

针对目前压电驱动器主要使用锯齿波这种非对称波电信号驱动压电晶体实现驱动的现状,设计了非对称夹持构件,提出了非对称夹持压电双晶片振子的旋转驱动器的结构设计方案,使对称波电信号作用在压电双晶片振子上,产生正反两方向大小不同的周期性惯性冲击力,驱动机构实现旋转位移。建立了压电旋转驱动器的动力学模型,并分析了非对称夹持旋转驱动器实现大小不同的惯性冲击力原理以及压电旋转驱动器的运动过程。组成了压电旋转驱动器的测试系统,在不同电压幅值、频率的方波激励下,对压电旋转驱动器的平均步长进行了测试。结果表明：非对称夹持式压电旋转驱动器能实现较稳定的单向转动,最大行程360°,最大承载能力超过300g,步长分辨率5µrad,最大转动速度4000µrad/s;驱动器样机在20V、2Hz的方波激励下,平均运动步长12µrad,转动速度24µrad/s。     

压电智能梁的拉伸—弯曲耦合模型

利用力平衡原理,建立了单面粘贴有压电致动器的梁结构的拉伸—弯曲耦合模型,在分析过程中,考虑了梁与致动器之间粘贴层的影响。通过分析可得,粘贴层切应力的分布与致动器端部附近的应变分布有相似的特征,随着粘贴层的切变模量的增加或其厚度的减小,切应力在靠近压电致动器端部区域迅速增大。