谐振锯齿波驱动型冲击直线压电马达

传统的冲击压电马达大都工作在准静态下,振幅和工作频率相对较低,速度和输出力均不是很高。基于机械波合成理论,设计了一种新型共振型冲击直线压电马达。分析了压电马达的驱动机理,采用有限元仿真法优化了压电振子的结构尺寸。通过合成频率比为1:2的两个谐振正弦波得到近似谐振锯齿波,设计加工了压电振子、研制了马达样机、进行了性能测试与分析。当预紧力是0.02 N、基频驱动电压是300 Vp-p（592.5 Hz）时,马达无负载最大速度为32.4 mm/s;当预紧力是10 N、基频驱动电压是400 Vp-p（592.5 Hz）时,马达最大负载力可达1 N。实验验证了设计的有效性,表明该种压电马达具有良好的性能。     

新型箝位式压电电机的设计研究

针对传统箝位式压电电机在谐振态下工作时,方波振动的箝位部分结构设计复杂问题,提出一种新型箝位式压电电机。该电机箝位部分与驱动部分均由同频正弦电压驱动实现正弦振动,通过定子对动子的箝位接触,实现动子单向输出运动。相较于传统箝位式压电电机和超声电机,该电机的定子结构设计无需采用模态简并,结构设计难度降低。利用有限元仿真确定定、动子结构参数,制造样机并搭建实验平台。对箝位部分分别采用正弦波与方波做激励,再对驱动部分进行波形对比,表明正弦波亦能达到预期效果。实验结果表明:准静态时,激励电压频率为250Hz、电压峰峰值Vp-p为10V时,步进距离为0.5μm,步进速度0.13mm/s;谐振态时,激励电压频率为540Hz、电压峰峰值Vp-p为70V时,步进距离为32μm,步进速度16.9mm/s;该电机可兼顾低频高分辨率和高频高速输出以实现跨尺度工作。     

单振子二自由度球面马达的运动机理

利用矩形板形压电振子的两种振动模态,构建了一种采用单片压电振子驱动球形转子,形成两个旋转自由度的压电球面超声马达,对马达的作用机理进行了仿真分析和试验验证.利用有限元法对马达的矩形板压电振子的振动模态、共振频率进行了分析计算,仿真结果表明矩形板压电振子能够形成振型清晰的B32和B23振动模态,模态频率分别为49.127 kHz和49.756 kHz.对压电振子上每个凸起与球形转子之间的接触点的运动轨迹进行了计算机仿真,并对仿真结果进行了试验验证.分析结果表明各接触点能有效形成时序合理的椭圆运动轨迹,作为支撑足的一组凸起的变形量占作为驱动足的一组凸起的变形量的30%,能够用于驱动球形转子形成二自由度转动.仿真分析和试验结果证明了二自由度球面马达球形转子形成二维运动的作用机理.     

金属基压电扫描振镜的设计与测试

本文设计了一维金属基压电扫描振镜并进行了性能测试.该振镜利用金属微铰链梁将压电振子的伸缩振动转化为硅反射镜的旋转振动,具有扫描角度大、可靠性高、成本低廉的特点.首先,建立了压电振镜的有限元模型,通过模态分析和谐振响应分析得到了振镜的谐振模态以及扫描角度极限随铰链梁尺寸和位置的变化关系.接着,制备了由压电振子、钢片基底和硅反射镜组成的振镜样机.最后,对振镜的幅频特性进行了性能测试.结果表明:2 mm×2 mm的反射镜在120V_(pp)的电压驱动下可在谐振频率5.34 k Hz处产生21°的扫描角度.随着驱动电压幅值的增加,一阶扭转谐振频率会略微下降.振镜样机Q值达144,扫描角度与驱动电压幅值呈线性关系.该振镜具有较大的镜面尺寸和扫描角度,制作工艺简单、抗冲击性能好,可满足流式细胞扫描成像高分辨率和模块化、批量化的应用需求.     

线性压电马达的动态模拟与性能评估

提出了一个模拟线性压电马达运动特性的动态模型.该模型考虑了马达压电元件的运动顺序,将压电马达视为一个具有变接触刚度与变阻尼系数的两自由度动态系统.其本构方程考虑了压电元件的机-电耦合效应.该模型使用Co-quad图、波特图和根轨迹图进行表述以及实验验证.结果表明,该模型能够预测线性压电马达的运动特性,并可用于改进或设计新的线性压电马达.性能评估表明,实验中使用的线性压电马达具有5 nm的分辨率、20mm/s的行走速度以及220 N的驱动力.     

新型压电双晶片式惯性旋转驱动机构设计

提出了一种通过机械方式控制压电驱动机构和接触面间摩擦力矩的有序变化,形成以压电双晶片振子为驱动元件的新型压电惯性旋转驱动机构的研究方案．研究了该机构的运动机理,指出通过改变机构向不同方向运动时和支撑面之间的摩擦系数值,可以实现压电驱动机构的定向运动．对机构惯性冲击力矩的产生、摩擦阻力矩的改变形式进行了分析．设计了压电惯性旋转驱动机构,制作了试验样机,并对相关性能进行了测试试验结果证明该机构可以实现预期的运动.     

压电陶瓷为动力源的压电马达与驱动器

介绍了一种新的驱动器－压电超声马达,压电驱动器及它的工作原理,特点;介绍了我们所研制和发展的数种新型压电马达,压电驱动以及所做的一些应用工作,评价了压电马达的发展趋势和应用前景。     

压电谐振传感器机理在超低频振动中的研究

提出了利用压电谐振机理实现超低频振动传感器的实用方法,通过对压电谐振式传感器机理分析研究,得出可测超低频范围可以在0～3Hz.对该超低频振动传感器的具体电路、工作原理以及模拟结果进行了系统的分析与阐述.     

流式细胞仪中压电扫描振镜的设计

针对流式细胞成像的应用需求,设计了一维压电扫描振镜并进行了性能测试.该振镜利用微铰链梁将压电片的伸缩振动转化为反射面的旋转振动.首先,通过有限元仿真对压电振镜进行结构建模和性能分析,得到了振镜的工作模态以及扫描频率和最大扫描角度随结构尺寸的变化关系.接着,制备了由压电片和硅片基底组成的振镜样机.最后,利用角度测量系统对振镜的扫描特性和频响特性进行了测试.实验结果表明:2 mm×2 mm的反射面在12Vpp的电压驱动下可在谐振频率10.034 k Hz处产生14°的扫描角度,在5.2Vpp的电压驱动21.26 k Hz的高频谐振下,仍可以产生3.35°的扫描角度.振镜样机Q值达865,扫描角度与驱动电压幅值呈线性关系.该振镜具有较大的镜面尺寸和较高的扫描频率,可满足流式细胞扫描成像快速和高分辨率的应用需求.     

柔性压电纤维复合材料驱动器的驱动特性研究

本文通过分析柔性压电纤维复合材料驱动器（Flexible Piezoelectric fiber composite actuator Device,FPD）的变形驱动机制，提出了一种基于铁电参数预测其工作电压范围的方法，基于压电方程推导了FPD驱动力的表达式，并经实验测定验证了所提方法的可靠性。此外，基于所提方法研究了有效宽度对机电阻抗性能和驱动性能的影响规律。结果表明：基于铁电参数预测FPD工作电压范围的方法合理可行，FPD的许用工作电压在负向次矫顽电压到正向极化电压之间，且偏置/非对称电压驱动模式可以同步实现大应变和小迟滞；基于压电方程计算FPD驱动力的方法有效可靠，FPD的驱动力正比于其压电应变系数、弹性模量、横截面积及外加电场；随着有效宽度的增加，FPD的电容和驱动能力增加，阻抗减小，主谐振峰、自由应变和迟滞基本不变。     

新型纳米分辨率位移定位平移台的研制

为克服已有压电驱动器存在的结构及控制系统复杂、定位行程小等缺陷,利用压电陶瓷的逆压电效应设计并制作了一种新型的压电纳米步进驱动器,建立光栅测试系统对这种压电驱动器的动态性能进行了测试.将压电纳米步进驱动器与电磁伺服马达耦合,设计新颖驱动结构,利用微机通过步进运动控制卡统一控制,实现大范围一维纳米分辨率位移定位.系统样机解决了所研制压电纳米步进驱动器双向运动、实用定位等问题.位移定位分辨率为50 nm,定位行程为100mm,纳米分辨率定位最大速度为0.6 mm/s.     

具有大驱动位移的复合结构型PZT压电陶瓷

采用PZT作为基体材料,通过化学还原的方法制备了具有大位移驱动能力的复合结构型压电陶瓷。研究了其预制应力的分布,探索了还原制备工艺,测试了驱动性能。结果表明,复合结构的优化设计方案是,还原层厚度比率为0.3;与普通压电陶瓷驱动器相比,复合结构型PZT压电陶瓷具有较低的谐振频率,驱动位移量提高3倍多;还原层相结构中存在二次氧化的基体相,表明其还原工艺仍需改进。      

一种基于压电堆栈的惯性纳米步进马达（英文）

为了搭建出结构简单、性能稳定的纳米步进马达,从而降低扫描探针显微镜系统搭建的复杂度,本文描述了一款新型的基于压电堆栈的惯性纳米步进马达.仅利用两组压电堆栈和一路锯齿波电压信号即可实现该马达的纳米级步进.其中,两组压电堆栈按照伸缩方向平行固定于基座上,绝缘导轨粘接固定于两组压电堆栈自由端的中间,利用4个氮化硅圆球和铍铜弹簧片将滑杆通过挤压方式固定于绝缘导轨内侧.通过给两组压电堆栈施加一路锯齿波电压信号,利用滑杆自身的惯性作用,即可控制绝缘导轨带动滑杆产生纳米级步进.实验结果表明,此款惯性纳米步进马达可以实现任意角度的纳米级精度位置微调和厘米级范围的粗调.此款纳米步进马达结构紧凑,工作性能稳定,非常适合于在精密光学系统和极端条件下的扫描探针显微镜系统中使用.     

电动机-弹性连杆机构系统谐振机理研究

以三相交流电动机-弹性连杆机构系统为研究对象，考虑三相交流电机转子振动偏心时不均匀气隙的气隙磁场对系统的影响，用有限单元法建立了系统的耦合动态方程，并将驱动电机和机构作为一个完整的系统对其谐振机理进行了研究。研究表明：该系统的谐振现象不仅与系统转速有关，而且还与电动机的同步转速有关；该系统的低阶临界转速不仅与系统的固有频率有关，也与电动机的同步转速有关。     

国外压电陶瓷声马达的发展近况

压电陶瓷声马达是一种利用压电陶瓷基片基片或薄膜,电致伸缩材料等功能部件实现驱动的新型驱动器,它不同于传统的电磁马达和静电马达,国外已经在精密仪器,航天航空,自动控制,办公自动化,微型机械系统,微装配,精密定位等领域得到了实际应用,总结了国际上压电陶瓷声马达的最新研究内容及成果,并提出了进一步开发研究的几点建议,这对我国压电声马达的研究以及相应产品的开发将起到积极的促进使用。     

基于软件误差修正的通用直线工作台的纳米级定位控制

提出了一种用于通用压电陶瓷线性马达(PLCM)驱动平台的纳米级定位数控方案,该平台上配有栅距20μm的线性光栅.传统的信号细分多数基于硬件电路,无法对纳米级误差进行灵活的调整.本项研究开发了基于Labview的数字控制系统,该系统具有失真波形的调整、1/4栅距脉冲计数、基于Lissajous圆环的波形细分、后传神经网络和PID控制以及平台的位置反馈控制等特征.介绍了定位控制的3个步骤,即用于长行程连续移动控制的AC模式,用于低速短行程的开关模式控制马达驱动,以及以压电激励方式使马达工作的DC模式,这些步骤能够实现几纳米的精确定位.在每种运动模式下采用了专门的信号处理技术.实验结果表明,此方法可以很容易地应用于线性平台,取得小于31 nm的定位精度,9 mm行程的标准误差小于30 nm.相比于原来移动台±1μm的重复性和±1μm/25 mm的精度,该数字控制系统能够将定位精度提高一个数量级.     

双足驱动双压电晶片直线超声波电机运行机理研究

研究新型直线超声波电机运行机理,采用双压电晶片及双足驱动结构,具有结构简单、无需频率简并、易于小型化等优点。详述其结构、振形特点及工作机理。建立电机定子振动响应有限元模型,给出输入阻抗计算方法。用已建模型计算获得定子驱动足接触点在谐振频率点附近振幅,推导驱动足接触点运动轨迹。通过实测定子阻抗特性将所得结果与理论分析进行比较。     

基于正逆压电效应的高能效振动半主动控制方法

基于同步开关阻尼（Synchronous Switch Damping,SSD）技术的压电振动半主动控制方法主要利用控制电 路中的同步开关和等效LC振荡电路,实现压电电压的同步翻转,使得压电驱动力始终和结构振动速度同相位, 用较低的能耗高效地抑制结构振动。然而常见的压电驱动元件如压电叠堆、压电纤维复合材料等,其允许工作 电压变化范围是不对称的,采用对称翻转的SSD技术难以充分利用压电元件的机电转化性能。提出了一种基于 双向压电效应的SSD技术,通过对压电电压上翻时注能、下翻时吸能的操作,最大化控制系统能效,并充分匹配 压电元件的机电转化潜能。介绍了所提SSD方法的工作原理,推导了非对称翻转条件下结构的振动衰减模型, 实现了非对称翻转SSD控制电路,并通过实验进行了验证。研究结果表明,所提SSD方法可以通过控制注能开 关占空比及吸能电路等效负载自适应地调节压电电压的上、下翻转因子,最终实现高能效的结构振动衰减 效果。     

TiO2含量对压电纤维复合材料抗拉及驱动应变性能的影响

采用粘稠塑性加工方法制备了锆钛酸铅方形压电纤维复合材料, 研究了环氧树脂中不同TiO₂含量对压电纤维复合材料的电学阻抗、抗拉及驱动应变性能的影响。结果表明: 环氧树脂中TiO₂含量不同, 压电纤维复合材料的谐振频率不同。压电纤维复合材料的抗拉强度及纵向自由应变值均随着环氧树脂中TiO₂含量增大先增加后减小。环氧树脂中TiO₂含量为3wt%的压电纤维复合材料的抗拉强度达到了77.50 MPa, 且在驱动电压为-500 V~+1500 V时, 其纵向自由应变值达到了1783.7 με。当环氧树脂中TiO₂含量从3wt%增大至5wt%时, 压电纤维复合材料的抗拉性能和驱动应变性能均有所降低。在不同的外加驱动频率下, 压电纤维复合材料表现出不同的驱动应变能力。随着频率的增大, 压电纤维复合材料的纵向自由应变幅度表现出明显降低, 当频率超过5 Hz后, 其纵向自由应变值略有减小。     

圆盘式行波压电马达的接触界面动力学分析及传动效率优化

圆盘式压电马达的定子被激发出行波后,用于驱动转子的摩擦界面上质点运动为三维斜椭圆,其中的径向分量将引起纯粹的摩擦损耗而导致传动效率降低。分析了圆盘型压电马达定子振动响应的运动学特性,提出定子齿可等效为基体加上附属齿形的复合结构振动;利用动态子结构和有限元法建立了考虑齿槽的定子振动方程,分析了定子齿驱动表面质点的运动特性,指出通过齿形参数设计可以减少径向运动分量的比例;以某特定圆盘压电马达定子为例,以接触界面的传动效率作为优化目标进行定子齿参数的设计,通过迭代得到了能够获得较好输出效率的参数组;通过数值仿真分析了最优参数下压电马达的输出特性,并与其他参数组下的输出特性进行分析和比较;最后加工了特定几组参数的中空型压电马达样机,验证了摩擦界面上径向滑动造成的损耗与定子齿形参数有关,在同样激励条件下的确可在最优参数组获得较好的输出效率。