压电双晶片式惯性冲击电机的驱动研究

　　0引　言

　　压电惯性冲击电机(ImpactDriveMechanism,简称IDM)是利用压电陶瓷元件的快速变形所产生的惯性冲击力来实现微位移的一种驱动机构,在与精密定位技术相关的领域已有许多应用。最早的IDM是基于电磁效应,后来运用压电效应便产生了堆叠式的惯性冲击电机^[1-2]、陶瓷管式惯性冲击电机^[3]、双晶片式惯性冲击电机^[4-5]等,其中,双晶片式惯性冲击电机因其具有体积小、驱动电压低、成本低等诸多优势,逐渐引起相关研究人员重视。

　　堆叠式和陶瓷管式惯性冲击电机所采用压电元件的等效电容和驱动电压均较大,在驱动频率较高时易造成充放电电流过大(瞬间最大电流达到10 A量级以上),所以驱动频率一般在1 kHz以下,此时压电体的充放电时间相对驱动周期基本可忽略,为实现压电体在一个工作周期内快速伸长和慢速缩短或快速缩短和慢速伸长,须采用不对称的锯齿波驱动信号;而在使用压电双晶片作为驱动元件时,压电双晶片的等效电容比堆叠陶瓷和压电陶瓷管小三个数量级左右,同时为了提高驱动力和电机运行速度,往往采用较高的驱动频率(几十到上百千赫兹)。

　　在较高的驱动频率下,压电元件充放电时间相对驱动周期不容忽视。在这种条件下,采用方波驱动可以达到与采用锯齿波驱动相同的目的,且效果更好^[6-7]。但文献[6-7]并未对采用方波驱动的合理性做更进一步的分析,文献[5]提出在驱动电路中增加放电回路使双晶片的充电时间常数和放电时间常数不相等,具体实现起来困难。

　　其实,不需要增加放电回路也可以实现方波驱动压电双晶片式惯性直线电机的驱动。本文采用等效电路和电路分析方法论证了双晶片式惯性冲击电机采用方波驱动的合理性,即在较高频率下,压电双晶片在一个工作周期内先不充分充电而后充分放电以实现向伸长和缩短变化率的不同;设计了频率、电压幅值及占空比可调的方波驱动电路,同时设计了一种压电双晶片惯性冲击电机;最后对方波驱动的效果及影响电机性能的一些参数进行了实验分析。

　　1压电双晶片式惯性冲击电机的方波驱动理论

　　压电惯性冲击电机的运动基于压电元件在一个工作周期内快速伸长和慢速缩短或快速缩短和慢速伸长,结合动子和定子之间的摩擦力,则可使动子相对定子轴产生所需要的相对运动。可通过分析双晶片在单周期内的振动位移响应来分析实现电机运动的条件。

　　在非共振条件下,压电晶片可等效为一个电容C和电阻R的串联,图1为方波驱动压电双晶片的简化等效电路。由压电方程可知,压电元件变形量与其两端电荷量直接相关,因此取等效电容两端作为输出。