[發明專利]一種開環可控高精度旋轉壓電驅動裝置及其制作方法

在審

• 申請號: 201710979482.3
• 申請日: 2017-10-19
• 公開（公告）號: CN107800327A
• 公開（公告）日: 2018-03-13
• 發明（設計）人: 王世宇;張朋輝;柳金龍;王哲人
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H02N2/14
• 分類號: H02N2/14;H02N2/10;H02N2/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 李林娟

技術領域

本發明涉及旋轉壓電驅動裝置領域，尤其涉及一種開環可控高精度旋轉壓電驅動裝置及其制作方法。

背景技術

傳統磁場電機的基礎理論、設計方法和制造技術均已達到十分完善的程度。隨著科學技術的進步，特別是運載火箭、宇宙飛船和人造衛星等高新技術產品的發展，傳統磁場電機很難滿足驅動要求。超聲電機具有體積小、重量輕、結構緊湊、響應快、噪聲低、斷電自鎖、無需變速機構以及無電磁干擾等眾多優點，因而受到廣大工程技術人員的普遍重視。

傳統的超聲電機利用壓電材料的逆壓電效應和定轉子之間的摩擦耦合實現機電能量轉換，最終實現驅動轉子運轉的功能(趙淳生.超聲電機技術與應用，科學出版社，2007)。定子通常工作于超聲頻段，定轉子以很大的相對速度劇烈摩擦，溫升顯著，影響了運行穩定性，同時降低了驅動效率和壽命。此外，由于定轉子局部接觸，因此驅動力較小。受結構周期性產生的模態分裂(Wang S Y,Xiu J,Gu J,Xu J,Shen Z G.Prediction and suppression of inconsistent natural frequency and mode coupling of a cylindrical ultrasonic stator,Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part C:Journal of Mechanical Engineering Science,2010,224(9),1853-1861)及諧波驅動信號的不利影響，定轉子的接觸狀態不斷變化，造成正反向輸出不一致，增加了控制系統的復雜度。此外，由于行波速度與轉子轉速之比不恒定，因此很難實現開環控制。總之，溫升、碎屑、丟轉、出力小、工作點飄移、驅動效率低、服役壽命短、正反轉不對稱以及很難實現開環控制等問題，嚴重制約了傳統超聲電機在各類精密儀器中的應用。對于那些超高速、大過載和強低溫等極端工作環境，其應用受到進一步限制。

受機械工程領域嚙合傳動的啟發，前人提出了嚙合電機，例如“李瑞華，魏世民，廖啟征，倪振松.柔性平動式嚙合電機動態分析與轉矩控制，電機與控制學報，2009，13(3)：408-413，418”、“辛洪兵，鄭偉智.壓電諧波電機的研究，壓電與聲光，2004，26(2)：122-125”以及“Zhou J J,Huang M,Wang X J,Song W J.Development of a magnetostrictive drive rotary motor driven by circular parallel movement,Smart Materials and Structures,2007,16:2063-2066”等。上述工作為超聲電機性能的提升提供了借鑒。

為了克服超聲驅動技術難題，本發明提供一種可工作于共振或非共振狀態下的新型旋轉壓電驅動裝置。

發明內容

本發明提供了一種開環可控高精度旋轉壓電驅動裝置及其制作方法，該壓電驅動裝置溫升低、碎屑少、不丟轉、出力大、工作穩定、驅動效率高、服役壽命長、可正反轉對稱，詳見下文描述：

一種開環可控高精度旋轉壓電驅動裝置，所述壓電驅動裝置包括：外殼，所述外殼內設置有若干個壓電作動器、內齒定子和外齒轉子；

所述壓電作動器的一端與外殼采用螺栓固接，另一端通過移動副與內齒定子外側可動連接；所述壓電作動器工作于d33模式，并且采用疊片式以增大變幅行程，所述壓電作動器沿徑向安裝，并且沿周向等間隔均勻分布。

所述內齒定子和所述外齒轉子均加工微齒，相互嚙合；所述壓電作動器工作于超聲或非超聲頻段。

其中，在交流信號作用下，各壓電作動器產生非同步軸向伸縮運動，同時與內齒定子相對滑動；

在多個壓電作動器作用下，內齒定子平動，共同驅動內齒定子繞外齒轉子的幾何形心轉動，通過內齒定子和外齒轉子的微齒嚙合作用，驅動外齒轉子定軸旋轉。

進一步地，所述壓電作動器與內齒定子相對滑動；內齒定子與外齒轉子之間的速比恒定，采用開環控制。

所述若干個壓電作動器沿外齒轉子的軸向等間隔均勻分布，相鄰壓電作動器的周向夾角為2π/N，并且同時與外齒轉子嚙合，可消除有害徑向力的協同驅動。

進一步地，所述壓電驅動裝置的驅動信號的時空相位滿足：

式中，為第i個壓電作動器的時間相位，ψ_i＝2π(i-1)/N為空間相位，Q為整數，N為壓電作動器的個數。