摘 要:采用电磁与压电相结合的方式给出了一种直线驱动器,详细介绍了该驱动器的结构与工作原理,并对其牵引力进行了估算与分析;比较了几种典型的驱动器控制信号波形,并选择一种较为合理的波形进行了驱动器性能试验,试验结果表明该驱动器能够可靠地实现双向运动,具有行程大,精度高,易于控制等特点,可用于微定位、微驱动等领域。
在机械领域中,驱动器起着重要的作用。微驱动器作为微机械的核心部件一直是微机械系统(MEMS)研究的重点,有着广泛的应用前景,可用于微小机器人的关节驱动、微小光盘、磁盘驱动以及微型航天仪器等,微驱动器的发展是衡量MEMS发展水平的重要标志。微驱动器按驱动方式大致可分为运用“场”力致动(如静电力,电磁力等)及运动材料本身的性能变化产生的微小变形来驱动(如热膨胀,材料在相变时的形状记忆效应,压电效应等)两种。目前微机械采用的驱动方式主要有静电驱动器、压电驱动器、形状记忆合金(SMA)驱动器、电磁驱动器及热驱动器等。压电陶瓷是近年来精密驱动领域广泛运用的一种新型材料,其工作原理主要是基于压电体的逆压电效应,即当压电体受电场作用时会产生形变,压电驱动具有体积小,刚度大,位移分辨率及定位精度高,线性好,频率响应高,不发热,无噪声,易于控制等特点,因此压电驱动器越来越受各国研究人员的重视[1～6],已成功应用于生命科学、医学和生物工程、半导体及微电子、数据存储、光学、光纤、度量和测量技术、精密机械和机械工程等领域。本文采用电磁和压电相结合的方式给出了一种直线驱动器,该驱动器可在导磁材料表面上前后运动,其运动速度可控,可用于微定位、微驱动等领域,其直径为 6 mm,长18 mm。
1 驱动器结构及工作原理
图1为直线驱动器结构组成,包括2个电磁脚、1个多层压电陶瓷和导轨等。电磁脚由H型铁芯上绕有多匝线圈组成,并分别固接在压电陶瓷的两端,导轨是导磁性好的V型或U型槽。
图2为压电直线驱动器工作原理。图中阴影部分表示该单元处于工作状态,驱动器如图所示循环工作,即可实现间歇式连续运动。改变2个电磁脚控制信号的时序即可改变驱动器的运动方向,调整其循环周期可改变驱动器的运动速度。
根据上述原理可知,压电陶瓷的伸缩特性直接影响驱动器的步距大小,2个电磁脚与导轨之间的吸力直接影响驱动器的牵引能力,因此选择伸缩性能好的压电陶瓷及提高电磁脚的吸力有助于改善驱动器的特性。
本文设计选用的层叠型压电陶瓷外形尺寸为3.5 mm×4.5 mm×10 mm,驱动力为200 N,当外加电压最高100 V时,陶瓷伸长量可达6.1μm,并且伸长量与所加电压成正比关系。依据电磁学知识,电磁脚与导轨之间的吸力可用以下方法计算。
图3为电磁脚的磁路图。图中虚线表示磁力线回路,δ为电磁脚与导轨间的空气隙大小。设磁回路的等效截面积为S,由磁路知整个磁路的磁阻
其中δ=0.1 mm,线圈骨架和导轨均为电工钢,电工钢的磁导率μ=0.007 5 H/m,空气的磁导率μ0=4π×10-7H/m;磁回路宽L=3 mm,磁回路高h=2.8mm。
由于驱动器的牵引力由2个电磁脚与导轨间的交互吸引力产生的静摩擦力来提供,而每一时刻都至少有一个电磁脚工作,设电磁脚与导轨之间的摩擦系数为0.2,则驱动器的牵引力
P=0.2F=0.052 4 N (6)
由以上讨论可知,增加电磁脚的线圈匝数和线圈电流,减小空气隙大小,增大电磁脚与导轨之间的接触面积和摩擦系数都可以改善驱动器的牵引能力,因此对于不同的应用环境可相应选择有关参数。
2 几种控制波形分析
图4为压电驱动器的几种控制波形,CH1和CH3分别表示对电磁脚1、2的输入信号,CH2表示对压电陶瓷的输入信号。
图4(a)中,t1时刻,电磁脚1、2工作,压电陶瓷不工作,驱动器处于初始状态;t2时刻,电磁脚2放松,为压电陶瓷伸长作准备;t3时刻,压电陶瓷突然伸长;t4时刻,电磁脚2工作,保存压电陶瓷的伸长;t5时刻,压电陶瓷在保持伸长的情况下电磁脚1放松,为驱动器前进作准备;t6时刻,压电陶瓷回复原长,驱动器前进一步;然后电磁脚1工作,回到t1时刻状态;改变CH1、CH2和CH3的时序方向可改变驱动器的运动方向。
图4(b)中,为避免因压电陶瓷在突然伸长缩短时产生较大的冲量而出现丢步现象,可将加在压电陶瓷上的信号由方波改进为T型波,而加在电磁脚1、2上的信号与图4(a)相同。
考虑到压电陶瓷比电磁铁响应速度快的特点,将控制波形改善为图4(c)所示,图4(c)中的一个循环为8个节拍,比图4(a)、(b)的6个节拍多2个节拍。综合本设计驱动器的特点,考虑到压电陶瓷在突然伸长缩短时会产生较大冲量以及电磁铁的响应速度等因素,选择图4(c)的控制信号较为合理。
3 试验
图5为压电直线驱动器试验系统,由PC机、D/A板卡、3通道运算放大电路、驱动器、激光测距仪及数据采集系统组成。PC机通过D/A板卡输出驱动器所需的控制信号,经放大电路处理后输给驱动器,驱动器的运动距离由激光测距仪检测后经数据采集系统进入PC。
图6(a)为信号峰值在80 V时,控制信号频率与驱动器运动速度间的关系。由图可以看出,随着信号驱动频率的不断增加,驱动器的运动速度也随之加大,当频率达到350 Hz时,运动速度最快可达1.2 mm/s,之后呈下降趋势,这主要是由于电磁脚响应的滞后性导致丢步现象造成的。图6(b)为控制信号频率在350 Hz时,信号电压与驱动器运动速度间的关系。由逆压电方程可知,电压越高,压电陶瓷形变越大,即驱动器步长越大,所以在频率一定时,驱动器的速度随电压增高而加快。
4 结束语
(1)由层叠式压电陶瓷和2个电磁脚组成的驱动器可在导磁导轨上灵活运动,运动速度及运动方向易于控制,可用于微定位、微驱动等领域。
(2)分析了驱动器的工作原理,估算了驱动器的牵引能力,为进一步优化驱动器提供了依据。分析知,增加电磁脚的线圈匝数和线圈电流,减小空气隙大小,增大电磁脚与导轨之间的接触面积和摩擦系数都可以改善驱动器的牵引能力。
(3)分析比较了几种驱动器的控制信号,并选择一种较为合理的波形进行了驱动器性能试验,得出驱动器运动速度与其控制信号幅值和频率间的关系,并分析了原因;试验结果证明该驱动器能可靠地实现双向运动,具有行程大,精度高,易于控制等特点。
参考文献:
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本文作者：左建勇 颜国正 高志军 卢秋红
