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壓電馬達工作原理及分類


  導語:由于壓電馬達具有體積小精度高等優勢,目前越來越多的用戶選擇該產品替代傳統的電機定位產品。目前市面上常用的壓電馬達有三種:粘滑式壓電馬達;步進式壓電馬達和超聲波或共振壓電馬達。這三種類型都有其特定的有點和用途,下文會通過原理詳細介紹這三種壓電馬達。

壓電馬達原理簡介

  1)粘滑式壓電馬達

圖1、粘滑式壓電馬達工作原理圖

  如圖1所示,闡述了粘滑式壓電馬達的工作原理,粘滑式壓電馬達主要由軸承、滑塊(即移動部分)、接觸點、一端固定的壓電促動器組成。壓電陶瓷的的長度隨著施加電壓的變化而變長或變短,由于滑塊與接觸點的摩擦力滑塊會隨著壓電陶瓷的形變一起運動,如圖1中第二個圖所示。這一過程又稱為粘貼階段(stick-phase)。當壓電陶瓷到最大形變量時,施加快速降低的電壓使壓電陶瓷快速回縮到初始狀態。如圖1中第三個圖所示,由于慣性滑塊保持靜止,而壓電陶瓷回復到了初始狀態,這一階段也被稱為滑動階段(slip-phase),也是這一階段導致了滑塊的凈位移。重復以上兩個階段使平臺產生宏觀的位移。

  2)步進式壓電馬達

圖2、步進式壓電馬達原理圖

  典型的步進式壓電馬達至少由3個壓電促動器,如圖2中的第一幅圖所以,其中A和B促動器用來接觸滑塊,并扮演卡緊機構的角色。而C促動器則用來使滑塊產生平移運動。

  在靜止時,促動器A和B同時接觸滑塊。當開始運動時,促動器B膨脹,A縮回,此時只有B與滑塊接觸,如圖2中第一幅圖所示。于此同時C形變通過B與滑塊的接觸使滑塊產生位移如圖2中第二幅圖所示。然后促動器A膨脹,B縮回,此時只有A與滑塊接觸如圖2中第三幅圖所示,隨后壓電陶瓷C縮回至初始位置如圖2第四幅圖所示。最后再次縮回A,膨脹B,重復以上狀態是滑塊產生宏觀位移。

  3)超聲波壓電馬達

  對于這種類型的壓電馬達,滑塊的運動是通過接觸點的橢圓振蕩產生。如下圖所示。

圖3、超聲波馬達原理結構圖

  圖3中的第一幅圖展示了超聲波馬達的主要結構,第二幅圖展示了壓電馬達的兩種工作狀態,左圖接觸點沿切線方向移動,即運動方向,右圖接觸點沿上下運動。對壓電陶瓷施加電信號,同時產生這兩種模式,并使相位差為正負90°這會使接觸點產生橢圓振動如圖3中第一幅圖所示。此外,接觸點的軌跡也可由驅動信號的幅值和頻率控制。

不同類型壓電馬達的特點

  1)粘滑式壓電馬達

  在粘貼階段滑塊的移動量即是壓電陶瓷的形變量,因此對于該階段,平臺擁有較高的分辨率。在滑動階段,壓電陶瓷會快速縮回,這將產生振動和噪聲,噪聲可能非常刺耳,當人長期在平臺周圍工作時設置會引發健康問題。此外由于壓電陶瓷需要往復快速縮回,導致接觸點的材料大量磨損,限制了平臺的使用壽命。粘滑式馬達使用DC掃描模式時具有較高的分辨率,但是在斷電的情況下并不能0漂移保持在納米量級的定位。另外對于粘滑式的壓電馬達速度被限制在約20mm/s。

  2)步進壓電馬達

  步進式壓電馬達一般擁有較高的輸出力,輸出力高達10N。移動時由壓電陶瓷形變推動滑塊移動,因此可以達到較高的分辨率,可時間納米級別的定位并且沒有漂移。但是由于該類型馬達的移動需要多個壓電陶瓷配合,這限制了壓電位移平臺的速度,通常小于10mm/s。此外因為無法達到嚴格的公差,導致接觸點的摩擦,導致了平臺較低的壽命,此外該電機通常由多個壓電陶瓷組合使用使其成本較高。

  3)超聲波馬達

  該馬達是將橢圓振蕩推動滑塊移動,產生很小的位移,并通過高頻率產生極高的速度,通??蛇_到100mm/s,并且沒有噪聲,良好的可重復性,電機在定位后無漂移實現自鎖。并且擁有較長的使用壽命,通常在10-100km。但是該馬達輸出力較小,通常只有1N,位移精度會比其它兩種馬達略差。

三種壓電馬達技術參數對比

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