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壓電粘滑驅動原理及其在壓電馬達平臺中的應用

時間：2021-10-21 閱讀：2392

粘滑驅動是以摩擦理論為基礎的典型驅動方式。摩擦力是一種基本的耗散力，存在于所有相對滑動的機器和結構中，在以往對粘滑機理的研究僅僅是停留在如何避免其在精密伺服系統中由于摩擦存在而引起的失穩和損耗。由于壓電材料的出現和良好的響應特性，才把粘滑原理應用到驅動工作當中。粘滑驅動的機理本質是利用最大靜摩擦力和滑動摩擦力之間的差異控制被驅動物體產生位移。

基于壓電陶瓷的粘滑驅動方式是利用PZT壓電陶瓷快速形變產生的加速度，即慣性沖擊，使得動摩擦力無法提供運動物體的加速度，從而保持在原來位置，接著控制PZT壓電陶瓷以較小的速度返回，從而實現靜摩擦力帶動物體運動來實現微位移，因此也被稱為慣性粘滑驅動。

圖1粘滑驅動原理

如圖1所示。該原理的工作過程可以分為三個階段：初始階段，在沒有驅動電壓信號的情況下，壓電陶瓷和被驅動的滑塊保持靜止；第二階段，隨著一個緩慢上升的電信號的到來，壓電陶瓷和滑塊共同運動，即粘滯階段，此時靜摩擦力作為驅動力，二者“粘"在一起運動；第三階段，電壓信號急速下降，壓電陶瓷由于其良好的響應特性，立即發生了快速的收縮，由于慣性力的存在，即摩擦力無法提供大的加速度動力，滑塊不會及時隨壓電陶瓷同步運動，滑塊與壓電陶瓷產生相對滑動，保持原來位置，即滑動階段。重復這個周期將使滑塊連續向前運動，對于反向運動，使用反向驅動電壓模式即可。

粘滑驅動實質上就是以摩擦力為驅動源，達到被驅動體的微小移動。利用粘滑效應的壓電精密運動機構，依靠鋸齒形電壓激勵下壓電陶瓷運動造成的動靜摩擦力之差異致動，可以工作在步進運動和靜態掃描兩種模式下，且快速運動模式下可以忽略壓電陶瓷的非線性影響。粘滑驅動原理實現方便、控制簡單，具有運動范圍大、分辨率高、結構簡單、易于微小和精確定位等優點。結合壓電陶瓷特殊的性能，許多基于該原理的驅動器都得以應用。

其中最常見的就是直線運動和旋轉運動的應用。

一、應用于直線壓電馬達

粘滑式直線壓電馬達一般由軸承軌道、運動面（即移動部分）、摩擦觸點、一端固定的壓電陶瓷促動器組成。壓電陶瓷隨著驅動電壓升高而伸長，由于運動面與接觸點的摩擦力，運動面會隨著壓電陶瓷一起運動。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。由于慣性，運動面保持靜止，而壓電陶瓷回復到了初始狀態，如此往復壓電馬達就可實現連續的直線運動。