压电陶瓷驱动器抗蠕变驱动方法技术

压电陶瓷驱动器抗蠕变驱动方法，其特征是设置二级反向施压的驱动方法，在驱动电压按△Ｖ变化后，按第一阶段和第二阶段分别呈台阶式反向施压；第一个阶段中，为抵消大量变形滞后的９０度电畴、克服蠕变发生，反向施加变化幅值为ａ１、周期为ｂ１的阶跃式驱动电压；第二阶段中，为克服逐渐驱缓的蠕变量，反向施加变化幅值为ａ２、周期为ｂ２的阶跃式驱动电压，其中，ａ１大于ａ２、ｂ１小于ｂ２。本发明专利技术有效解决了压电陶瓷位移放大机构在一定范围内虽然克服压电陶瓷驱动器位移行程小的缺点，但同时也放大了压电陶瓷蠕变的弊端，为高精度、大行程微驱动控制的实现提供了科学的依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及压电陶瓷驱动器的驱动方法。
技术介绍
微位移技术是精密机械与精密仪器的关键技术之一，随着科技的发展，无论在航天，生物学，光学，微电子学等领域，都迫切需要高精度的微动工作台。微动工作台多采用压电陶瓷驱动器，现在应用最广的是以机械串联，电学并联方式极化而成的多层压电陶瓷驱动器。压电陶瓷驱动具有位移分辨率高，体积小，响应快，输出力大，不发热等优点，但其固有的迟滞，蠕变，非线性严重影响了它的应用。德国PI公司生产的压电陶瓷驱动器的蠕变误差也达到了1％～2％。压电陶瓷驱动器虽然是微定位技术中的理想器件，但它存在着位移行程过小的缺点，一般只有不到二十个微米的行程，而一般的微操作都要求定位范围能达到100纳米以上。因而很多微位移机构都采用了柔性铰链微位移放大机构。柔性铰链属于一种弹性变形件，可对微位移进行放大与导向。但是在对位移进行放大的同时，也极大地加剧了压电陶瓷蠕变，迟滞和非线性对位移精度的影响。比如，MPT系列纳米级精密定位工作台，主要应用于精密进给系统，精密位移补偿，生物工程，微刻蚀，扫描隧道显微镜等领域。为了克服压电陶瓷位移行程过小的缺点，该工作台采用了2只PST150/7*7/20的软性压电陶瓷串联结构，单个陶瓷驱动器的标称位移为20Um，串联后可达到40Um的行程，再通过柔性铰链位移放大机构，总行程可达到100Um。主要特点包括重复定位精度高，闭环工作台小于0.1％F.S；极高的位移分辨率，开环工作台小于0.002％F.S；具有优良的频率响应特性。使用过程中发现压电陶瓷的串联结构虽然增加了位移行程，但同时也累加了蠕变误差，再经过柔性铰链的放大，使得蠕变误差最大达到了3.80％，严重的影响了工作台的精密定位性能。压电陶瓷的蠕变特性就是当施加在压电陶瓷驱动器的电压值不再变化时，位移值不是稳定在一固定值上，而是随着时间缓慢变化，并在一定时间之后才会达到稳定值。这是由于电介质内部的晶格间存在内摩擦力，晶体中90度电畴开始转向时互相影响，当电压停止变化后，晶格由于惯性继续翻转，而存在一定的变形滞后，图1示出了该压电陶瓷的蠕变特性，即驱动电压与位移的曲线关系。目前，人们消除它的方法一般是在控制过程中采用闭环控制对它加以补偿，但是由于位移检测元件的限制，其补偿精度并不能很好的满足超高精度定位控制的要求。
技术实现思路
本专利技术是为避免上述现有技术所存在不足之处，提供一种，以使蠕变误差大幅度减少，从而使得对压电陶瓷驱动器进行大位移，快速准确的精密定位控制成为可能。本专利技术解决技术问题所采用的技术方案是设置二级反向施压的驱动方法，在驱动电压按ΔV变化后，按第一阶段和第二阶段分别呈台阶式反向施压在所述第一个阶段中，为抵消大量变形滞后的90度电畴、克服蠕变发生，反向施加变化幅值为a1、周期为b1的阶跃式驱动电压；在所述第二阶段，为克服逐渐驱缓的蠕变量，反向施加变化幅值为a2、周期为b2的阶跃式驱动电压，其中，a1大于a2、b1小于b2。与已有技术相比，本专利技术的有益效果体现在本专利技术有效的解决了压电陶瓷位移放大机构在一定范围内，虽然克服压电陶瓷驱动器位移行程小的缺点，但同时也放大了压电陶瓷蠕变的弊端，为高精度、大行程微驱动控制的实现提供了科学的依据。经测试，通过采用二级反向施压的抗蠕变驱动方法，系统的蠕变误差大幅度减少，如电压变化量为20v时，蠕变误差由3.8％下降到0.26％，这使得对压电陶瓷驱动器进行大位移，快速准确的精密定位控制成为可能。附图说明图1为压电陶瓷的蠕变特性曲线示意图。图2为本专利技术方法压电陶瓷抗蠕变特性示意图。图3为本专利技术方法驱动电压示意图。图4为本专利技术方法另一实施方式驱动电压示意图。图5示出驱动电压为0-40v的蠕变特性曲线。图6示出驱动电压为40-0v的蠕变特性曲线。具体实施例方式参见图1，压电陶瓷驱动器的蠕变分为2个阶段在施加电压后的前十几秒钟，为第一阶段，晶体中90度电畴开始转向时互相影响，变形滞后产生蠕变的幅值很大，是影响压电陶瓷蠕变误差的主要因素；随着时间的推移，第二阶段中，变形滞后的90度电畴数量减少，蠕变值渐渐减小，压电陶瓷变形趋缓。参见图3、图4，针对压电陶瓷的蠕变特性，本实施例设置二级反向施压的驱动方法即根据位移量的需要，在驱动电压施加到指定值后，再根据驱动电压变化的大小，也就是位移量的大小，选择不同的抗蠕变驱动方案，电压值先较大幅度的下降，使得晶体中部分的90度电畴反向转动，从而抵消变形滞后的那部分90度电畴，克服蠕变量较大的第一阶段后，再采用第二级反向施压，减小电压值下降幅度和频率，最终使得压电陶瓷的位移方向与蠕变方向相反，减小了压电陶瓷的蠕变误差，以本专利技术方法所获得的压电陶瓷抗蠕变特性如图2所示。在以下表格中，Δv表示驱动电压变化量，电压分别为各阶段每次电压变化的幅值，周期为电压变化的时间间隔，次数为各阶段电压变化的次数。Δv 5vΔv 10v Δv 20v Δv 30v Δv 40v Δv 50v 此外，由于压电陶瓷驱动器迟滞的存在，在往返行程中，变化相同的电压值，其位移变化量是不同的，但是通过实验发现，在往返行程中，压电陶瓷驱动器的蠕变却是基本相同的。例如在Δv为40v时，采用相同的抗蠕变驱动方法 图5示出驱动电压为0-40v的蠕变特性曲线。图6示出驱动电压为40-0v的蠕变特性曲线。图5、图6中，实线表示的a曲线为已有驱动方式蠕变特性曲线、星点线表示的b曲线为本专利技术方法驱动蠕变特性曲线。可以看到，在压电陶瓷的往返行程中，采用相同的二级反向施压驱动方法，对于压电陶瓷蠕变误差的消除，都是行之有效的。实验及理论分析表明，压电陶瓷的蠕变主要取决于位移量，也就是电压变化量。在压电陶瓷往返行程中的蠕变误差是基本相同的，通过二级反向施压的压电陶瓷抗蠕变驱动可以在很大程度上消除蠕变误差的影响，使得工作台能够迅速的定位并稳定下来。本专利技术方法有效解决了压电陶瓷驱动器蠕变误差的影响，为高精度、大行程微驱动控制的实现提供了科学的依据。以下为二级反向施压的压电陶瓷抗蠕变驱动与普通驱动蠕变误差对照表 权利要求1.，其特征是设置二级反向施压的驱动方法，在驱动电压按ΔV变化后，按第一阶段和第二阶段分别呈台阶式反向施压在所述第一个阶段中，为抵消大量变形滞后的90度电畴、克服蠕变发生，反向施加变化幅值为a1、周期为b1的阶跃式驱动电压；在所述第二阶段，为克服逐渐驱缓的蠕变量，反向施加变化幅值为a2、周期为b2的阶跃式驱动电压，其中，a1大于a2、b1小于b2。2.根据权利要求1所述的方法，其特征是对于电压变化量ΔV为20伏，所述第一阶段一个周期电压变化的幅值为0.05伏、周期为0.5秒，连续下降7次；第二阶段一个周期电压变化的幅值为0.01伏、周期为1秒，连续下降30次。全文摘要，其特征是设置二级反向施压的驱动方法，在驱动电压按ΔV变化后，按第一阶段和第二阶段分别呈台阶式反向施压；第一个阶段中，为抵消大量变形滞后的90度电畴、克服蠕变发生，反向施加变化幅值为a1、周期为b1的阶跃式驱动电压；第二阶段中，为克服逐渐驱缓的蠕变量，反向施加变化幅值为a2、周期为b2的阶跃式驱动电压，其中，a1大于a2、b1小于b2。本专利技术有效解决了压电陶瓷位移放大机构在一定范围内虽然克服压电陶瓷本文档来自技高网...

【技术保护点】
压电陶瓷驱动器抗蠕变驱动方法，其特征是设置二级反向施压的驱动方法，在驱动电压按△Ｖ变化后，按第一阶段和第二阶段分别呈台阶式反向施压；在所述第一个阶段中，为抵消大量变形滞后的９０度电畴、克服蠕变发生，反向施加变化幅值为ａ１、周期为ｂ１ 的阶跃式驱动电压；在所述第二阶段，为克服逐渐驱缓的蠕变量，反向施加变化幅值为ａ２、周期为ｂ２的阶跃式驱动电压，其中，ａ１大于ａ２、ｂ１小于ｂ２。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：余晓芬，范伟，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]