用于压电惯性电机的有效驱动制造技术

本发明专利技术涉及用于压电惯性电机的控制装置及控制方法。在粘固阶段，通过脉冲宽度调制将第一切换元件(611)和第二切换元件(612)在彼此相反的方向上切换，其中，ON和OFF的第一切换状态的时间分量相对于ON和OFF的第二切换状态的时间分量增加，脉冲宽度调制被电容式压电致动器(621,622)和电感(631,631

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于压电惯性电机的有效驱动


[0001]本专利技术涉及一种用于压电惯性电机的控制装置及控制方法。

技术介绍

[0002]在具有惯性驱动的压电电机中，往复运动的切向分量在滑块与定子之间的接触处产生运动。在切向运动的一个方向上，定子元件被慢速激活。在这个激活期间，即“粘固阶段”或“慢速阶段”，作用在滑块上的惯性力小于摩擦力：滑块粘固到定子的接触表面并随其移动。在切向运动的相反方向上，定子相对于其初始位置被更快地去激活。在此期间，即“滑移阶段”或“快速阶段”，作用在滑块上的惯性力大于摩擦力，使得滑块在定子上滑移并落后于定子元件的接触表面。在周期结束时，或者在粘固和滑移阶段的周期内，滑块呈现微小步。这些微观步的累积产生宏观运动。
[0003]图1示出了压电惯性电机的定子10，该定子包括弹性框架14、作为接触件的摩擦尖端12以及用于调整预加载和公差的螺钉13。如图1所示，惯性电机的定子可以具有两个致动器11ab，例如，具有若干叠加晶体层的多层致动器1和2，每个均具有电容Ca1和Ca2。当两个致动器中的一个扩张时，另一个致动器收缩以产生由箭头15示出的往复切向运动。
[0004]图2示出了具有单个致动器21或多层致动器作为驱动源的压电惯性电机的定子20，其中，相同元件具有与图1中相同的标号。仅有一个电子通道需要连接至致动器。
[0005]图3示出了压电多层致动器的图片。电子电路中的多层致动器可以被理解为电容元件。为了清楚起见，在本说明书中，致动器被称为“电容式压电致动器”。通常，根据低通滤波器中的电容器使用它们。
[0006]在具有两个致动器的惯性电机中，在定子元件中的两个压电致动器或单晶多层致动器或大块致动器由两个反相(“镜像”)锯齿状信号驱动。在这种结构中，扩张和收缩在相反方向上同步发生。当一个致动器扩张时，另一个致动器必须收缩(或回缩)。
[0007]施加于电机内的压电元件的信号通常具有锯齿形。在图4中示出了惯性电机的信号的典型的理想化的锯齿波形。在慢速阶段或者粘固阶段期间，一个致动器慢速扩张而另一个致动器慢速收缩。多层致动器慢速扩张和收缩对应于或者等效于对电容器慢速充电或者放电。
[0008]相应地，在快速阶段或滑移阶段期间，一个压电致动器快速扩张，而另一个压电致动器快速收缩。快速扩张或收缩相当于电容器的快速充电或放电。电容器具有多层致动器的电容。在本公开中，致动器被处理在很大程度上类似于在驱动电路的滤波器部件中使用的电容器元件。
[0009]在图4中，所绘制的两个波形对应于在压电惯性电机的定子中在相反方向扩张和收缩的两个致动器的控制信号。对于仅具有一个多层致动器的致动器，考虑两个锯齿波形之一就足够了。
[0010]用于这些致动器的控制信号的锯齿形信号波形可以分别具有在该慢速阶段与该快速阶段之间或在从该慢速阶段到该快速阶段的转变处的平坦区段。这在图5中以理想化
的形式示出。
[0011]简单的音频放大器不能驱动惯性电机，即使锯齿波信号的频率在几百kHz到20kHz的范围内。其原因在于，锯齿波信号的快速阶段需要在0.5到2μs的范围内尽可能短，而不管工作频率如何。当操作频率在约20kHz时，与标准音频放大器的情况一样，不可能致动0.5μs的快速阶段。驱动器应具有至少1MHz带宽。

技术实现思路

[0012]本专利技术的一个目的是，提供一种用于压电惯性电机的有效驱动的方法。效率目前是指用于驱动的电能以及使驱动电路小型化的可能性。
[0013]根据本专利技术，该目的通过独立权利要求的特征得以满足。一些有利实施例是从属权利要求的目的。
[0014]本专利技术基于使用电感和致动器电容来用锯齿状的非对称电压波形致动压电致动器的构思。电阻元件(电阻器)典型地与压电致动器一起使用。电感而不是电阻元件的使用通过切换元件(诸如GaN(氮化镓)晶体管)的高频操作成为可能。
[0015]当感应元件与压电致动器串联使用时，电压波形通常具有正弦形状。通过所提出的电路拓扑，即使在采用感应元件时，也可以通过在非常高的频率下操作GaN晶体管来获得非对称信号波形。
[0016]本专利技术的具体方法是对D类放大器拓扑进行适配以用于驱动压电惯性电机，其中，实现诸如GaN晶体管的切换元件，该切换元件可在高频下以低导通电阻操作。
[0017]本公开中描述的驱动和控制方法可应用于具有两个致动器作为驱动源以及仅具有单个致动器的压电惯性电机。
[0018]在快速阶段期间，H桥高频电路的半桥高频电路对压电致动器的电容器进行充电或放电，或者在两个压电致动器的情况下，两个半桥(或H桥)高频电路对这些致动器的两个电容器进行并联充电和放电。致动器电容和小电感，它们在谐振下操作，引起电容器的快速充电和放电。致动器的电容器根据阶跃响应进行充电，或根据RLC(电阻
‑
电感
‑
电容)串联配置的自然响应进行放电。在两个致动器同步的情况下以及在与单个半桥的输入相反的方向上，通过施加高频脉冲宽度调制(PWM)信号进行慢速充电和放电。
[0019]不像纯电阻性元件，在充电或放电时间期间穿过电感的电流作为电能被储存在其中，而不是作为热量被完全消散。这种储存的能量在随后的快速放电或充电期期间被使用。其结果是，减少了待由电源供应的电流，因此减少了电感和致动器中所耗散的能量。因为GaN晶体管可以作为切换元件在高频(1至40MHz)下操作，所以能够高效地使用适于在高频下操作的小电感。因此能够消除散热片，这能够实现驱动电路的小型化。
[0020]此外，提供了一种用于驱动压电惯性电机的无线控制方法。通过切换元件(例如，GaN晶体管)以高频驱动传输线圈产生电磁能。通过接收线圈(或多个线圈)拾取电磁能以及将该电磁能转换成电流。该电流用于对压电致动器(或致动器)的(一个或数个)电容器进行充电或放电，由此引起压电致动器的扩张或收缩。
[0021]根据本专利技术的第一方面，提供了一种用于压电惯性电机的控制装置，控制装置包括：电容式压电致动器；电感；第一切换元件，其将电容式压电致动器经由电感连接至第一电势；第二切换元件，其将电容式压电致动器经由电感连接至与第一电势不同的第二电势；
以及控制元件，其适于在压电惯性电机的粘固阶段，通过脉冲宽度调制在彼此相反的方向上重复地切换第一切换元件和第二切换元件，其中，在脉冲宽度调制中，切换状态ON和OFF的第一切换状态的时间分量相对于第二切换状态的时间分量增加，以及脉冲宽度调制被电容式压电致动器和电感进行滤波，由此执行在电容式压电致动器处充电和放电的充电操作中的步进式第一充电操作，以及在压电惯性电机的滑移阶段开始时，将第一切换状态的时间分量和第二切换状态的时间分量反转，由此在电容式压电致动器处执行与第一充电操作相反方向的第二充电操作。
[0022]根据本专利技术的第二方面，提供了一种用于压电惯性电机的控制方法，包括：在压电惯性电机的粘固阶段，通过脉冲宽度调制在彼此相反的方向上重复地切换第一切换元件和第二切换元件，第一切换元件将电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于压电惯性电机的控制装置，包括：电容式压电致动器(621)；电感(631；1131)；第一切换元件(611；1111)，其将所述电容式压电致动器(621)经由所述电感(631；1131)连接至第一电势(641)；第二切换元件(612；1112)，其将所述电容式压电致动器(621)经由所述电感(631；1131)连接至不同于所述第一电势的第二电势(642)；以及控制元件，其适用于：在所述压电惯性电机的粘固阶段，通过脉冲宽度调制在彼此相反的方向上重复地切换所述第一切换元件(611；1111)和所述第二切换元件(612；1112)，其中，在所述脉冲宽度调制中，切换状态ON和OFF的第一切换状态的时间分量相对于第二切换状态的时间分量增加，以及所述脉冲宽度调制被所述电容式压电致动器(621)和所述电感(631；1131)进行滤波，由此在所述电容式压电致动器(621)处执行充电和放电的充电操作中的步进式第一充电操作，以及在所述压电惯性电机的滑移阶段开始时，将所述第一切换状态的时间分量和所述第二切换状态的时间分量反转，由此在所述电容式压电致动器(621)处执行与所述第一充电操作相反方向的第二充电操作。2.根据权利要求1所述的控制装置，其中，包含所述电容式压电致动器(621)和所述电感(631；1131)的阻尼振荡电路在从所述滑移阶段至所述粘固阶段的转变中表现出过冲。3.根据权利要求1或2所述的控制装置，其中，所述电感(631；1131)代表第一电感，所述第一切换元件(611；1111)将所述电容式压电致动器(621)经由所述第一电感(631；1131)连接至所述第一电势(641)，包括：第二电感(632；1132)；第三切换元件(613；1113)，其将所述电容式压电致动器(621)经由所述第二电感(632；1132)连接至所述第一电势(641)；以及第四切换元件(614；1114)，其将所述电容式压电致动器(621)经由所述第二电感(632)连接至所述第二电势(642)，其中，所述控制元件适于在所述滑移阶段用于在所述第一充电操作期间将所述第三切换元件(613；1113)等同地切换到所述第一切换元件(611；1111)，以及用于在所述第二充电过程中将所述第四切换元件(614；1114)等同地切换到所述第二切换元件。4.根据权利要求1到3中任一项所述的控制装置，其中，所述电感(631；1131)代表第一电感，所述电容式压电致动器(621)经由所述第一电感(631；1131)连接至所述第一切换元件(611；1111)和所述第二切换元件(612；1112)，包括：第三电感(1131
’
)，第五切换元件(1111
’
)，其将所述电容式压电致动器经由所述第三电感(1131
’
)连接至所述第一电势(641)，以及第六切换元件(613；1113)，其将所述电容式压电致动器(621)经由所述第三电感(1131
’
)连接至所述第二电势(642)，其中，所述控制元件适于将所述第五切换元件(1111
’
)等同地切换到所述第二切换元
件(1112)以及将所述第六切换元件(1112
’
)等同地切换到所述第一切换元件(1111)。5.根据权利要求1至4中任一项所述的控制装置，其中，所述控制装置配置为通过感应充电来执行所述第一充电操作和所述第二充电操作而不接触。6.根据权利要求1至5中任一项所述的控制装置，其中，所述电感代表接收电感(2131)，所述控制装置包含传输电感(2130)，所述电容式压电致动器(621)经由所述接收电感(2131)和所述传输电感(2130)电感地连...

【专利技术属性】
技术研发人员：伯哈尼丁，
申请(专利权)人：物理仪器PI两合有限公司，
类型：发明
国别省市：