黏滑模式压电惯性电机的研究进展

张建辉，高素成，安大伟，黄卫清

(广州大学 机械与电气工程学院， 广州 510006)

随着半导体工业、光学工程、航空航天、超精密加工、生物医学等行业的迅猛发展，传统电机受制于工作原理和结构形式，逐渐无法满足当前的高精密工作要求，微纳米精密驱动技术研究水平已成为制约当前高精尖行业发展的关键环节[1-6]。在需求的牵引下，以压电陶瓷驱动器、磁致伸缩式驱动器、电致伸缩驱动器、形状记忆合金驱动器等为代表的采用新型功能材料制作驱动元件的新式驱动器成为近年来取代传统电磁制动的重点研发方向[7-10]。

在各式新型驱动器中，压电陶瓷驱动器因精度高、响应快、效率高、可电磁兼容、稳定性高、结构紧凑、可与传感器等实现闭环控制等明显优势[11]，在振动控制、精密光学调整、超声加工、光纤对接、生物医药和纳米加工等领域得到广泛应用。其中基于逆压电效应和惯性位移原理的压电惯性电机更是凭借结构简单、能在较大行程输出的同时实现长距离微纳米级精度、易实现多自由度驱动等特点，成为高精度定位装置、医疗机械以及微型机器人等精密驱动领域的研发热点[12-13]。

黏滑模式压电惯性电机(stick-slip mode inertial piezoelectric motor)是兴起于20世纪80年代的压电电机研究分支，其理论和结构设计研究正处于不断丰富和完善阶段。本文中结合惯性压电电机的最新研究进展，论述黏滑模式惯性压电电机的基本原理和发展情况，并总结黏滑模式惯性压电电机下一步研究的部分要点。

1 基本工作原理

黏滑模式压电惯性电机利用逆压电效应和惯性位移原理，通过摩擦力作用将惯性位移产生的运动传递出去[14]。逆压电效应是指某些各向异性的晶体在外电场的作用下成比例地产生几何形变，形变也会随着外电场的撤除而消失的现象。图1所示的逆压电效应示意图表明,在逆压电效应中可通过控制施加的外电场实现工作所需的特定形变。

图1 逆压电效应示意图

黏滑模式(stick-slip mode)压电惯性电机的惯性位移不同于滑移模式(slip-slip mode)压电惯性电机，黏滑模式惯性位移是基于最大静摩擦力和滑动摩擦力的差异控制滑块的“粘”与“滑”不同状态来实现运动。而滑移模式采用不利用静摩擦力的方法，运动过程中没有“粘”状态，故滑移模式也称作“滑-滑”模式。黏滑模式惯性位移原理如图2所示。

图2 黏滑模式惯性位移原理示意图

当激励信号在从①到②阶段时，压电元件受到缓慢上升的电信号激励开始缓慢伸长，此时惯性质量块缓慢向右运动的同时产生向左的惯性冲击力，由于产生的惯性冲击力小于主质量块与摩擦界面产生的静摩擦力，物体保持原地不动，称为“粘”的过程。当电信号在从②到③阶段时，压电元件受到快速下降的电信号激励迅速缩短，压电元件迅速收缩拉回惯性质量块产生的惯性冲击力大于滑块与摩擦界面产生的摩擦力，此时主质量块开始滑动产生位移,称为“滑”的过程。重复以上运动周期即可实现物体的惯性黏滑运动。

2 信号控制式压电惯性电机

信号控制式压电惯性电机是较早提出的黏滑模式压电惯性电机种类，目前主要采用锯齿波信号等非对称波形信号驱动对称机械结构，形成往复方向大小不等的惯性冲击力在与双向对等的摩擦力综合作用下产生惯性位移[15]。采用信号控制的黏滑模式压电惯性电机从驱动信号入手，通过合适的驱动信号使压电惯性电机产生往复运动的不等惯性力，而静摩擦力大小介于两惯性力之间，完美实现黏滑过程，带动电机运动。信号控制式压电惯性电机原理简单、设计方便，但对驱动信号要求较高，需要满足一定的工作条件(见图3)。

图3 信号控制式压电惯性电机工作原理示意图

Pohl等[16]于1987年设计了采用惯性位移原理的用于纳米精密操作的压电定位平台，较早实现了逆压电效应与惯性位移的结合应用。Higuchi等[17]基于黏滑模式惯性位移，采用压电材料制作了一种惯性冲击压电电机，开启了黏滑模式压电惯性电机的设计阶段。Choi等[18]采用压电叠堆作为驱动元件的黏滑模式压电惯性电机，该方案适用于悬挂系统，可在特定条件下输出较大的力。Mazeika等[19]提出一款采用蝶形结构的新型直线惯性压电电机，发现了在特定的非对称激励信号类型和特定激发频率的条件下电机运转情况能得到优化的现象。Andrius 等[20]提出的旋转惯性压电电机方案是通过两相位差为π的锯齿信号激发第二种面内弯曲模式进行驱动，该设计方案结构扁平，适用于部分对空间和安装体积都有要求的工作情景。

国内对信号控制式压电惯性电机的研究相较于国外起步较晚，但近年来随着越来越多的研究团队加入也取得了不少成果。张宏壮等[21]提出一种端部带有较大质量块的悬臂式惯性冲击压电电机，可以实现平动和转动的2自由度运动。Cheng等[22]提出一种新型的双模式惯性压电电机设计方案，该方案由一定相位差的激励信号驱动两平行放置的压电元件实现平动和旋转的双模式输出。Pan等[23]从驱动信号出发提出一种激励信号由两路频率比为1：2的正弦信号叠加而成的惯性压电电机，可通过调整叠加信号的相位改变机构的运动方向。He等[24]提出了一种单相谐波驱动惯性压电驱动器，配合自动夹紧机构能够有效减少滑动摩擦，简化惯性电动机的驱动机构和电源控制。Zhang等[25]提出使用功率函数形状驱动信号激励以消除步进损耗的构想，实验结果验证了设想的可行性。Yu等[26]提出通过方向引导混合波激励解决传统黏滑模式低速问题，在不改变结构的前提下，通过方向引导混合波激励驱动的机构即使在输入电压不足原来1/10的情况下也可以达到原有1.5倍速度的效果。贺提喜等[27]立足我国自主大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(LAMOST)观测光纤扫描定位的需求，设计了一种运行平稳、分辨率精确的惯性电机。

3 摩擦控制式压电惯性电机

摩擦控制式压电惯性电机是针对信号控制式压电惯性电机电路转换较为复杂的情况做出的改进，对称信号的驱动电路和非对称信号驱动电路相比相对简单。摩擦控制式压电惯性电机不同于信号控制式压电惯性电机，其采用对称信号激励对称机械结构中的压电元件产生往复方向、大小相等的驱动力，通过改变往复运动方向上影响摩擦力的因素(如摩擦因数、正压力等)形成双向不等摩擦力，在对称惯性驱动力和非对称摩擦力综合作用下实现惯性位移[28]。

摩擦控制式压电惯性电机从摩擦力公式f=μ*N出发，摩擦控制式压电惯性电机以摩擦力公式f=μ*N为基础，通过特殊的工艺改变往复运动的摩擦因数，在往复方向形成不等的摩擦力，使电机的驱动力值介于两摩擦力值之间，实现黏滑运动。改变摩擦力可以分别从摩擦因数和正压力入手，其中摩擦因数μ主要由以下两部分组成，即μ=μ1+μ2(μ1为摩擦因数中机械作用分量，μ2为摩擦因数中的分子作用分量)。可以看出，摩擦控制式压电惯性电机可通过不同加工工艺或特殊机械结构使得往复运动方向的摩擦因数μ不同。变摩擦因数摩擦控制式压电惯性电机工作原理见图4。

图4 变摩擦因数摩擦控制式压电惯性电机工作原理示意图

另一方面，可从正压力入手[29]。正压力与摩擦力成正相关，当压电元件伸长、缩短的方向垂直于与主体的接触平面时，压电元件在对称电信号激励下伸长、缩短会改变正压力的大小，进而改变往复运动时的摩擦力。变正压力摩擦控制式压电惯性电机工作原理见图5。

图5 变正压力摩擦控制式压电惯性电机工作原理示意图

Furutani等[30]提出一种适用于液体环境的惯性压电电机，将主质量块换成可周期通/断电的电磁铁，通过控制通/断电情况改变正压力来控制摩擦力。同理， Peng等[31]设计了基于双摩擦传动原理的压电关系电机，通过压电陶瓷使电磁铁和永磁铁连接，能够有效实现双目标定位精度。 Navid 等[32]提出一种2自由度压电微位移机器人，其运动通过同时激发产生黏滑运动的垂直和水平振荡器来实现。Li等[33]设计了一种压电惯性电机，在与水平面呈一定角度的主体上布置压电元件，通过改变正压力的方法调节主体和支持面之间的摩擦力，最终在对称信号激励下实现定向运动。Deng等[34]提出一种使用弯曲-弯曲混合模式的惯性压电驱动器，驱动器压电元件可在水平和垂直方向上独立弯曲，水平弯曲用于推动滑块的移动，垂直弯曲用于快速改变法向力以调节移动过程中的摩擦力。Zhang等[35]设计了一种工作在非对称接触面的压电惯性压电电机，接触面采用化学蒸汽沉积和离子雕刻的方法形成不对称的纳米尖端，使驱动器不同位移方向上的摩擦因数不同，从制造工艺出发改变摩擦因数。李晓韬等[36]利用楔形摩擦足不同运动方向的摩擦因数不一的原理设计了一款新型变摩擦式惯性压电电机。Wen等[37]提出采用电磁铁控制磁流变液(MRF)进行摩擦控制的设计方案，可避免由于固体间摩擦接触导致磨损从而引起输出性能下降的现象。

4 结构控制式压电惯性电机

针对信号控制式、摩擦控制式压电惯性电机控制要求高、摩擦影响大的问题，有学者提出在对称信号和非对称结构作用下产生往复方向不等的驱动力，再与对称摩擦力综合作用形成惯性位移的结构控制式压电惯性电机。非对称机械结构惯性电机的非对称结构可以是非对称夹持[38]、非对称材料[39]亦可是非对称压电元件。

结构控制式压电惯性电机直接从结构设计入手，避免了较为复杂的电路控制和摩擦控制工作。选择非对称结构形式达成不对等的惯性驱动力，减轻压电惯性电机的设计负担，由非对称结构的电机产生不相等的惯性驱动力，该力与摩擦力的综合作用可实现黏滑运动。结构控制式压电惯性电机受迫振动的工况公式为m*d2x/dt2=F(t)-Kx-c*dx/dt，可知压电元件在受到电信号激励时，电机工作情况受等效输入简谐力、弹性恢复力和阻尼力影响[40]。非对称压电元件影响等效输入简谐力F(t)，阻尼c和夹持材料有关，则采用不同的夹持材料时可有不等阻尼力c*dx/dt，刚度K和夹持结构有关，弹性恢复力为Kx，当用非对称夹持时弹性恢复力Kx不等。以上非对称结构方法可单一控制，也可共同作用。

图6 结构控制式压电惯性电机工作原理示意图

Shen等[41]提出使用不对称材料夹紧块的压电惯性电机，不同夹持材料具有的不等弹性模量会使往复方向阻尼力不等，从而产生不等的惯性冲击力。实验结果表明，采用特定夹紧材料组合的压电惯性电机可具有更稳定的工作性能。Chen等[42]设计了一种具有偏置单元的非对称夹持惯性压电电机，不仅证明非对称夹持可实现压电电机黏滑模式惯性运动，还证明具有偏置单元的惯性压电电机相较于没有偏置单元的惯性压电电机的工作性能有明显提升。李晓韬等[43]设计了一款应用惯性冲击原理的非对称夹持式压电旋转驱动器，通过非对称夹持器的夹持差实现较稳定的单向转动。曾平等[44]结合已有非对称夹持压电惯性电机，通过采用对称波形、不同频率的电源激励信号来达到简单实现双向驱动的目的，并证明可通过特定频率的对称信号驱动非对称结构以有效实现双向驱动。为解决惯性黏滑模式运动过程中的回撤现象，Ding等[45]提出了2个不对称夹持双压电晶片同相工作的惯性压电旋转驱动器设计方案。Zhang等[46]提出使用单个压电双晶片振动器夹住非对称固定梁结构的设计思路，能在保持简单结构的同时保证较高的稳定性。为确保分辨率高、稳定性高且线性行程大，Hu等[47]提出了一种使用小型化压电双晶片压电振子的低频结构控制式压电惯性驱动器，通过特定制备工艺在实现小型化的同时提高了系统的输出性能。

5 结论与展望

近年来，黏滑模式压电惯性电机理论研究更加成熟，并逐渐走向实际应用。已有的黏滑模式压电惯性电机研究解决了不少设计和应用方面的难题，但回顾黏滑模式压电惯性电机技术的设计发展历程，仍有一些问题需要探讨和研究。信号控制式压电惯性电机原理最为简单，故而设计方便、易于实现，是设计和应用中最为广泛的选择，但其复杂的信号控制系统限制了信号控制式压电惯性电机的微型化和集成化。摩擦控制式压电惯性电机在驱动能力、承载能力以及运动准确性等方面性能优越，适合对这些工作性能有较高要求的实际应用场景。然而，对摩擦接触面情况和驱动器运动参数的较高要求会增加设计和制造难度。结构控制式压电惯性电机不仅简化了复杂的电路控制系统，而且降低了高精度摩擦控制要求，使结构控制式压电惯性电机设计和应用限制降低。但由于结构控制式压电惯性电机的非对称结构，其双向运动实现困难，无法满足对双向运动有要求的特定应用场景，因此，对于不同类型黏滑模式惯性压电电机的未来发展可从以下角度考虑：

1) 黏滑模式压电惯性电机(尤其是信号控制黏滑模式压电惯性电机)的工作性能与激励信号的波形和占空比等联系紧密，故尝试从激励信号出发提高黏滑模式压电惯性电机的工作性能有助于进一步扩大应用范围。闭环控制可有效提高电机精度，但对于一些因场景受限无法施加反馈调节、仍需保证工作精度和工作性能的情况，直接从控制信号入手改善因压电元件迟滞、蠕变等特性带来的不利影响是可行的。

2) 对于黏滑模式惯性压电电机，摩擦情况对于电机性能至关重要。从摩擦力控制角度可以探究预紧力、摩擦接触状态、摩擦材料、加工工艺等因素的影响效果，进而从摩擦方面优化黏滑模式惯性压电电机性能。

3) 对于结构控制式压电惯性电机，需要进一步发展和完善非对称结构设计理论，提高结构控制式压电惯性电机的性能。

4) 微纳米驱动领域的发展不但对提高惯性压电电机的精度提出要求，也要求其体积微型化。因此，驱动电源的集成一体化对黏滑模式压电惯性电机的精度提升和结构微型化具有意义。