本發(fā)明屬于壓電馬達驅(qū)動方式技術領域，具體涉及一種壓電馬達的多頻驅(qū)動方法。

背景技術：

壓電馬達具有不需潤滑、不需齒輪箱、結構緊湊、體積小、重量輕、真空兼容、無電磁干擾、微米甚至納米級控制精度等優(yōu)點，目前得到了廣泛的應用，是眾多科研院所、企業(yè)熱衷的研究對象，具有極大的科研、商業(yè)、航空航天和國防價值。

但是目前的壓電馬達通常需要較高的驅(qū)動電壓，進而導致危險性增大、能耗增大；需要高壓放大設備，反而增大了壓電馬達的體積和重量；高壓驅(qū)動信號對外界的電磁干擾增強，成為制約壓電馬達在航空航天等領域發(fā)展的因素。為此，有眾多科研小組提出了改進的方案，如文獻Rev. Sci. Instrum. 83, 093701 (2012)中提出的優(yōu)化驅(qū)動信號波形的方法，或者是如文獻Rev. Sci. Instrum. 79, 113707 (2008)提出的改變壓電馬達的驅(qū)動結構的方法。這些方法存在一定的改進，但是效果仍有待進一步提高。

為了進一步降低壓電馬達的驅(qū)動電壓、降低驅(qū)動設備的成本、體積、重量及提高集成度，在項目批準號為：11304082的國家自然科學基金“超快速掃描隧道顯微鏡的改進與應用”的支持下，本專利提出了一種壓電馬達的多頻驅(qū)動方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術問題是提供了一種壓電馬達的多頻驅(qū)動方法，該方法所用的驅(qū)動電壓相對較低且步進精度較高。

本發(fā)明為解決上述技術問題采用如下技術方案，壓電馬達的多頻驅(qū)動方法，包括壓電馬達，其特征在于：所述壓電馬達壓電片的兩個電極上分別加載有頻率不同的驅(qū)動信號。

進一步優(yōu)選，所述壓電馬達壓電片的兩個電極上加載有多路驅(qū)動信號，其中至少一路驅(qū)動信號的頻率與其它路驅(qū)動信號的頻率不同。

進一步優(yōu)選，所述壓電馬達壓電片的兩個電極上各加載有一路驅(qū)動信號，這兩路驅(qū)動信號的頻率不同且極性相反。

進一步優(yōu)選，所述壓電馬達壓電片的兩個電極上分別加載有30Hz+8V和20Hz-8V的驅(qū)動信號。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下有益效果：

1、本專利提出的多頻驅(qū)動方法具有顯著降低驅(qū)動電壓的效果，驅(qū)動電壓比現(xiàn)有的單頻驅(qū)動方法驅(qū)動電壓降低了三分之一；

2、同等驅(qū)動電壓下，本專利的多頻驅(qū)動方法具有更大的步進速度和更高的步進精度；

3、本專利能夠在更低的驅(qū)動電壓下工作，并且步進精度較高，進而可以降低高壓設備的運行費用，降低電磁干擾現(xiàn)象，并且減小設備的體積和重量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中20Hz+8V20Hz-8V單頻法驅(qū)動信號波形圖；

圖2是本發(fā)明中30Hz+8V20Hz-8V雙頻法驅(qū)動信號波形圖；

圖3是本發(fā)明中差頻法驅(qū)動信號原理分解圖。

具體實施方式

以下通過實施例對本發(fā)明的上述內(nèi)容做進一步詳細說明，但不應該將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實施例，凡基于本發(fā)明上述內(nèi)容實現(xiàn)的技術均屬于本發(fā)明的范圍。

這里以慣性壓電馬達為例進行說明、所用驅(qū)動信號以鋸齒波為例。壓電馬達的工作原理是利用壓電材料的逆壓電效應，驅(qū)動電壓信號使壓電材料產(chǎn)生形變并進而驅(qū)動對象移動。目前所用的驅(qū)動信號，無論是施加在壓電片的一個電極上，還是壓電片的兩個電極上，不管是鋸齒波還是梯形波，全部是單一頻率的驅(qū)動形式，稱這種方式為單頻式。

但是現(xiàn)有的這種單一頻率的驅(qū)動方式，所需要的驅(qū)動電壓較大。經(jīng)過對壓電馬達驅(qū)動原理的詳細分析和實際測量發(fā)現(xiàn)：兩個頻率不同、極性相反的鋸齒波更容易導致馬達行走。因為這兩路驅(qū)動信號的頻率有差別，所以將它簡稱為差頻驅(qū)動信號或者多頻驅(qū)動方式。

具體實施時需要注意的是：同一個壓電片上的兩個電壓信號的的頻率不同。

其原因分析如下：（1）利用疊加原理，施加在一個壓電片兩個電極上的兩路驅(qū)動信號的總效果，相當于分別只有一個驅(qū)動信號施加在該壓電片上的一個電極上、另一個電極接地，然后這兩個驅(qū)動信號的總效果疊加在一起，就是兩路不同頻率驅(qū)動信號的總效果。也就是說：當其中一路驅(qū)動信號作用時，把另一個驅(qū)動信號當作零電位來考慮即可。（2）該差頻或多法導致的結果是，同一個物體上被施加了多個不同頻次和幅度的作用力。對于相互壓接的兩個物體組成的系統(tǒng)來說，多個驅(qū)動頻率，能夠更好地找到克服接觸面靜摩擦力需要的頻率，進而更好地產(chǎn)生相對位移，使被驅(qū)動物體產(chǎn)生位移。（3）另一方面，因為馬達的驅(qū)動體與被驅(qū)動體之間是有摩擦的，摩擦面的結合方式?jīng)Q定了驅(qū)動的頻率和幅度，但是摩擦接觸面實際情況復雜微妙，因此，多個驅(qū)動頻率可以更容易地克服接觸面的靜摩擦力，進而產(chǎn)生位移。其中包含諧振、響應曲線、慣性力等多方面的因素。

實施例

從原理上來講，多個頻率也是可以的。但是在實際使用過程中，多個頻率的鋸齒波不易實現(xiàn)，用兩個頻率的鋸齒波，就可以具有很明顯的效果。將它簡稱為雙頻驅(qū)動方法，并且對雙頻驅(qū)動方法進行了測試，測試數(shù)據(jù)如下：

我們采用的壓電馬達是自制的、如文獻Rev. Sci. Instrum. 79, 113707 (2008)中所述原理的橫向步進壓電馬達。

現(xiàn)有技術的單頻法測試結果：

其驅(qū)動信號的波形如圖1所示。兩個驅(qū)動信號的頻率相同均為20Hz，幅度相等、但極性相反。它們共同顯示在一個窗口，形成閉合的平行四邊形圖形。

（1）首先用了兩個同為20Hz幅度分別為+10V和-10V的鋸齒波來驅(qū)動自制的橫向步進壓電馬達。+10V和-10V驅(qū)動電壓時，該壓電馬達可以較好地進退。

（2）當電壓降為+9V和-9V時，壓電馬達就只能驅(qū)動物塊前進而不能后退，前進的速度是2mm/3min，分析該原因可能是使用的導軌與上面滑動的物塊之間的雙向摩擦系數(shù)不同導致的。

（3）當電壓降為+8V和-8V時，馬達在10min的測試時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)不能前進、也不能后退。

隨后測試了本專利的雙頻驅(qū)動方法。

其驅(qū)動信號的波形如圖2所示。兩個驅(qū)動信號頻率不同、幅度相等、極性相反。它們共同顯示在一個窗口，形成像樹林里參差的大樹一樣的圖形。

（1）將+9V幅度的鋸齒波的頻率改為30Hz，即利用30Hz的+9V鋸齒波和20Hz的-9V鋸齒波驅(qū)動時，馬達雙向行走很順暢，進退的速度都可達到3mm/3min。即不僅可以雙向行走、而且速度變的更快。

（2）30Hz的+8V鋸齒波和20Hz的-8V鋸齒波雙頻驅(qū)動。此時，壓電馬達進、退行走依然很好，只是速度稍慢，變?yōu)榱?mm/3min。

（3）30Hz的+7V鋸齒波和20Hz的-7V鋸齒波雙頻驅(qū)動。此時，壓電馬達進、退行走依然很好，只是速度再一次變慢，變?yōu)榱?mm/5min。說明該方法步進能夠使馬達在更低的驅(qū)動電壓下良好工作、且控制精度提高了很多倍。

（4）30Hz的+6V鋸齒波和20Hz的-6V鋸齒波雙頻驅(qū)動。此時，壓電馬達前進的速度變?yōu)榱?mm/10min，更慢；而且在10min的測試時間內(nèi)也發(fā)現(xiàn)不能后退。

總結上述結果：（1）本專利提出的雙頻驅(qū)動方法具有顯著降低驅(qū)動電壓的效果，啟動電壓比現(xiàn)有的單頻驅(qū)動方法的啟動電壓降低了三分之一；（2）同等驅(qū)動電壓下，本專利的雙頻驅(qū)動方法具有更大的步進速度和更高的控制精度；（3）本專利能夠在更低的驅(qū)動電壓下工作，并且步進精度較高，進而可以降低高壓設備的費用，降低電磁干擾現(xiàn)象，減小設備的體積和重量。

需要注意的是：不同的馬達系統(tǒng)需要不同的多個驅(qū)動頻率，具體的頻率需要具體測試，本實施例中的結果僅保證能走本馬達中成功重復。

以上實施例描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點，本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明原理的范圍下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進均落入本發(fā)明保護的范圍內(nèi)。