外文翻譯原文和譯文-簡單緊湊的大步長線性壓電步進(jìn)電機(jī)

外文文獻(xiàn)翻譯譯稿1科學(xué)儀器評論80，085104(2009)簡單緊湊的大步長線性壓電步進(jìn)電機(jī)QiWang1andQingyouLu1,2,a)1合肥微物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗室，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽合肥230026，中華人民共和國2強(qiáng)磁場實(shí)驗室，中國科學(xué)院，安徽合肥230031，中華人民共和國的中國(2009.6.11接收；2009.7.16通過；2009.8.14網(wǎng)絡(luò)出版)我們提出一篇關(guān)于新型壓電步進(jìn)電機(jī)的文章，這種步進(jìn)電機(jī)具有高密度，剛性，簡單，和任意方向可操作性的特點(diǎn)。雖然測試在室溫下進(jìn)行，但是由于寬松的操作條件和大步長，該電機(jī)也能在低溫下工作。電機(jī)由一個壓電掃描器管來運(yùn)行，它的軸向幾乎被切成兩半，通過軸的彈簧部分夾持一個空心軸內(nèi)部兩端。雙驅(qū)動電壓僅使壓力管的兩部分在一個方向上變形，且能反向移動軸承以恢復(fù)原狀，反之亦然。?美國物理研究所[工業(yè)部:10.1063/1.3197381]簡介掃描探針顯微鏡（SPM）在一些有重要類型的原子甚至是亞原子研究的納米技術(shù)領(lǐng)域是一個功能強(qiáng)大的工具。顯微鏡的一個關(guān)鍵組成部分，就是它那個能在納米范圍內(nèi)粗略接近被測物的末端或者樣品的定位器，這多半需要一個壓電步進(jìn)電機(jī)。1-11壓電電動機(jī)在其他領(lǐng)域也有重要應(yīng)用，例如顯微鏡在現(xiàn)代光學(xué)12，細(xì)胞或者DNA控制中的定位13。到現(xiàn)在為止，在尺蠖3,14-19、甲蟲類生物5-7,10,20-22、剪切壓電步進(jìn)電機(jī)2,8,9,11,23,24，慣性滑塊4,25-28等文獻(xiàn)中找到了各種各樣的壓電電動機(jī)。然而，他們都有著嚴(yán)重的缺點(diǎn)。對于前三種而言，每一種都需要三個或者更多的電壓驅(qū)動才能被操作，這使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制都變得太過復(fù)雜。在小領(lǐng)域（極端環(huán)境條件）或者微信號測量等方面，他們的可靠性和應(yīng)用程度成為了一個很大的問題。慣性滑塊雖然簡單，但是特性不夠硬（容易產(chǎn)生振動，從而降低了原子圖像的品質(zhì)），并且無法產(chǎn)生足夠的推動力。在這片文章中，我們闡述了一個不具有以上限制的壓電電動機(jī)。電機(jī)由一個壓電掃描器管（PST）來運(yùn)行，它的軸向幾乎被切成兩半，通過軸上的彈簧部分夾持一個空心管（HS）內(nèi)部兩端。雙驅(qū)動電壓僅使壓力管的兩部分在一個方向上變形，且能反向移動軸承以恢復(fù)原狀，反之亦然。其緊湊，簡單，剛度，和大步長的特性使其在小空間（極端條件下）和低溫應(yīng)用中非常有用。a)作者的聯(lián)系方式如下。電話：86-551-360-0247。電子郵箱：qxl@。設(shè)計原理圖1為我們設(shè)計的原理圖。圖2為實(shí)物圖。兩個1.5mm厚的藍(lán)色環(huán)粘（采用了來自環(huán)氧樹脂技術(shù)的環(huán)氧樹脂）在了7.9mm內(nèi)徑、10.2mm外徑的壓電掃描管（壓電掃描管物理模型130.24，長30mm，外徑10mm，壁厚0.5mm，有±200V的最大工作電壓）的整個外環(huán)邊緣處。在壓電掃描管的外徑藍(lán)色環(huán)上切兩個相對的切口，長度從一段的藍(lán)色環(huán)到另一端的藍(lán)色環(huán)，總長大概占到整個壓電掃描管的92%的長度。為被切到的藍(lán)色環(huán)是粘在基環(huán)上的，另外一個藍(lán)色環(huán)被切成了兩半，它被稱作半夾持環(huán)（夾持一個可轉(zhuǎn)動的空心管）。沒對沒有被切割的相鄰電極用導(dǎo)線連在了一起，形成兩個半圓柱形電極，任意一個稱為電極1（E1），為了方便，把另一個稱為電極2（E2）。由E1和E2控制的壓電掃描管的兩部分分別簡稱為P1，P2。電機(jī)可移動部分是一個鈦合金空心管，它被插入到壓電掃描管的內(nèi)部，如圖1（a）所示。我們還研究過圓形和方形的空心管，如圖1（b）所示。對于圓形空心管而言（長45mm，內(nèi)徑5.8mm，外徑7.8mm，穿過藍(lán)色環(huán)到達(dá)壓電掃描管的邊緣并形成一個0.05mm的間隙），導(dǎo)線從與他垂直的平面的一段管過軸到另一端。兩個切割線不會穿過整個空心管，會在每端留下0.8mm的未切割部分?？招墓芮谐糠值哪菍障冻环较虼蜷_，并且和壓電掃描管上分布的縫隙是同一方向。一個彈性很強(qiáng)的彈簧被牢固的固定在空心管的一端，推動空心管的打開，分別對夾持的半環(huán)施加N1和N2的推力，同時空心管另一端一個較弱的壓縮彈簧讓空心管給基換施加一個總的壓力Nbr。N1，N2和Nbr在上述較強(qiáng)和較弱的壓縮彈簧上能大致平衡。因此，只要兩者的摩擦系數(shù)相等，那么施加在空心管的最大靜摩擦力會因為這三個壓力的大致相等而抵消（方向可能與下面討論的相反）。圖1（a）我們的壓電電機(jī)的結(jié)構(gòu)（b）兩種空心管的研究這種在壓電掃描管和空心管兩段互相夾持的結(jié)構(gòu)有一個很大的好處，就是這種結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定（耐振動噪聲），能在任意方向上安裝。同時也應(yīng)注意到，這種夾持結(jié)構(gòu)是靈活的（大范圍的力），這表明較大的溫度變化不會引起夾持力顯著的變化，且這三個最大靜摩擦力任然可以保持平衡。為了能控制電機(jī)，圖3（a）所示的兩個驅(qū)動電壓D1和D2分別適用于壓電掃描管的電極E1和E2（內(nèi)部電極電壓定為-200V），這能試相對的半圓形螺線管P1和P2變形，如下圖所示。在第一個1/6周期（T1）內(nèi)，P1和P2初始化狀態(tài)。在T2內(nèi)，P1保持不變，P2收縮。這會導(dǎo)致P2和空心管的自由端的電壓下降，而不是基環(huán)和空心環(huán)指間電壓的下滑，因為P2到空心管的最大靜摩擦力小于fr2小于P1到空心管與基環(huán)到空心管的最大靜摩擦力之和，fr1+frbr（假設(shè)這些摩擦力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于P1和P2的阻力Fbl1和Fbl2）。下一時間段，T3，P1和P2保持在之前的狀態(tài)。這種純粹的“等待”是為下一步的同步做好準(zhǔn)備，這不是必須的，可以去掉來節(jié)省時間。在T4時間內(nèi)，P1收縮，P2保持不變。這會導(dǎo)致P1和空心管的自由端電壓下降（與T2時間的動作原因一樣）。到現(xiàn)在為止，P1和P2都已經(jīng)在基于基礎(chǔ)環(huán)，沒有移動空心管的情況下從擴(kuò)張的狀態(tài)變到收縮的狀態(tài)。T5是另外一個等待時間，它也是可以去掉的。在最后一個1/6周期（T6）內(nèi)，P1和P2同時擴(kuò)張。這次僅在基礎(chǔ)環(huán)和空心環(huán)之間的電壓發(fā)生了下滑，因為frbr<fr1+fr2，這意味著P1和P2同時拖動著空心管從基環(huán)擴(kuò)張的方向上移動了一步。最后，P1和P2回到最初狀態(tài)，空心環(huán)移動了一步。空心環(huán)也可以使用如圖3（b）所示的驅(qū)動電壓在相反的方向上移動，原理是類似的。除了上述討論的原型空心管，我們也嘗試了方形空心管（42mm長，5.6mm圖2壓電電機(jī)的實(shí)物圖寬，壁厚0.7mm），它的壁從一段到另一端進(jìn)行了線切割（切割長度35mm），與另一個切割線互相平行，組成了一個蛇形的結(jié)構(gòu)，如圖1（b）所示。切割平面之間的距離是0.8mm。這種設(shè)計比圓形的設(shè)計相對以下方面要好：（1）空心管在藍(lán)環(huán)上的滑落就想溜冰鞋在冰上的滑行，允許更大的壓力（更線性）卻又不會有更多的阻力；（2）阻力值更精確，更穩(wěn)定；（3）只需要一個壓力彈簧，它在方形空心管的位置能滿足最佳的工作條件fr1≈fr2≈frbr；（4）方形空心管和藍(lán)色環(huán)指間的最小空隙容易調(diào)整扭曲（較小的空隙容易形成較大的運(yùn)行距離）。圖3（a）趨勢空心管朝壓電掃描管方向擴(kuò)張的兩個驅(qū)動電壓（b）趨勢空心管朝壓電掃描管相反方向擴(kuò)張的兩個驅(qū)動電壓顯然的，夾持力N1，N2和Nbr在空心管運(yùn)動時不是一直存在的，因此需要限制它的運(yùn)動范圍。方形空心管的運(yùn)動范圍可以從下述方式獲得。在圖4中，彈簧產(chǎn)生的理Fs，LB和LC分別代表從彈簧到基環(huán)，從彈簧到半圓形夾持環(huán)的距離，由杠桿原理可知：LB·Fs=(N1+N2)·(LC+LB),LC·Fs=Nbr·(LC+LB)。因為N1≈N2，我們要求N1+N2>Nbr以使空心管運(yùn)動，這就意味著LB>LC這個條件應(yīng)該滿足。因為如果LC=0，空心管不能運(yùn)動，那么運(yùn)動范圍最終由0<LC<LB決定。在我們的設(shè)計中，LC+LB≈30mm（壓電掃描管的長度），我們期望方形空心管的最大位移小于15mm。如果夾持彈簧鏈接到藍(lán)色環(huán)（不是空心管），移動范圍上的這個問題的限制任然是可以解決的。圖4圖示可得運(yùn)動范圍大小性能測試我們在室溫下，在移動方向（向上移動和向下移動）的極端條件下測試了電機(jī)的運(yùn)行情況，包括它的步長，速度，工作頻率[分別如圖5（a）的原型空心管和圖6（a）的方形空心管]，工作電壓[分別如圖5（b）的原型空心管和圖6（b）的方形空心管]。圓形空心管的壓力值設(shè)為N1≈N2≈Nbr≈0.22N，這個值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于驅(qū)動壓電P1和P2的阻力值（Fbl1～Fbl2～2N）。最大步長是12.9μm，測試條件是：0.3Hz向下滑的驅(qū)動頻率帶動的圓形空心管。當(dāng)移動方向變?yōu)橄蛏系臅r候，步長因為重力變?yōu)?1.7μm。如果是方形空心管，向下的步長和向上的步長分別是8.9μm和8.2μm，這個值更為合適，因為他的切割邊緣與藍(lán)色環(huán)相接。所有這些步長值都比其他類似大小的壓電電機(jī)9,11,23的步長要大。電機(jī)的轉(zhuǎn)速當(dāng)然和驅(qū)動頻率很接近。我們設(shè)置的最大驅(qū)動頻率是50Hz，圓形空心管（向上運(yùn)行對向下運(yùn)行）和方形空心管（向上運(yùn)行對向下運(yùn)行）的轉(zhuǎn)速分別是（22.27對24.62）（19.44對19.8）mm/min。當(dāng)驅(qū)動頻率上升或者工作電壓值下降的時候，步長的下降情況如圖5和圖6所示。雖然我們從圓形空心管中獲得了較大的步長，但是我們更傾向于使用方形空心管，因為它的優(yōu)點(diǎn)限制更少。例如，方形空心管的運(yùn)行范圍是9mm（理論上），而圓形空心管的運(yùn)行范圍是3.3mm（比方形的在理論上少了6.6mm）。方形空心管電機(jī)的運(yùn)行曲線如圖6所示，比圓形空心管電機(jī)的曲線更平滑更穩(wěn)定。雖然測試是在室溫條件下進(jìn)行的，但是電機(jī)在固化氮的溫度下工作也有很大潛力，原因有兩個：大步長的特性可以應(yīng)對熱量下降帶來的問題，保持運(yùn)行的穩(wěn)定；（2）它的彈簧夾持結(jié)構(gòu)可以讓壓力彈簧（～5mm長，勁度系數(shù)大約是286N/m）在從室溫到固化氮的很大的溫度范圍變化下僅有微米級的下滑，確保必要的摩擦力關(guān)系的成立，|fr1|≈|fr2|≈|frbr|,這種變化對于空心管和藍(lán)色環(huán)之間的壓力值的影響可以忽略不計。圖5用圓形空心管測試的電機(jī)步長（左側(cè)垂直軸）和速度（右側(cè)垂直軸）（a）頻率（最大工作電壓=±200V）（b）最大工作電壓（頻率=20Hz）方形空心管可以承受磨損和撕裂的問題，因為它的四個邊緣可以被藍(lán)色環(huán)固定。為了測試它的耐久度，我們在±200V和50Hz的驅(qū)動電壓下超過一千次的3mm的替換條件下操作電機(jī)，電機(jī)任然能正常工作。磨損不嚴(yán)重。當(dāng)然，空心管外部可以加上耐磨金屬材料進(jìn)行更好的保護(hù)（如果需要的話）。圖6用圓形空心管測試的電機(jī)步長（左側(cè)垂直軸）和速度（右側(cè)垂直軸）（a）頻率（最大工作電壓=±200V）（b）最大工作電壓（頻率=20Hz）結(jié)束語我們呈現(xiàn)了一個強(qiáng)大的線性壓電電動機(jī)，它擁有其他壓電電動機(jī)不能同時具有的幾個重要特性，包括：大步長，小尺寸，剛性，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，溫度范圍大，易形成不精確的加工公差等。耐久度測試結(jié)果非常好。在建設(shè)一個現(xiàn)代化的掃描探針顯微鏡中，所有這些性能都是非常需要的。致謝這項工程得到了中國國家自然科學(xué)基金10627403號，中國國家強(qiáng)磁場設(shè)施計劃和中國科學(xué)院自然科學(xué)基金YZ200846的資助。參考文獻(xiàn)1B.J.Albers,M.Liebmann,T.C.Schwendemann,M.Z.Baykara,M.Heyde,M.Salmeron,E.I.Altman,andU.D.Schwarz,Rev.Sci.Instrum.79,033704(2008).2Chr.Wittneven,R.Dombrowski,S.H.Pan,andR.Wiesendanger,Rev.Sci.Instrum.68,3806(1997).3R.A.Wolkow,Rev.Sci.Instrum.63,4049(1992).4Y.Hou,J.Wang,andQ.Lu,Rev.Sci.Instrum.79,1137(2008).5T.H.Chang,C.H.Yang,M.J.Yang,andJ.B.Dottellis,Rev.Sci.Instrum.72,2989(2001).6J.H.Ferris,J.G.Kushmerick,J.A.Johnson,M.G.YoshikawaYoungquist,R.B.Kessinger,H.F.Kingsbury,andP.S.Weisse,Rev.Sci.Instrum.69,2691(1998).7N.Pertaya,K.-F.Braun,andK.-H.Rieder,Rev.Sci.Instrum.75,2608(2004).8T.Hanaguri,J.Phys.:Conf.Ser.51,514(2006).9S.H.Pan,E.W.Hudson,andJ.C.Davis,Rev.Sci.Instrum.70,1459(1999).10L.A.Silva,Rev.Sci.Instrum.68,1300(1997).11A.K.GuptaandK.-W.Ng,Rev.Sci.Instrum.72,3552(2001).12J.Lee,J.Chae,C.K.Kim,H.Kim,S.Oh,andY.Kuk,Rev.Sci.Instrum.76,093701(2005).13J.Kusch,A.Meyer,M.P.Snyder,andY.Barral,GenesDev.16,1627(2002).14BurleighInstruments,Inc.,U.S.PatentNo.3,902,084(1975).15P.E.TenzerandR.BenMrad,IEEE/ASMETrans.Mechatron.9,427(2004).16J.Frank,G.H.Koopmann,W.Chen,andG.A.Lesieutre,Proc.SPIE3668,717(1999).17J.NiandZ.Zhu,IEEE/ASMETrans.Mechatron.5,44(2000).18K.DuongandE.Garcia,Proc.SPIE2443,782(1995).19J.E.MiesnerandJ.P.Teter,Proc.SPIE2190,520(1994).20B.Koc,S.Cagatay,andK.Uchino,IEEETrans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control49,495(2002).21M.BexellandS.Johansson,Sens.Actuators,A75,118(1999).22J.Frohn,J.F.Wolf,K.Besocke,andM.Teske,Rev.Sci.Instrum.60,1200(1989).23M.H.Arafa,O.J.Aldraihem,andA.M.Baz,IEEEProceedingsoftheFifthInternationalSymposiumonMechatronicsandItsApplications,2008(unpublished),pp.1–5.24S.H.Pan,InternationalPatentPublicationNo.WO93/19494(1993).25R.Yoshida,Y.Okamoto,andH.Okada,J.Jpn.Soc.Precision.Eng.68,536(2002).26W.Zesch,R.Buchi,A.Codourey,andR.Siegwart,Proc.SPIE2593,80(1995).27D.-S.Paik,K.-H.Yoo,C.-Y.Kang,B.-H.Cho,S.Nam,andS.-J.Yoon,J.Electroceram.22,346(2009).28L.Howald,H.Rudin,andH.-J.Gijntherodt,Rev.Sci.Instrum.63,3909(1992)外文文獻(xiàn)翻譯原文1REVIEWOFSCIENTIFICINSTRUMENTS80,0851042009Asimple,compact,andrigidpiezoelectricstepmotorwithlargestepsizeQiWang1andQingyouLu1,2,a1HefeiNationalLaboratoryforPhysicalSciencesatMicroscale,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei,Anhui230026,People’sRepublicofChina2HighMagneticFieldLaboratory,ChineseAcademyofSciences,Hefei,Anhui230031,People’sRepublicofChinaReceived11June2009;accepted16July2009;publishedonline14August2009Wepresentanovelpiezoelectricsteppermotorfeaturinghighcompactness,rigidity,simplicity,andanydirectionoperability.Althoughtestedinroomtemperature,itisbelievedtoworkinlowtemperatures,owingtoitslooseoperationconditionsandlargestepsize.Themotorisimplementedwithapiezoelectricscannertubethatisaxiallycutintoalmosttwohalvesandclampholdsahollowshaftinsideatbothendsviathespringpartsoftheshaft.Twodrivingvoltagesthatsinglydeformthetwohalvesofthepiezotubeinonedirectionandrecoversimultaneouslywillmovetheshaftintheoppositedirection,andviceversa.?2009AmericanInstituteofPhysics.DOI:10.1063/1.3197381I.INTRODUCTIONThescanningprobemicroscope(SPM)isapowerfultoolinthe?eldofnanotechnologywithsomeimportanttypeshavingatomicorevensubatomicresolutions.OnekeycomponentofanSPMisitscoarseapproachpositionerwhichbringsthetipandsampleascloseasinnanometerrangeandismanytimesapiezoelectricmotor.1–11Thepiezo-motorhasneverthelessotherimportantapplicationssuchasmirrorpositioninginmodernoptics12andcellorDNAmanipulations.13Uptonow,therearemanykindsofpiezomotorsfoundinliteraturesincludingInchworm,3,14–19beetletype,5–7,10,20–22shearpiezostepper,2,8,9,11,23,24andinertialslider,4,25–28etc.However,theyallhaveseveredrawbacks.Forthe?rstthreetypes,eachneedsthreeormorepiezoelectricactuatorstooperate,whichistoocomplicatedinbothstructureandcontrol.Theirreliabilityandapplicationsinsmallspace(extremeconditionenvironments)andweaksignalmeasurementsallbecomesevereissues.Inertialsliderisrathersimple,butnotveryrigid(pronetovibration,thusdowngradingthequalityofatomicimages)andunabletoproduceenoughpushingforce.Inthispaper,wedemonstrateapiezoelectricmotorthatdoesnothavetheabovelimitations.Itisimplementedbyasinglepiezoelectricscannertube(PST)thatisaxiallyanddeeplycutintoalmosttwohalvesandgripsahollowshaft(HS)insidefrombothendsbythespringpartsoftheHS.TwodrivingvoltagesthatseparatelydeformthetwohalvesofthePSTinonedirectionandconcurrentlyrecoverwillmovetheHSonestepintheoppositedirection,andviceversa.Itscompactness,simplicity,rigidity,andlargestepsizemakeitparticularlyusefulinsmallspace(extremeconditions)andlowtemperatureapplications.II.DESIGNANDPRINCIPLEFigure1showstheschematicofourdesign.AphotooftheactualsetupisgiveninFig.2.Twosapphireringsof1.5mmthickby7.9and10.2mminnerversusouterdiametersareglued(withH74FepoxyfromEpoxyTechnology)ontotheendsofafour-quadrantPST(modelPT130.24ofPhysikInstrumente,30mmlongby10mmouterdiameterby0.5mmwallthicknesswith±200Vmaximumoperatingvoltages),respectively.Acut(withdiamondsaw)throughtwooppositeboundariesofthequadrantsismadefromthesapphireringatoneendofthePSTintoabout92%ofthetubelengthtowardtheotherend.Theuncutsapphireringisthebasering,whereastheotheriscutintotwosemiringswhicharecalledclampingsemirings(willclampholdamobileHS).Eachpairoftheneighboringelectrodeswithnocutinbetweeniswiredtogether,resultingintwosemicylindricalelectrodes,oneisarbitrarilycalledthe?rstelectrode(E1)forconvenienceandtheother,thesecondelectrode(E2).ThetwohalvesofthePSTthatE1andE2controlareabbreviatedasP1andP2,respectively.ThemovingpartofthemotorisatitaniumHSthatisinsertedintothePSTasshowninFig.1(a).WehavestudiedacircularandasquareHSasillustratedinFig.1(b).Forthecircularone(length=45mm,innerdiameter=5.8mm,andouterdiameter=7.8mmwhichcanpassthroughthesapphireringsatthePSTendswithasmallgapof0.05mm),awirecutthroughtheaxisismadefromeachendtowardtheotherendwiththecuttingplanesperpendiculartoeachother.ThetwocutsdonotgothroughtheentireHSandasmalllengthof0.8mmremainsuncutateachend.ThepairoftheHScutslitshavingtheopeningtowardthesamedirectionasthatofthePSTslitsisarrangedinthesameplanewiththePSTslits.AstrongercompressionspringissecuredintheHSatoneend,pushingtheHStoopenwiderandpressagainsttheclampingsemiringswithforcesN1andN2,respectively,whereasaweakercompressionspringintheHSattheotherendpressestheHSonthebaseringwithatotalpressingforceNbr.ThethreepressingforcesN1,N2,andNbraresetroughlyequalbytheabovestrongerandweakercompressionsprings.Accordingly,themaximumstaticfrictionforcesontheHSduetothesethreepressingforcesareapproximatelyequalinvalue(directionsmaybeoppositeasdiscussedbelow)ifequalfrictioncoef?cientsareassumed.FIG.1.(a)Thestructureofourpiezomotor;(b)twokindsofhollowshaftsstudied.OnebigadvantageofthismutualclampingbetweenthePSTandHSatbothendsisthatthisstructureisvery?rm(resistanttovibrationnoise)andcanbeinstalledinanydirection.Alsonotethattheclampingiselastic(longrangeforces),implyingthatlargetemperaturevariationswillnotchangetheclampingforcessigni?cantlyandthethreemaximumstaticfrictionsremainsequalinvalue.Tooperatethemotor,twodrivingvoltagesD1andD2ofFig.3(a)typeareappliedtotheelectrodesE1andE2ofthePST,respectively(theinnerelectrodevoltageis?xedat-200V),whichwilldeformthecorrespondingsemitubularactuatorsP1andP2asfollows.P1andP2areinitializedtoexpansionstatesduringthe?rst1/6period(T1).InT2,P2shrinkswhileP1staysunchanged.ThisresultsinaslidingbetweenthefreeendofP2andHSratherthanaslidingbetweenthebaseringandHS,becausetheP2-to-HSmaximumstaticfrictionfr2issmallerthanthesumoftheP1-to-HSandbasering-to-HSmaximumstaticfrictions,fr1+frbr(assumingthesefrictionsaremuchsmallerthantheblockingforcesFbl1andFbl2ofP1andP2).Next,inT3,P1andP2bothstayinthepreviousstate.Thispurely“wait”stateisapreparationforgoodsynchronyinthenextaction,whichisnotnecessaryandcanbedroppedtosavetime.InT4,P1shrinkswhileP2staysunchanged.ThisinducesaslidingbetweenthefreeendofP1andHS(ythesimilarreasontotheT2action).Uptonow,bothP1andP2havechangedthestatesfromexpansiontocontractionwithoutmovingtheHSwithreferencetothebasering.T5isanotherwaitwhichisagaindiscardable.Inthelast1/6period(T6),P1andP2bothexpandsimultaneously.Thistime,theslidinghappensonlybetweenthebaseringandHSbecausefrbr<fr1+fr2,meaningthatP1andP2togetherdragtheHStomoveonestepintheexpansiondirectionfromthebasering.FIG.2.Thephotoofourpiezoelectricmotor.Finally,P1andP2returntotheinitialstatesandtheHShasmovedonestep.Thissequencecanberepeatedtoachievealargetravelrange.TheHScanalsomoveintheoppositedirectionusingthedrivingvoltagegiveninFig.3(b)andtheprincipleisverysimilar.FIG.3.(a)ThetwodrivingvoltageswhichmovetheHSintheexpansiondirectionofthePST.(b)ThetwodrivingvoltageswhichmovetheHSinthecontractiondirectionofthePST.ApartfromthecircularHSdescribedabove,wehavealsotriedasquareHS(42mmlongby5.6mmwide,wallthicknessis0.7mm),whichiswirecutfromeachendtotheotherend(cuttinglength=35mm)withthecuttingplanesparalleltoeachother,formingaserpentinestructureasexhibitedinFig.1(b).Thedistancebetweenthecuttingplanesis0.8mm.Thisdesignisbetterthanitscircularcounterpartinthefollowingaspects:(1)theslidingoftheHSonthesapphireringsislikeiceskatingshoesslidingonice,allowingbiggerpressingforcesmorerigidwithoutincreasingthefrictions;(2)thefrictionsarebetterde?nedandmorestable;(3)onlyonecompressionspringisneeded,whosepositioninthesquareHScanbeadjustedtomeettheoptimalworkingconditionoffr1≈fr2≈frbr;(4)thesmallestgapbetweenthesquareHSandthesapphireringsiseasiertotweakbygrinding(smallergapwillleadtoalargertravelrange).FIG.4.Theschematicdiagramforderivingtherangeofmotion.Apparently,theclampingforcesN1,N2,andNbrdonotremainconstantwhentheHSmoves,thuslimitingitsrangeofmotion.TherangeofmotionforthesquareHScanbederivedasfollows.ReferringtoFig.4inwhichFSistheforceproducedbythespringandLBandLCstandforthedistancesfromthespringtothebaseringandtotheclampingsemirings,respectively,theleverlawleadsto:LB·FS=(N1+N2)·(LC+LB)andLC·FS=Nbr·(LC+LB).BecauseN1=N2andweneedN1+N2>NbrfortheHStowalk,thismeansthatLB>LCshouldbesatis?ed.SincetheHScannotmoveifLC=0,therangeofmotionis?nallydeterminedby0<LC<LB.Inourdesign,LC+LB≈30mm(thelengthofthePST),weexpectthatmaximumdisplacementofthesquareHSislessthan15mm.Thisissueoflimitationontherangeofmotioncanneverthelessbesolvediftheclampingspringsareattachedtothesapphirerings(nottotheHS).III.PERFORMANCETESTWehavetestedtheroomtemperatureperformanceofthemotorintwoextremecasesofmovingdirections(upwardanddownward)bymeasuringitsstepsizeandspeedasfunctionsofthefrequency[Figs.5(a)and6(a)forcircularandsquareHS,respectively]andoperatingvoltage[Figs.5(b)and6(b)forcircularandsquareHS,respectively].ThepressingforcesweresettoN1≈N2≈Nbr≈0.22NforcircularHSwhicharemuchsmallerthantheblockingforces(Fbl1～Fbl2～2N)ofthedrivingpiezo-P1andP2.Themaximumstepsizeis12.9mwiththemeasurementconditionsbeing:circularHS,downwardsteppingwith0.3Hzdrivingfrequency.Whenthemovingdirectionischangedtoupward,thestepsizebecomes11.7mduetogravity.IncaseofsquareHS,thedownwardandupwardstepsizesare8.9and8.2m,respectively,whichismoreuniformbecauseofitsknifeedgecontactswiththesapphirerings.Allthesestepsizesareratherlargecomparedwithothertypesofpiezoelectricmotors9,11,23withthesimilarsize.Thespeedofmotionisofcoursecloselyrelatedtothedrivingfrequency.Themaximumdrivingfrequencywesetwas50Hz,atwhichthespeedsforthecircular(upwardversusdownward)andsquare(upwardversusdownward)HSwere:(22.27versus24.62)and(19.44versus19.98)mm/min.Whenthedrivingfrequencyincreasesorifthemagnitudeoftheoperatingvoltagedrops,thestepsizediminishesasseeninFigs.5and6.AlthoughwegetlargerstepsizefromcircularHS,westillpreferthesquareHSowingtoitsadvantageslistedearlier.Forinstance,thetravelrangeusingthesquareHSis9mm(asdesigned)comparedwith3.3mmforthecircularHS(worsethanthedesigned6.6mmtravelrange).TheperformancecurvesofthesquareHSmotorseeninFig.6arealsosmootherandmoreconsistentthanthose(Fig.5)ofthecircularHSmotor.FIG.5.Thestepsize(leftverticalaxis)ndspeed(rightverticalaxisofthemotorusingthecircularHSasfunctionsof(a)frequency(maximumoperatingvoltage=±200V)and(b)maximumoperatingvoltage(frequency=20Hz).Althoughtestedinroomtemperature,themotorhashighpotentialtoworkinliquidheliumtemperaturefortworeasons:(1)itslargestepsizecanaffordtopayforthethermalcontractionstillwithremarkablestepsizeremainingtoproduceamove;(2)itsspringclampingstructurevalidatestherequiredfrictionrelationship,|fr1|≈|fr2|≈|frbr|,inaverywidetemperaturerangesinceachangefromroomtemperaturetoliquidheliumonlyshrinksthecompressionsprings(～5mmlong,springconstantisabout286N/m)bymicronswhichdonotconsiderablyaffectthepressingforcesbetweentheHSandthesapphirerings.ThesquareHSmaysufferwearandtearissuesasitsfouredgescouldbescratchedbythesapphirerings.Totestitsdurability,weoperatedthemotorrepeatedlywith±200Vand50Hzdrivingvoltagesformorethanonethousandtimeswithadisplacementabout3mmandthemotorstillworkedwell.Thewearwasnotsevere.Ofcourse,theHScanbecoatedwithwearresistantmaterialsforbetterprotectionifnecessary.FIG.6.Thestepsize(leftverticalaxis)ndspeed(rightverticalaxisofthemotorusingthecircularHSasfunctionsof(a)frequency(maximumoperatingvoltage=±200V)and(b)maximumoperatingvoltage(frequency=20Hz).IV.CONCLUSIONWehavepresentedapowerfullinearpiezoelectricmotorthatownsseveralimportantfeaturesnotsimultaneouslyownedbyotherpiezomotors,including:largestepsize,smallsize,veryrigid,simpleinstructureandoperation,verylargetemperaturerange,easytomakeandloosemachiningtolerance,etc.Itsdurabilityhasalsobeentested,whichisrathergood.AllthesearehighlydesiredintheconstructionofamodernSPM.ACKNOWLEDGMENTSThisworkwassupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChinaunderGrantNo.10627403,theprojectofChinesenationalhighmagnetic?eldfacilities,andScienceFoundationofTheChineseAcademyofSciencesunderGrantNo.YZ200846.ReferenceDocumentation1B.J.Albers,M.Liebmann,T.C.Schwendemann,M.Z.Baykara,M.Heyde,M.Salmeron,E.I.Altman,andU.D.Schwarz,Rev.Sci.Instrum.79,0337042008.2Chr.Wittneven,R.Dombrowski,S.H.Pan,andR.Wiesendanger,Rev.Sci.Instrum.68,38061997.3R.A.Wolkow,Rev.Sci.Instrum.63,40491992.4Y.Hou,J.Wang,andQ.Lu,Rev.Sci.Instrum.79,1137072008.5T.H.Chang,C.H.Yang,M.J.Yang,andJ.B.Dottellis,Rev.Sci.Instrum.72,29892001.6J.H.Ferris,J.G.Kushmerick,J.A.Johnson,M.G.YoshikawaYoungquist,R.B.Kessinger,H.F.Kingsbury,andP.S.Weisse,Rev.Sci.Instrum.69,26911998.7N.Pertaya,K.-F.Braun,andK.-H.Rieder,Rev.Sci.Instrum.75,26082004.8T.Hanaguri,J.Phys.:Conf.Ser.51,5142006.9S.H.Pan,E.W.Hudson,andJ.C.Davis,Rev.Sci.Instrum.70,14591999.10L.A.Silva,Rev.Sci.Instrum.68,13001997.11A.K.GuptaandK.-W.Ng,Rev.Sci.Instrum.72,35522001.12J.Lee,J.Chae,C.K.Kim,H.Kim,S.Oh,andY.Kuk,Rev.Sci.Instrum.76,0937012005.13J.Kusch,A.Meyer,M.P.Snyder,andY.Barral,GenesDev.16,16272002.14BurleighInstruments,Inc.,U.S.PatentNo.3,902,0841975.15P.E.TenzerandR.BenMrad,IEEE/ASMETrans.Mechatron.9,4272004.16J.Frank,G.H.Koopmann,W.Chen,andG.A.Lesieutre,Proc.SPIE3668,7171999.17J.NiandZ.Zhu,IEEE/ASMETrans.Mechatron.5,4412000.18K.DuongandE.Garcia,Proc.SPIE2443,7821995.19J.E.MiesnerandJ.P.Teter,Proc.SPIE2190,5201994.20B.Koc,S.Cagatay,andK.Uchino,IEEETrans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control49,4952002.21M.BexellandS.Johansson,Sens.Actuators,A75,1181999.22J.Frohn,J.F.Wolf,K.Besocke,andM.Teske,Rev.Sci.Instrum.60,12001989.23M.H.Arafa,O.J.Aldraihem,andA.M.Baz,IEEEProceedingsoftheFifthInternationalSymposiumonMechatronicsandItsApplications,2008unpublished,pp.1–5.24S.H.Pan,InternationalPatentPublicationNo.WO93/194941993.25R.Yoshida,Y.Okamoto,andH.Okada,J.Jpn.Soc.Precision.Eng.68,5362002.26W.Zesch,R.Buchi,A.Codourey,andR.Siegwart,Proc.SPIE2593,801995.27D.-S.Paik,K.-H.Yoo,C.-Y.Kang,B.-H.Cho,S.Nam,andS.-J.Yoon,J.Electroceram.22,3462009.28L.Howald,H.Rudin,andH.-J.Gijntherodt,Rev.Sci.Instrum.63,39091992外文文獻(xiàn)翻譯譯稿2步進(jìn)電機(jī)的振蕩、不穩(wěn)定以及控制摘要：本文介紹了一種分析永磁步進(jìn)電機(jī)不穩(wěn)定性的新穎方法。結(jié)果表明，該種電機(jī)有兩種類型的不穩(wěn)定現(xiàn)象：中頻振蕩和高頻不穩(wěn)定性。非線性分叉理論是用來說明局部不穩(wěn)定和中頻振蕩運(yùn)動之間的關(guān)系。一種新型的分析介紹了被確定為高頻不穩(wěn)定性的同步損耗現(xiàn)象。在相間分界線和吸引子的概念被用于導(dǎo)出數(shù)量來評估高頻不穩(wěn)定性。通過使用這個數(shù)量就可以很容易地估計高頻供應(yīng)的穩(wěn)定性。此外，還介紹了穩(wěn)定性理論。廣義的方法給出了基于反饋理論的穩(wěn)定問題的分析。結(jié)果表明，中頻穩(wěn)定度和高頻穩(wěn)定度可以提高狀態(tài)反饋。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)，不穩(wěn)定，非線性，狀態(tài)反饋。1.介紹步進(jìn)電機(jī)是將數(shù)字脈沖輸入轉(zhuǎn)換為模擬角度輸出的電磁增量運(yùn)動裝置。其內(nèi)在的步進(jìn)能力允許沒有反饋的精確位置控制。也就是說，他們可以在開環(huán)模式下跟蹤任何步階位置，因此執(zhí)行位置控制是不需要任何反饋的。步進(jìn)電機(jī)提供比直流電機(jī)每單位更高的峰值扭矩;此外，它們是無電刷電機(jī)，因此需要較少的維護(hù)。所有這些特性使得步進(jìn)電機(jī)在許多位置和速度控制系統(tǒng)的選擇中非常具有吸引力，例如如在計算機(jī)硬盤驅(qū)動器和打印機(jī)，代理表，機(jī)器人中的應(yīng)用等.盡管步進(jìn)電機(jī)有許多突出的特性，他們?nèi)栽馐苷袷幓虿环€(wěn)定現(xiàn)象。這種現(xiàn)象嚴(yán)重地限制其開環(huán)的動態(tài)性能和需要高速運(yùn)作的適用領(lǐng)域。這種振蕩通常在步進(jìn)率低于1000脈沖/秒的時候發(fā)生，并已被確認(rèn)為中頻不穩(wěn)定或局部不穩(wěn)定[1]，或者動態(tài)不穩(wěn)定[2]。此外，步進(jìn)電機(jī)還有另一種不穩(wěn)定現(xiàn)象，也就是在步進(jìn)率較高時，即使負(fù)荷扭矩小于其牽出扭矩，電動機(jī)也常常不同步。該文中將這種現(xiàn)象確定為高頻不穩(wěn)定性，因為它以比在中頻振蕩現(xiàn)象中發(fā)生的頻率更高的頻率出現(xiàn)。高頻不穩(wěn)定性不像中頻不穩(wěn)定性那樣被廣泛接受，而且還沒有一個方法來評估它。中頻振蕩已經(jīng)被廣泛地認(rèn)識了很長一段時間，但是，一個完整的了解還沒有牢固確立。這可以歸因于支配振蕩現(xiàn)象的非線性是相當(dāng)困難處理的。大多數(shù)研究人員在線性模型基礎(chǔ)上分析它[1]。盡管在許多情況下，這種處理方法是有效的或有益的，但為了更好地描述這一復(fù)雜的現(xiàn)象，在非線性理論基礎(chǔ)上的處理方法也是需要的。例如，基于線性模型只能看到電動機(jī)在某些供應(yīng)頻率下轉(zhuǎn)向局部不穩(wěn)定，并不能使被觀測的振蕩現(xiàn)象更多深入。事實(shí)上，除非有人利用非線性理論，否則振蕩不能評估。因此，在非線性動力學(xué)上利用被發(fā)展的數(shù)學(xué)理論處理振蕩或不穩(wěn)定是很重要的。值得指出的是，Taft和Gauthier[3]，還有Taft和Harned[4]使用的諸如在振蕩和不穩(wěn)定現(xiàn)象的分析中的極限環(huán)和分界線之類的數(shù)學(xué)概念，并取得了關(guān)于所謂非同步現(xiàn)象的一些非常有啟發(fā)性的見解。盡管如此，在這項研究中仍然缺乏一個全面的數(shù)學(xué)分析。本文一種新的數(shù)學(xué)分被開發(fā)了用于分析步進(jìn)電機(jī)的振動和不穩(wěn)定性。本文的第一部分討論了步進(jìn)電機(jī)的穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明，中頻振蕩可定性為一種非線性系統(tǒng)的分叉現(xiàn)象（霍普夫分叉）。本文的貢獻(xiàn)之一是將中頻振蕩與霍普夫分叉聯(lián)系起來，從而霍普夫理論從理論上證明了振蕩的存在性。高頻不穩(wěn)定性也被詳細(xì)討論了，并介紹了一種新型的量來評估高頻穩(wěn)定。這個量是很容易計算的，而且可以作為一種標(biāo)準(zhǔn)來預(yù)測高頻不穩(wěn)定性的發(fā)生。在一個真實(shí)電動機(jī)上的實(shí)驗結(jié)果顯示了該分析工具的有效性。本文的第二部分通過反饋討論了步進(jìn)電機(jī)的穩(wěn)定性控制。一些設(shè)計者已表明，通過調(diào)節(jié)供應(yīng)頻率[5]，中頻不穩(wěn)定性可以得到改善。特別是Pickup和Russell[6，7]都在頻率調(diào)制的方法上提出了詳細(xì)的分析。在他們的分析中，雅可比級數(shù)用于解決常微分方程和一組數(shù)值有待解決的非線性代數(shù)方程組。此外，他們的分析負(fù)責(zé)的是雙相電動機(jī)，因此，他們的結(jié)論不能直接適用于我們需要考慮三相電動機(jī)的情況。在這里，我們提供一個沒有必要處理任何復(fù)雜數(shù)學(xué)的更簡潔的穩(wěn)定步進(jìn)電機(jī)的分析。在這種分析中，使用的是d-q模型的步進(jìn)電機(jī)。由于雙相電動機(jī)和三相電動機(jī)具有相同的d-q模型，因此，這種分析對雙相電動機(jī)和三相電動機(jī)都有效。迄今為止，人們僅僅認(rèn)識到用調(diào)制方法來抑制中頻振蕩。本文結(jié)果表明，該方法不僅對改善中頻穩(wěn)定性有效，而且對改善高頻穩(wěn)定性也有效。2.動態(tài)模型的步進(jìn)電機(jī)本文件中所考慮的步進(jìn)電機(jī)由一個雙相或三相繞組的跳動定子和永磁轉(zhuǎn)子組成。一個極對三相電動機(jī)的簡化原理如圖1所示。步進(jìn)電機(jī)通常是由被脈沖序列控制產(chǎn)生矩形波電壓的電壓源型逆變器供給的。這種電動機(jī)用本質(zhì)上和同步電動機(jī)相同的原則進(jìn)行作業(yè)。步進(jìn)電機(jī)主要作業(yè)方式之一是保持提供電壓的恒定以及脈沖頻率在非常廣泛的范圍上變化。在這樣的操作條件下，振動和不穩(wěn)定的問題通常會出現(xiàn)。圖1.三相電動機(jī)的圖解模型用q–d框架參考轉(zhuǎn)換建立了一個三相步進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。下面給出了三相繞組電壓方程va=Ria+L*dia/dt?M*dib/dt?M*dic/dt+dλpma/dt,vb=Rib+L*dib/dt?M*dia/dt?M*dic/dt+dλpmb/dt,vc=Ric+L*dic/dt?M*dia/dt?M*dib/dt+dλpmc/dt,(1)其中R和L分別是相繞組的電阻和感應(yīng)線圈，并且M是相繞組之間的互感線圈。λpma,λpmbandλpmc是應(yīng)歸于永磁體的相的磁通，且可以假定為轉(zhuǎn)子位置的正弦函數(shù)如下λpma=λ1sin(Nθ),λpmb=λ1sin(Nθ?2QUOTE/3),λpmc=λ1sin(Nθ-2QUOTE/3),(2)其中N是轉(zhuǎn)子齒數(shù)。本文中強(qiáng)調(diào)的非線性由上述方程所代表，即磁通是轉(zhuǎn)子位置的非線性函數(shù)。使用Q,d轉(zhuǎn)換，將參考框架由固定相軸變換成隨轉(zhuǎn)子移動的軸（參見圖2）。矩陣從a,b,c框架轉(zhuǎn)換成q,d框架變換被給出了[8]圖2，a,b,c和d,q參考框架(3)例如，給出了q,d參考里的電壓(4)在a,b,c參考中，只有兩個變量是獨(dú)立的（ia+ib+ic=0），因此，上面提到的由三個變量轉(zhuǎn)化為兩個變量是允許的。在電壓方程（1）中應(yīng)用上述轉(zhuǎn)換，在q,d框架中獲得轉(zhuǎn)換后的電壓方程為vq=Riq+L1*diq/dt+NL1idω+Nλ1ω,vd=Rid+L1*did/dt?NL1iqω,(5)其中L1=L+M，且ω是電動機(jī)的速度。有證據(jù)表明,電動機(jī)的扭矩有以下公式T=3/2Nλ1iq.(6)轉(zhuǎn)子電動機(jī)的方程為J*dω/dt=3/2*Nλ1iq?Bfω–Tl,(7)如果Bf是粘性摩擦系數(shù)，和Tl代表負(fù)荷扭矩（在本文中假定為恒定）。為了構(gòu)成完整的電動機(jī)的狀態(tài)方程，我們需要另一種代表轉(zhuǎn)子位置的狀態(tài)變量。為此，通常使用滿足下列方程的所謂的負(fù)荷角δ[8]Dδ/dt=ω?ω0,(8)其中ω0是電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速。方程（5），（7），和（8）構(gòu)成電動機(jī)的狀態(tài)空間模型，其輸入變量是電壓vq和vd.如前所述，步進(jìn)電機(jī)由逆變器供給，其輸出電壓不是正弦電波而是方波。然而，由于相比正弦情況下非正弦電壓不能很大程度地改變振蕩特性和不穩(wěn)定性（如將在第3部分顯示的，振蕩是由于電動機(jī)的非線性），為了本文的目的我們可以假設(shè)供給電壓是正弦波。根據(jù)這一假設(shè)，我們可以得到如下的vq和vdvq=Vmcos(Nδ),vd=Vmsin(Nδ),(9)其中Vm是正弦波的最大值。上述方程，我們已經(jīng)將輸入電壓由時間函數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)函數(shù)，并且以這種方式我們可以用自控系統(tǒng)描繪出電動機(jī)的動態(tài)，如下所示。這將有助于簡化數(shù)學(xué)分析。根據(jù)方程（5），（7），和（8），電動機(jī)的狀態(tài)空間模型可以如下寫成矩陣式?=F(X,u)=AX+Fn(X)+Bu,(10)其中X=[iqidωδ]T,u=[ω1Tl]T定義為輸入，且ω1=Nω0是供應(yīng)頻率。輸入矩陣B被定義為矩陣A是F(.)的線性部分，如下Fn(X)代表了F(.)的線性部分，如下輸入端u獨(dú)立于時間，因此，方程（10）是獨(dú)立的。在F(X,u)中有三個參數(shù)，它們是供應(yīng)頻率ω1，電源電壓幅度Vm和負(fù)荷扭矩Tl。這些參數(shù)影響步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行情況。在實(shí)踐中，通常用這樣一種方式來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，即用因指令脈沖而變化的供應(yīng)頻率ω1來控制電動機(jī)的速度，而電源電壓保持不變。因此，我們應(yīng)研究參數(shù)ω1的影響。3.分叉和中頻振蕩，設(shè)ω=ω0，得出方程（10）的平衡且φ是它的相角，φ=arctan(ω1L1/R).(16)方程（12）和（13）顯示存在著多重均衡，這意味著這些平衡永遠(yuǎn)不能全局穩(wěn)定。人們可以看到，如方程（12）和（13）所示有兩組平衡。第一組由方程（12）對應(yīng)電動機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況來代表。第二組由方程（13）總是不穩(wěn)定且不涉及到實(shí)際運(yùn)作情況來代表。在下面，我們將集中精力在由方程（12）代表的平衡上。

外文文獻(xiàn)翻譯原文2Oscillation,InstabilityandControlofStepperMotorsAbstract.Anovelapproachtoanalyzinginstabilityinpermanent-magnetsteppermotorsispresented.Itisshownthattherearetwokindsofunstablephen