CN103166502B - 空间调相环形行波超声波电机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种空间调相环形行波超声波电机和控制方法，该电机分为A区压电陶瓷和B区压电陶瓷，压电陶瓷的每个极化分区的宽度为四分之一行波波长，是传统行波超声波电机的一半，极化方向顺时针依次按“++－－”排列，A区和B区压电陶瓷空间相差四分之一行波波长。A区和B区压电陶瓷各施加两个电源，共四个电源。同一区的两个电源具有相同的时间相位，不同的电压幅值；不同区的电源时间相位相差π/2；同一区彼此相距二分之一行波波长的压电陶瓷极化分区上的电压幅值相同。此型式环形行波超声波电机具有传统行波电机的全部功能和优点，且可以通过简单的电压幅值调节手段，实现空间移相控制，代替传统的时间移相控制。

Description

空间调相环形行波超声波电机及其控制方法

技术领域

本发明涉及超声波电机制造和控制领域，特别是涉及一种环形行波超声波电机及其控制方法。

背景技术

环形行波超声波电机是目前使用比较多的一种超声波电机，其速度控制的实质在于改变行波的波幅、速度和质点的椭圆轨迹，对应的三个基础控制量是电压幅值、频率和相位差。常用的控制方案是将电压、频率、相位三种控制方式结合起来，合适的做法是，在利用电压和频率实现电机本体控制的基础上，利用相位实现伺服输出控制，因此相位差控制是重要的核心之一。

目前普遍使用的相位差控制方案是通过两相时间相位关系可控制的电源来实现，即超声波电机两相各自激励独立的驻波，这两个驻波在空间位置是固定的且互差四分之一行波波长，但时间相位却是可调的，时间相位大小取决于各自电源的时间相位。当电源激励时间相位互差π/2时，其合成一个纯行波。而当电源激励时间相位互差值逐渐偏离π/2时，合成波形里面包含行波和驻波，且偏离量越大，驻波分量越大，从而改变了电机转速。为了实现电机转速的连续控制，必须获得连续可调的时间相位，人们比较多的采用直接数字合成技术，但控制非线性，且电路复杂。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种利用空间相位调节取代时间相位调节的环形行波超声波电机和控制方法。

本发明采用以下技术方案：

一种空间调相环形行波超声波电机，包括压电陶瓷，其特征在于，所述压电陶瓷包括A区压电陶瓷和B区压电陶瓷，A区压电陶瓷和B区压电陶瓷空间相差四分之一行波波长，A区压电陶瓷和B区压电陶瓷采用四分之一行波波长的压电片极化分区，并且沿顺时针方向，各区的压电陶瓷极化分区的极化方向均按“++－－”依次排列；所述压电陶瓷采用电源一、电源二、电源三、电源四激励，电源一和电源二按顺时针方向间隔作用于A区压电陶瓷的各极化分区，电源三和电源四按顺时针方向间隔作用于B区压电陶瓷的各极化分区，电源一和电源二具有相同时间相位，电源三和电源四具有相同时间相位，电源三和电源四的时间相位与电源一和电源二相差π/2,电源一和电源四具有相同的电压幅值，电源二和电源三具有相同的电压幅值。

进一步地，设定电源一和电源四具有的相同电压幅值为a，电源二和电源三具有的相同电压幅值为b，电压幅值a和b满足a=|b|，实现空间调相环形行波超声波电机的幅值控制。

进一步地，设定电源一和电源四具有的相同电压幅值为a，电源二和电源三具有的相同电压幅值为b，电压幅值a和b满足电压幅值a按随电压幅值b做变化，实现空间调相环形行波超声波电机的空间移相控制。

进一步地，设定电源一和电源四具有的相同电压幅值为a，电源二和电源三具有的相同电压幅值为b，改变电压幅值b的符号，而电压幅值a始终为正，实现空间调相环形行波超声波电机的正反转控制。

本发明的有益效果：

1、空间调相环形行波超声波电机具有空间相位这一新的基础控制量，这是传统超声波电机所不具备的；

2、空间调相环形行波超声波电机的空间移相控制与传统环形行波电机的时间移相控制具有类似效果，但其是通过电源电压幅值的改变来实现的，故实现较为简单和方便。

附图说明

附图1是本发明的电机结构示意图。

附图2是本发明的压电陶瓷极化分区方案和电源连接方案示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步地说明。

如图1所示，该电机包括端盖1，轴承一2，轴承二3，转轴4，转子5，定子6，底座7，压电陶瓷。除压电陶瓷的极化分区方式外，电机的其它结构，材料以及装配方案与传统超声波电机完全一致。电机的压电陶瓷分为A区压电陶瓷8和B区压电陶瓷9。如图2所示，电机工作时，在定子圆周上分布有九个波长的空间行波，如每个行波波长计为空间相位2π，整个圆周可计为空间相位18π。按顺时针方向，定义A区压电陶瓷8的起始位置为起始位置，则8π处为A区压电陶瓷8的结束位置，9.5π处为B区压电陶瓷9的起始位置，17.5π处为B区压电陶瓷9的结束位置。A区压电陶瓷8和B区压电陶瓷9内部分别采用了细分的极化分区方案，每个极化分区的空间相位长度均是π/2，也即四分之一行波波长，是传统行波超声波电机的一半。A区压电陶瓷8和B区压电陶瓷9内部的极化分区沿顺时针方向均是按“++－－”方向进行极化的。“+”表示正向极化，“－”表示反向极化。

空间调相环形行波超声波电机必须配合新的电源方案才能实现空间移相控制。新的电源方案采用了四个电源：电源一10，电源二11，电源三12，电源四13。A区压电陶瓷8按顺时针方向，共分为十六个压电陶瓷极化分区，其中A区内第一，三，五，七，九，十一，十三，十五共计八个压电陶瓷极化分区与电源一10相连，第二，四，六，八，十，十二，十四，十六共计八个压电陶瓷极化分区与电源二11相连；B区压电陶瓷9按顺时针方向，共分为十六个压电陶瓷极化分区，其中B区内第一，三，五，七，九，十一，十三，十五共计八个压电陶瓷极化分区与电源三12相连，第二，四，六，八，十，十二，十四，十六共计八个压电陶瓷极化分区与电源四13相连。电源一10和电源二11具有相同的时间相位；电源三12和电源四13具有相同的时间相位，且与电源一10和电源二11在时间相位上相差π/2。电源一10和电源四13具有相同的电压幅值，电源二11和电源三12具有相同的电压幅值，且两个电压幅值可调。

电源表达式描述为电源一10为acosωt、电源二11为bcosωt、电源三12为bsinωt、电源四13为asinωt；a为电源一10和电源四13的电压幅值，b为电源二11和电源三12的电压幅值，电压幅值a和b为标么值。

四个电源在定子上激发四个驻波，其中A区电源激发的两个驻波表达式为

w₁=arsin(nx+π/4)cosωtw₂=brsin(nx-π/4)cosωt

B区电源激发的两个驻波表达式为

w₃=brcos(nx+π/4)sinωtw₄=arcos(nx-π/4)sinωt

同一压电区的激发的两个驻波合成一个新的驻波，其表达式为

$w_A=w_1+w_2=r\sqrt{a^2+b^2}\sin (\mathrm{nx}+\mathrm{\θ})\cos \mathrm{\ωt}$

$w_B=w_3+w_4=r\sqrt{a^2+b^2}\cos (\mathrm{nx}-\mathrm{\θ})\sin \mathrm{\ωt}$

最终定子上合成的复合波的表达式为：

$w=w_A+w_B=r\sqrt{a^2+b^2}\sin (\mathrm{nx}+\mathrm{\θ})\cos \mathrm{\ωt}+r\sqrt{a^2+b^2}\cos (\mathrm{nx}-\mathrm{\θ})\sin \mathrm{\ωt}$

其中ar，br为驻波横向振动振幅，r是驻波幅值相对于电压幅值的系数，x为空间位置角度，ω为振动角频率，n=l/λ是沿定子圆周的波数，l是定子周长，λ为弹性波长，t为时间。说明书中相同符号表示相同的含义。合成波的表达式与传统超声波电机时间移相控制具有相同的表达式形式，其相当于传统超声波电机时间移相控制角为 $2\mathrm{\θ}=2\arctan \frac{a-b}{a+b}$ 的移相控制，与此对应，定义空间调相环形行波电机的空间移相控制角为 $\mathrm{\β}=2\mathrm{\θ}=2\arctan \frac{a-b}{a+b},$ 则空间移相角为 $\mathrm{\β}-\frac{\mathrm{\π}}{2}=2\mathrm{\θ}-\frac{\mathrm{\π}}{2}=-2\arctan \frac{b}{a}.$ 改变a,b可以改变空间移相控制角及空间移相角，同时也可以改变复合波的幅值

为了控制的方便性，以电源二11和电源三12的电压幅值b为控制量，电源一10和电源四13的电压幅值a为关联控制量：

1．幅值控制

当关联控制量电压幅值a随控制量电压幅值|b|一起做相同的变化，即a=|b|，可实现空间调相环形行波超声波电机的幅值控制。

2．空间移相控制

当关联控制量电压幅值a按随控制量电压幅值b做变化时，且可实现空间调相环形行波超声波电机的空间移相控制，时速率最大。

3．正反转控制

改变控制量电压幅值b的符号，而关联控制量电压幅值a始终为正，可实现空间调相环形行波超声波电机的正反转控制。

Claims (1)

1.一种空间调相环形行波超声波电机的控制方法，其特征在于：

所述空间调相环形行波超声波电机包括压电陶瓷，所述压电陶瓷包括A区压电陶瓷和B区压电陶瓷，A区压电陶瓷和B区压电陶瓷空间相差四分之一行波波长，A区压电陶瓷和B区压电陶瓷采用四分之一行波波长的压电片极化分区，并且沿顺时针方向，各区的压电陶瓷极化分区的极化方向均按“++－－”依次排列，“+”表示正向极化，“－”表示反向极化；所述压电陶瓷采用电源一、电源二、电源三、电源四激励，电源一和电源二按顺时针方向间隔作用于A区压电陶瓷的各极化分区，电源三和电源四按顺时针方向间隔作用于B区压电陶瓷的各极化分区，电源一和电源二具有相同时间相位，电源三和电源四具有相同时间相位，电源三和电源四的时间相位与电源一和电源二相差π/2,电源一和电源四具有相同的电压幅值，电源二和电源三具有相同的电压幅值；

设定电源一和电源四具有的相同电压幅值为a，电源二和电源三具有的相同电压幅值为b，电压幅值a和b满足a＝|b|，实现空间调相环形行波超声波电机的幅值控制；

设定电源一和电源四具有的相同电压幅值为a，电源二和电源三具有的相同电压幅值为b，电压幅值a和b满足电压幅值a按随电压幅值b做变化，实现空间调相环形行波超声波电机的空间移相控制；

设定电源一和电源四具有的相同电压幅值为a，电源二和电源三具有的相同电压幅值为b，改变电压幅值b的符号，而电压幅值a始终为正，实现空间调相环形行波超声波电机的正反转控制。