CN103107736B - 三电源环形行波超声波电机的正反转移相控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三电源环形行波超声波电机的正反转移相控制方法，通过对三个电源电压幅值的数学变换，使控制量、关联控制量与空间移相角三者关系单一化，简化了三电源环形行波超声波电机的速度和正反转的控制方法。

Description

三电源环形行波超声波电机的正反转移相控制方法

技术领域

本发明涉及一种三电源环形行波超声波电机的正反转移相控制方法，属于超声波电机控制领域。

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。

时间移相控制时，传统超声波电机采用两个电源

csinωt

csin(ωt+π/2+α)＝ccos(ωt+α)

在AB区分别在定子中激励独立的驻波：

w_A＝crsinnx·sinωt

w_B＝crcosnx·cos(ωt+α)

定子中合成波形为：

w＝w_A+w_B

＝cr[sin nx·sinωt+cosnx·cos(ωt+α)]

其中cr为驻波横向振动振幅，为标么值，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为定子周长，λ为弹性波长，t为时间，α+π/2为时间移相角。说明书中相同符号表示相同的含义。

当电源激励时间相位互差值逐渐偏离π/2时，定子中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。

空间上两个相同时间相位相同波长的正弦波形叠加后仍然是正弦波形，合成正弦波形的幅值和空间位置取决于两个原始正弦波形的幅值大小和比值关系。传统超声波电机每个电源各自激励的驻波在空间上是固定的，如果将这个驻波改由两个具有相同时间相位和相同波长的驻波叠加而成，则两个驻波大小关系的改变可以导致合成驻波在空间发生位移。

利用上述方法，单独移动A区的驻波，而两区激励电源保持原有的π/2不变，则可以实现空间移相(单独移动B区驻波也有同样效果)。即三电源行波超声波电机。

如图1所示，三电源行波超声波电机的压电陶瓷包括A区和B区。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，各区压电陶瓷均采用四分之一行波波长的压电片极化分区，极化分区沿顺时针方向的极化方向按“++--”依次排列；所述压电陶瓷采用电源一10、电源二11、电源三12激励，电源一10和电源二11按顺时针方向间隔作用于A区压电陶瓷各极化分区，电源三12作用于B区压电陶瓷，三个电源可表示为：

A区电源一和电源二为：

u₁＝acosωt         u₂＝bcosωt

B区电源三为：

$u_3=\frac{\sqrt{2}}{2}c\sin \mathrm{\ωt}$

其中，a、b、分别是电源一、二、三的电压幅值，为标么值，且满足a²+b²=c²。

A区两个电源各自激发的驻波为：

w₁＝arsin(nx+π/4)cosωt       w₂＝brsin(nx-π/4)cosωt

这两个驻波的合成驻波为：

w_A＝w₁+w₂＝rc sin(nx+θ)cosωt

B区电源三激发的驻波为：

w_B＝rccosnxsinωt

其中说明书中相同符号表示相同的含义。

两区产生的的驻波w_A和w_B在空间相位角度互差其即为空间移相角，相应的空间移相控制角为变化时，其对应的空间移相角也发生改变。

三电源空间调相超声波电机进行空间移相控制时，为了控制的方便性，常以电源幅值b作为控制量，c为1，另一个电源幅值作为关联控制量。按此原则控制时，当控制量b在[-1,+1]内变化时，电机的空间移相范围却是没有完全包含这对于全区域的正反转移相运行是不够的。理论上可以通过查表法确定关联控制量a的值，在满足的同时，电机的空间移相范围也可覆盖但是关联控制量a出现了负值，且同一控制量b可能对应不同的a值和不同的空间移相角，其控制规律较为复杂，应用上具有较大困难。

发明内容

发明目的：本发明提出一种三电源环形行波超声波电机的正反转移相控制方法，简化了三电源超声波电机的速度和正反转的控制方法。

技术方案：本发明采用的技术方案为一种三电源环形行波超声波电机的正反转移相控制方法，双电源区电压幅值分别为a、b，单电源区电压幅值为且a²+b²=c²；正转时通过改变a的大小来控制电机的转速；反转时通过改变b来控制电机的转速。

有益效果：本发明通过使控制量、关联控制量与空间移相角三者关系单一化，简化了三电源环形行波超声波电机的速度和正反转调相的控制方法。

附图说明

图1为三电源行波超声波电机压电陶瓷结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

c取1时，可定义a和b为：

a＝cosτ

b＝sinτ

则空间移相角为：

$\mathrm{\γ}=-\arctan \frac{b}{a}-\frac{\mathrm{\π}}{4}=-\mathrm{\τ}-\frac{\mathrm{\π}}{4}$

因此

$a=\cos (\mathrm{\γ}+\frac{\mathrm{\π}}{4})$

$b=-\sin (\mathrm{\γ}+\frac{\mathrm{\π}}{4})$

当γ从向变化时，a，b也跟随变化。γ＜0反转时，随着|γ|的增加，b单调递减，但a却是非单调变化，并为正。同样，γ＞0正转时，随着γ的增加，a单调递减，b的变化是非单调的，并为负。据此，可以在电机反转时，以b为控制量，为关联控制量；电机正转时，以a为控制量，为关联控制量。此时，在移相范围覆盖的同时，保证了控制量与与空间移相角关系的单一。

为了保证控制量与空间移相角关系的单调性，无论正反转，可限制控制量的调节范围为到单电源B区电源幅值为

正转时，双电源区电源幅值a是控制量，为关联控制量，随着控制量a的增加，空间移相角减少，始终为负，转速下降，转速绝对值下降。反转时，双电源区电源幅值b是控制量，为关联控制量，随着控制量b的增加，空间移相角增加，始终为负，转速上升，转速绝对值下降。

Claims (2)

1.一种三电源环形行波超声波电机的正反转移相控制方法，其特征在于，电机压电陶瓷包括A区和B区，各区压电陶瓷均采用四分之一行波波长的压电片极化分区，极化分区沿顺时针方向的极化方向按“++--”依次排列；

所述压电陶瓷采用电源一(10)、电源二(11)、电源三(12)激励，电源一(10)和电源二(11)按顺时针方向间隔作用于A区压电陶瓷各极化分区，电源三(12)作用于B区压电陶瓷各极化分区；

A区压电陶瓷为双电源区，采用幅值分别为a、b，相同时间相位的电源供电，两个电源按顺时针方向间隔作用于A区压电陶瓷各极化分区；

B区压电陶瓷为单电源区，采用幅值为的电源供电，其时间相位与双电源区电源相差π/2，且a²+b²＝c²，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；

正转时通过控制a来实现电机转速的单调控制，为关联控制量；反转时通过控制b来实现电机转速的单调控制，为关联控制量。

2.根据权利要求1所述的三电源环形行波超声波电机的正反转移相控制方法，其特征在于，所述c取值1。