CN103124150B - 三电源空间调相环形行波超声波电机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了三电源空间调相环形行波超声波电机及控制方法，该电机分为A区和B区压电陶瓷，A区压电陶瓷每个极化分区的宽度为四分之一行波波长，极化方向顺时针依次按“++－－”排列，A区和B区压电陶瓷空间位置相差四分之一行波波长。电源一和电源二具有相同时间相位，按顺时针方向间隔作用于A区压电陶瓷各极化分区；电源三与电源一和二在时间相位上相差π/2，作用于B区压电陶瓷。电源一电压幅值a和电源二电压幅值b可调，电源三电压幅值为c平方与电压幅值a和b的平方和相等。空间调相环形行波超声波电机三电源空间移相控制方法与传统的四电源方案相比，在性能上可以全部覆盖有效空间移相角，在电路结构上由于减少一个电源，其实现更为简单。

Description

三电源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的制造和控制领域，特别是一种三电源空间调相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

本发明为了解决上述问题，提供了一种利用空间调相代替时间调相，并仅使用三个电源的三电源空间调相环形行波超声波电机及其控制方法。

本发明采用以下技术方案：

一种三电源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、电源二、电源三激励，电源一和电源二按顺时针方向间隔作用于A区压电陶瓷各极化分区，电源三作用于B区压电陶瓷，电源一和电源二具有相同的时间相位，电源三与电源一和电源二在时间相位上相差π/2,设定电源一电压幅值为a，电源二电压幅值为b，电源三电压幅值为电压幅值a和b可调，c平方与电压幅值a和b平方和相等。

进一步地，为了保证结构对称，所述B区压电陶瓷也采用四分之一行波波长的压电片极化分区，沿顺时针方向极化分区的极化方向按“++－－”依次排列。

进一步地，利用上述电机进行幅值控制，电压幅值a、b、满足同时改变三个电源的电压幅值a、b、实现幅值控制。

进一步地，利用上述电机进行空间移相控制，电压幅值满足为恒值不变，改变电压幅值a和b的比例关系，实现空间移相控制。

进一步地，利用上述电机进行正反转移相控制，同时以电压幅值a和b为控制量，建立电压幅值a和b与空间移相角的关系表，通过查表法，实现电机全区域的正反转控制。

本发明的原理：

空间上两个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。

如果传统超声波电机两个电源激励的驻波全部用上述方式在空间进行移动，则可以构成空间调相环形行波超声波电机，其需要四个电源。为了进一步降低电路的复杂性，可以将传统超声波电机一个电源激励的驻波采用上述方式，即利用两个电源激励的驻波进行叠加合成，在空间进行移动，另一个则继续由一个电源激励而成，不改变空间位置。这样较之四电源方案，整个电机系统可以节省一个电源，从而构成了三电源供电方案。

本发明的有益效果：三电源空间调相环形行波超声波电机利用三个电源实现了空间移相，较之传统的空间调相环形行波超声波电机空间移相方案，其同样可以全部覆盖有效空间移相角，但却节省了一个电源，降低了成本。

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。理论上两个压电陶瓷区只需其中一个进行细分极化分区，另一个采用传统的极化分区方案，不必进行细分即可满足三电源空间调相环形行波超声波电机移相控制的要求。但是为了保证电机的轴对称，同时对两区压电陶瓷进行了细分处理，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。三电源空间调相环形行波超声波电机采用了三个电源：电源一10，电源二11，电源三12。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，十六个压电陶瓷极化分区均与电源三12相连。电源一10和电源二11具有相同的时间相位；电源三12与电源一10和电源二11在时间相位上相差π/2。电源一10和电源二11具有不同的可调电压幅值，电源三12的电压幅值为c平方与电源一10和电源二11的电压幅值平方和相等。

电机采用的三个电源可表示为：

A区电源一和电源二为：

u₁＝a cos ωt    u₂＝b cos ωt

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

A区两个电源各自激发的驻波为：

w₁＝ar sin(nx+π/4)cos ωt    w₂＝br sin(nx-π/4)cos ωt

这两个驻波的合成驻波为：

w_A＝w₁+w₂＝rc sin(nx+θ)cos ωt

B区电源三激发的驻波为：

w_B＝rc cos nx sin ωt

其中ar，br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，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能覆盖[-π/2,+π/2]，虽然较之四电源方案，其调节范围变小了，但是此范围已经包含了能够保证电机有效运行的空间移相角范围。

为了控制的方便性，以电源二11的电压幅值b为控制量，电源一10的电压幅值a为关联控制量，电源三12的电压幅值为c与另两个电源的电压幅值的关系满足 $c=\sqrt{a^2+b^2}.$

1．幅值控制

维持同时改变三个电源的电压幅值实现幅值控制。

2．空间移相控制

维持为恒值不变，改变a和b的比例关系，实现空间移相控制。

3．正反转控制

同时以电源一10的电压幅值a和电源二11的电压幅值b为控制量，建立（a，b）与空间移相角的关系表，通过查表法，可实现电机全区域的正反转控制。

Claims (4)

1.一种三电源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区压电陶瓷采用四分之一行波波长的压电片极化分区，沿顺时针方向极化分区的极化方向按“++－－”依次排列；所述压电陶瓷采用电源一、电源二、电源三激励，电源一和电源二按顺时针方向间隔作用于A区压电陶瓷各极化分区，电源三作用于B区压电陶瓷，电源一和电源二具有相同的时间相位，电源三与电源一和电源二在时间相位上相差π/2,设定电源一电压幅值为a，电源二电压幅值为b，电源三电压幅值为电压幅值a和b可调，c平方与电压幅值a和b的平方和相等；

所述B区压电陶瓷也采用四分之一行波波长的压电片极化分区，沿顺时针方向极化分区的极化方向按“++－－”依次排列。

2.一种根据权利要求1所述的三电源空间调相环形行波超声波电机进行控制的方法，其特征在于，电压幅值a、b、满足同时改变a、b、c实现幅值控制。

3.一种根据权利要求1所述的三电源空间调相环形行波超声波电机进行控制的方法，其特征在于，电压幅值满足为恒值不变，改变电压幅值a和b的比例关系，实现空间移相控制。

4.一种根据权利要求1所述的三电源空间调相环形行波超声波电机进行控制的方法，其特征在于，同时以电压幅值a和b为控制量，建立电压幅值a和b与空间移相角的关系表，通过查表法，实现电机全区域的正反转控制。