CN103166501B - 一种变结构三电源空间调相行波超声波电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变结构三电源空间调相行波超声波电机，其通过改进三电源空间调相超声波电机的压电陶瓷结构，使电机在控制量作用下能直接覆盖的移相空间，简化了三电源环形行波超声波电机的正反转移相控制方法。

Description

一种变结构三电源空间调相行波超声波电机

技术领域

本发明涉及一种变结构三电源空间调相行波超声波电机，属于超声波电机领域。

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[sinnx·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为时间相移相角。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),即形成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＝rcsin(nx+θ)cosωt

B区电源三激发的驻波为：

w_B＝rccosnxsinωt

其中 $\mathrm{\θ}=\arctan \frac{a-b}{a+b}.$

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：本发明提出一种变结构三电源空间调相行波超声波电机，简化了三电源超声波电机的正反转移相控制方法。

技术方案：本发明采用的技术方案为一种变结构三电源空间调相行波超声波电机，包括压电陶瓷，所述压电陶瓷包括对称分布的A区压电陶瓷和B区压电陶瓷，A区压电陶瓷和B区压电陶瓷上半部的空间距离为八分之五的行波波长，下半部的空间距离为八分之三的行波波长，A区和B区的压电陶瓷均采用四分之一行波波长的极化分区，沿顺时针方向极化分区的极化方向按“++－－”依次排列；所述压电陶瓷使用电源一、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。

一种用于权利要求1所述的变结构三电源空间调相行波超声波电机的驱动方法，所述压电陶瓷使用电源一、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acosωt，电源二电压幅值为bcosωt，电源三电压幅值为且满足a²+b²＝c²，其中电压幅值a和b可调，c恒为1。

有益效果：本发明通过改进三电源空间调相超声波电机的压电陶瓷结构，使电机在控制量作用下能直接覆盖的移相空间，简化了三电源环形行波超声波电机的正反转移相控制方法。

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；

图2为本发明一种三电源空间调相行波超声波电机的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。

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，9.25π处为B区压电陶瓷9的起始位置，17.25π处为B区压电陶瓷9的结束位置。A区压电陶瓷和B区压电陶瓷空间距离为八分之五的行波波长。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u1，电源二u2，电源三u3。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u1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u2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u3相连。电源一u1和电源二u2具有相同的时间相位；电源三u3与电源一u1和电源二u2在时间相位上相差π/2。电源一u1和电源二u2具有不同的可调电压幅值，电源三u3的电压幅值为c平方与电源一u1和电源二u2的电压幅值平方和恒等。

电源1为u₁＝acosωt，电源2为u₂＝bcosωt，电源3为 $\sqrt{a^2+b^2}=c=1.$

AB两区激励产生的驻波分别为：

$w_A=w_1+w_2=\mathrm{cr}\sin (\mathrm{nx}+\mathrm{arctam}\frac{a-b}{a+b})\cos \mathrm{\ωt}$

$w_B=\mathrm{cr}\cos (\mathrm{nx}+\frac{\mathrm{\π}}{4})\sin \mathrm{\ωt}=\mathrm{cr}\sin (\mathrm{nx}+\frac{3\mathrm{\π}}{4})\sin \mathrm{\ωt}$

此时空间移相角是：

$\mathrm{\γ}=\arctan \frac{a-b}{a+b}-\frac{3\mathrm{\π}}{4}=\arctan \frac{a}{b}$

为了保证足够的空间移相范围，此处以a为控制量，为关联控制量，当a变化范围为[-1,1]，且，此时γ的变化范围为覆盖了移相控制所需的最小空间移相角范围。且控制量与空间移相角关系单一。

正转时，控制量a＞0，其绝对值增加时，空间移相角增加且为正，转速上升，转速绝对值上升。反转时，控制量a＜0，其绝对值增加时，空间移相角增加且为负，转速下降，转速绝对值上升。从-1到+1连续调节控制量a，电机转速从负的最小向正的最大连续变化。

Claims (2)

1.一种变结构三电源空间调相行波超声波电机，包括压电陶瓷，其特征在于，所述压电陶瓷包括对称分布的A区压电陶瓷和B区压电陶瓷，A区压电陶瓷和B区压电陶瓷上半部的空间距离为八分之五的行波波长，下半部的空间距离为八分之三的行波波长；A区和B区压电陶瓷均采用四分之一行波波长的极化分区，沿顺时针方向极化分区的极化方向按“++－－”依次排列。

2.一种用于权利要求1所述的变结构三电源空间调相行波超声波电机的驱动方法，其特征在于，所述压电陶瓷使用电源一、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acosωt，电源二电压幅值为bcosωt，电源三电压幅值为且满足a²+b²＝c²，其中电压幅值a和b可调，c恒为1。