CN103888019B - 基于温度跟踪的自适应超声电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于温度跟踪的自适应超声电机。现有技术中，当超声电机在宽温度范围‑55℃~85℃工作时，定子的幅频曲线已经向右或向左发生了平移，导致电机输出力矩和转速出现明显下降。本发明中包括具有温度感知结构的超声电机、具有电机引出机构以及具有温度测量、控制单元的电机驱动控制器。在电机结构中增加温度传感器，与光电编码器或者旋转变压器或者电位计共同组成电机的闭环控制传感系统，通过驱动控制器进行电机频率的自适应调整，使电机始终工作在最佳的频率点，实现稳定的转速和力矩输出。本发明不但保留了现有超声电机的诸多特性外，对工作环境的适应性大大增强，可实现‑55℃~85℃温度范围内电机的正常工作。
Description
技术领域
本发明属于微特电机分支——超声电机技术领域，具体涉及基于温度跟踪的自适应超声电机。
背景技术
超声电机是近十年发展起来的新原理电机，突破了传统电机的概念，它没有磁钢和绕组，不依靠电磁感应传递能量，是利用压电陶瓷的逆压电效应，通过压电陶瓷伸缩振动模态的转换与耦合以及特殊结构的设计，将材料的微观变形通过共振放大和摩擦耦合转换成转子的宏观运动。具有低速大力矩、响应时间快、控制特性好、电磁兼容性好、断电自锁等特性，在不连续工作领域可取代传统的步进微电机、力矩微电机以及伺服控制微电机，有着广阔的应用前景。
在专利号ZL200620136297.5，专利名称为：《精密控制用超声电机系统》所提出的设计方案是由超声波电机本体、光电编码器和驱动控制电源三部分组成，提供了通过外加光电编码器、结构简单﹑装配调试方便﹑可实现精密定位、工作温度范围宽、控制性能好的控制用超声波电机系统。通过新型的驱动控制线路，方便地对电机转速、转向及启停进行控制；利用外加光电编码器实现在设定工作带宽范围内的电机的自适应控制，通常可调节的温度范围为-10℃~55℃。
超声电机依靠摩擦驱动，转化总效率通常为30%，也就是说此类电机的有效输出功率为30%左右，其他的能量均以热量的形式传递到定子、转子，到电机壳体表面，通常壳体的表面温升可达到30℃。若环境本身温度范围为-55℃~85℃，电机定子实际的温度范围即为-25℃~115℃，定子工作的幅频曲线已经向右或向左发生了平移，利用光电编码器、旋转变压器或者电位计作为闭环控制传感器已经无法实现精密的电机控制。
随着环境温度的上升，电机定子的工作频率下降，当环境温度升高到85℃，电机定子工作频率降低的变化量为1.2~1.6KHz，若不进行电机定子的幅频曲线向左平移，则电机的输出力矩和最高转速下降约为30%，工作转速范围变窄。同理，随着环境温度的降低，电机定子的工作频率上升，当环境温度降低到-55℃，电机定子工作频率升高的变化量为0.8~1.2KHz（电机工作伊始即产生热量，因此高低温状态下工作瞬间定子的工作频率变化不尽相同，高温时电机工作瞬间，定子的实际温度高于85℃，而低温时定子的实际温度高于-55℃。），若不进行电机定子幅频曲线向右平移，则电机的输出力矩和最高转速同样下降约为30%，工作转速范围变窄。
发明内容
本发明的目的是提供在宽温度范围-55℃～85℃工作时，电机频率可进行自适应调整，保证电机输出稳定性的基于温度跟踪的自适应超声电机。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
基于温度跟踪的自适应超声电机，包括定子金属件1和压电陶瓷2组成的定子、底座3、电机控制单元9；其特殊之处在于：所述的超声电机内设置温度传感器4，同时在电机驱动控制器中设置温度传感器控制单元8；所述的温度传感器4固定在电机内部非运动零部件上；温度传感器4的信号I/O电极通过柔性印刷线路板5、引出线缆焊接线路板6与超声电机引出线缆7一起引出，并与控制系统中的温度传感器控制单元8连接；温度传感器控制单元8采用恒流源法测量温度，由电机控制单元9的单片机或数字信号处理器对电机定子的幅频曲线进行温度补偿。
上述的温度传感器4设置在定子的中间位置，固定在定子金属件1内环面的定子温度传感器放置槽10上。
上述的温度传感器4设置在底座3上，固定在底座3与定子金属件1的环形接触面的底座温度传感器放置槽Ⅰ11上。
上述的温度传感器4设置在底座3上，固定在底座的环槽的底座温度传感器放置槽Ⅱ12内。
上述的温度传感器4为热敏电阻，由I/O电极13、 Al2O3陶瓷基板14、热敏电阻体15组成。
上述的柔性印刷线路板5由外环压电陶瓷连接I/O线路16、内环电机公用端、隔离线路17、温度传感器I/O线路18以及电机引出线缆焊接端19组成。
上述的超声电机引出线缆7中温度传感器信号线采用独立屏蔽信号线。
上述的温度传感器控制单元8的温度测量单元采用恒流源法测量温度传感器。
上述的温度传感器控制单元8由电机控制单元9的单片机或数字信号处理器通过D/A转换及压控振荡器VCO来控制定子幅频曲线的左、右平移，完成驱动谐振频率的自动跟踪。
本发明相对于现有技术，其优点如下：
1.解决电机在宽温度范围工作时，输出力矩和转速下降的问题，温度传感器与光电编码器或者旋转变压器或者电位计等共同组成电机的闭环控制系统传感器，实现在宽温度-55℃~85℃范围内电机频率的自适应调整，从而保证电机输出的稳定性。
2.本发明继承了已有电机的外形结构，在使用安装尺寸不改变的情况下增加了电机工作的稳定性，设计结构紧凑，应用的领域更广阔。
3.本发明的温度传感器与电机结构兼容性良好，在-55℃~125℃范围内温度与阻值呈完全的线性变化。
附图说明
图1为本发明的超声电机结构示意图；
图2为本发明的电机驱动控制原理示意图
图3为定子与温度传感器结构示意图；
图4为图3沿A-A向剖视图；
图5为底座与温度传感器的第结构示意图；
图6为图5沿B-B向剖视图局部放大图；
图7为底座与温度传感器的第二种结构示意图；
图8 温度传感器控制电路原理图；
图9 定子的幅频曲线；
图10为温度传感器示意图；
图11柔性印刷线路板第结构示意图；
图12柔性印刷线路板第二种结构示意图压电陶瓷粘接面；
图13柔性印刷线路板第二种结构示意图反面。
标号说明：
1-定子金属件 2-压电陶瓷 3-底座 4-温度传感器
5-柔性印刷线路板 6-引出线缆焊接线路板
7-超声电机引出线缆 8-温度传感器控制单元 9-电机控制单元
10-定子温度传感器放置槽 11-底座温度传感器放置槽Ⅰ
12-底座温度传感器放置槽Ⅱ 13-I/O电极 14- Al2O3基板
15-热敏电阻体 16-压电陶瓷连接I/O线路
17-隔离线路 18-温度传感器I/0线路
19-电机引出线缆焊接端。
具体实施方式
本发明中通过在电机结构中增加温度传感器，动态补偿因环境温度变化引起的电机定子的幅频曲线左、右平移，通过驱动控制器实现电机在宽温度范围的自适应调整，保证电机始终工作在最佳的频率点，实现稳定的转速和力矩输出。
参见图1，本发明所提出的基于温度跟踪的自适应超声电机，在超声电机内设置有温度传感器4，并将温度传感器安装在电机内部非运动零部件上；温度传感器4的信号I/O电极通过柔性印刷线路板5、引出线缆焊接线路板6与超声电机引出线缆7一起引出，并与控制系统中的温度传感器控制单元8连接；电机引出线中温度传感器信号线设计为独立屏蔽信号线；控制系统中设置有温度传感器测量单元，采用恒流源法测量温度传感器，由电机控制单元9的单片机（MCU）或数字信号处理器(DSP)对电机定子的幅频曲线进行温度补偿。
本发明按照功能分为电机结构、控制电路以及电机与控制电路联接的相关线路、线缆三部分。超声电机结构中温度传感器放置位置相对关键，电机在不同温度下工作频率的变化，实际上是由定子的振动频率发生变化引起的，定子金属件的固有谐振频率随温度的变化很小，可忽略不计，而压电陶瓷的谐振频率随温度的变化而变化，温度升高，压电陶瓷的谐振频率降低；温度降低，压电陶瓷的谐振频率升高。因此，温度传感器安装的最佳位置是在压电陶瓷换能片上，但因压电陶瓷工作状态为振动，不适应温度传感器的安装。
在本发明温度传感器4采用三种安装方式：
参见图3、图4，将温度传感器4设置在定子的中间位置，固定在定子金属件1内环面的定子温度传感器放置槽10上，通过定子金属件环槽的减震，消除了定子振动对温度传感器的影响。
参见图5、图6，将温度传感器4设置在底座3上，固定在底座3与定子金属件1的环形接触面的底座温度传感器放置槽Ⅰ11上。
参见图7，温度传感器4设置在底座3上，固定在底座的环槽的底座温度传感器放置槽Ⅱ12内。
参见图2、图8、图9，为实现温度传感器参与电机驱动控制的闭环控制，本发明在控制电路中增加了控制单元，采用恒流源法测量温度传感器热敏电阻的阻值，计算出电机内部温度，恒流源由LM134H和外围线路组成，也可由其它方式实现。在实验标定得出数据的基础上，由单片机（MCU）或数字信号处理器(DSP)通过D/A转换及压控振荡器VCO来控制定子幅频曲线的左、右平移，实现驱动谐振频率的自动跟踪。
参见图10，本发明涉及的温度传感器是根据电机结构与控制要求设计阻值、安装方式和I/O线路。温度传感器是利用厚膜印刷工艺在Al2O3陶瓷基板上印刷电阻体图形和I/O电极，通过柔性印刷线路与电机引出线缆焊接而成。
参见图11，12，13，本发明的电机I/O线路由柔性印刷线路板实现，其组成为外环压电陶瓷连接I/O线路16、内环电机公用端、隔离线路17、温度传感器（热敏电阻）I/O线路18以及电机引出线缆焊接端19。为增强温度传感器（热敏电阻）与控制电路连接I/O线缆的抗干扰性，采取了温度传感器（热敏电阻）I/O线缆独立屏蔽设计。
实施例：
本发明基于温度跟踪的自适应超声电机是建立在已有的超声电机技术基础上，电机定子是由定子金属件1、压电陶瓷2、柔性印刷线路板5组成，各组成单元之间通过中温电极胶粘接，粘接过程中使用专用的定位工装；转子是由转子金属件和摩擦材料组成，通过中温电极胶粘接为一体，同样需使用专用的定位工装。
电机各部件的装配关系为：定子与底座用M2.5*8平头螺钉连接；电机转轴和转子之间通过齿轮连接；转子安装在定子上方，轴肩与机壳上的支撑轴承内圈之间增加调整垫圈施加定转子间的预压力；机壳与底座之间通过M2.5*8沉头螺钉联接。
电机内部设置的温度传感器为PTC线性热敏电阻，安装在定子上或电机的底座上。
温度传感器的直接用导热硅胶粘接或使用螺钉固定。
因温度传感器安装位置不同，柔性印刷线路板电极设计也有三种类型：（1）基于定子安装，柔性印刷线路板电极设计在同一平面；（2）基于底座安装，柔性印刷线路板电极设计在不同平面。（3）基于底座安装，电机压电陶瓷与温度传感器的柔性印刷线路板分别设计，组合焊接引出。
本发明电机的基本尺寸：
定子：外径φ50mm，内径φ16mm，厚度4.8mm，齿数62个，温度传感器定位凸台距内径距离1mm，深度为0.8mm；
转子：外径φ48mm，内孔齿轮中径为10.8mm，模数为0.6, 齿数18个，厚度3.8mm；
底座：温度传感器定位凸台距内径距离2mm，深度为0.8mm；
电机主体厚度≤24.5mm，不包括轴伸、安装止口厚度和编码器（旋变或电位计）厚度。
柔性印刷线路板：外环—外径φ50mm，内径φ32mm；内环—外径φ28mm，内径φ12mm；厚度0.1mm。
本发明中电机使用14位的旋转变压器作为闭环控制传感器。
电机线缆中温度传感器的I/O线采用单独屏蔽的方式，消除电机的高频高压信号对温度传感器信号的影响。线缆的主要参数为：导体芯线截面积为0.15mm2，由19/0.10mm导线组成，绝缘护套为氟塑料，屏蔽为镀锡铜网。
参见图8，控制线路中采用恒流源法测量温度传感器热敏电阻的阻值，由LM134H及其外围电路组成恒流源，计算电机内部温度，由实验标定阻值与电机定子工作频率的变化曲线，单片机（MCU）自动记录存储曲线，通过D/A转换及压控振荡器VCO来控制图9中幅频曲线的左、右平移，实现超声电机谐振频率的自动跟踪。
温度传感器利用厚膜印刷工艺在Al2O3陶瓷基板上印刷电阻体图形和I/O电极，印刷的I/O电极通过中温电极胶与柔性印刷线路对应电极联接，构成温度传感器的引出端。
热敏电阻浆料型号：PTC10Ω
Al2O3陶瓷基板主要尺寸：长度11mm，宽度7mm，厚度0.38mm，定位凸台高度1mm，宽5.8mm。
通过以上技术的实施，使超声电机在外形不变的情况下，其主要性能指标在-55℃~85℃范围变化≤5%，基本保持了电机在宽范围内工作的稳定性。将取代传统的伺服控制微电机应用在精密的位置控制系统，如精密转台、光学测试仪器、红外瞄准装置、磁场测试设备等领域。
Claims (5)
1.一种基于温度跟踪的自适应超声电机，包括定子金属件（1）和压电陶瓷（2）组成的定子、底座（3）、电机控制单元（9）；其特征在于：所述的超声电机内设置有温度传感器（4），在电机驱动控制器中设置温度传感器控制单元（8）；所述的温度传感器（4）固定在电机内部非运动零部件上；温度传感器（4）的信号I/Ｏ电极通过柔性印刷线路板（5）、引出线缆焊接线路板（6）与超声电机引出线缆（7）一起引出，并与电机驱动控制器中的温度传感器控制单元（8）连接；温度传感器控制单元（8）采用恒流源法测量温度，由电机控制单元（9）的单片机或数字信号处理器通过D/A转换及压控振荡器VCO控制定子幅频曲线的左、右平移，对电机定子的幅频曲线进行温度补偿；
所述的温度传感器（4）设置在定子的中间位置，固定在定子金属件（1）内环面的定子温度传感器放置槽（10）上；或者
所述的温度传感器（4）设置在底座（3）上，固定在底座（3）与定子金属件（1）的环形接触面的底座温度传感器放置槽Ⅰ（11）上；或者
所述的温度传感器（4）设置在底座（3）上，固定在底座的环槽的底座温度传感器放置槽Ⅱ（12）内。
2.根据权利要求1所述的基于温度跟踪的自适应超声电机，其特征在于：所述的温度传感器（4）为热敏电阻，由I/O电极（13）、 Al2O3陶瓷基板（14）、热敏电阻体（15）组成。
3.根据权利要求1所述的基于温度跟踪的自适应超声电机，其特征在于：所述的柔性印刷线路板（5）由外环压电陶瓷连接I/O线路（16）、内环电机公用端、隔离线路（17）、温度传感器I/O线路（18）以及电机引出线缆焊接端（19）组成。
4.根据权利要求1所述的基于温度跟踪的自适应超声电机，其特征在于：所述的超声电机引出线缆（7）中温度传感器信号线采用独立屏蔽信号线。
5.根据权利要求1所述的基于温度跟踪的自适应超声电机，其特征在于：所述的温度传感器控制单元（8）的温度测量单元采用恒流源法测量温度传感器。
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