CN106452173A - 空间调相环形行波电机结构误差在线消除校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种空间调相环形行波电机结构误差在线消除校正方法，在检测得到空间调相环形行波电机由于结构误差导致的波幅偏差和空间相位偏差的基础上，利用空间调相环形行波超声波电机具有产生不同空间相位、不同幅值的驻波的能力，分别对波幅偏差和空间相位偏差进行消除校正，以校正定子中由于结构误差导致的驻波分量；该方法通过调节空间调相环形行波超声波电机的B3相和B4相电压幅值，消除由于结构误差导致的B相驻波幅值偏离Δc和空间相位差偏离Δx，使B相驻波波幅与A相驻波相等，B相驻波空间相位与A相驻波错开90°。此时电机定子中的合成波形将全部为行波，由于电机结构误差导致的结构误差驻波得到消除，提升了电机的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种空间调相环形行波电机结构误差在线消除校正方法。
背景技术
环形行波超声波电机的两相压电陶瓷在定子上产生两相时间相位互差的驻波，当电机结构完全对称时，两相驻波幅值相等，空间相位也相差其在定子中合成一个“纯”行波。但电机结构总存在误差，这将使两相驻波波幅不相等，空间相位差也偏离定子中的合成波形不是理想的行波，而是一个包含行波分量和驻波分量的复合波。相较于理想情况，行波分量下降，从而降低电机运行效率。
空间调相环形行波超声波电机具有生成不同空间相位不同幅值的驻波的能力，利用这种能力，理论上可以对于由于电机结构误差导致的驻波分量进行校正。但是由于非线性等因素，多孤极及复合孤极技术只能定性检测Δc和Δx偏离0的方向，无法准确获得结构误差驻波分量的表达式，因此通过直接生成校正驻波进行校正是不可行的，只能通过连续反复的检测-校正这一过程进行校正。
发明内容
本发明的目的是提供一种空间调相环形行波电机结构误差在线消除校正方法，能够实时在线对空间调相环形行波超声波电机结构误差导致的定子中结构误差驻波分量进行消除校正，解决现有技术中存在的上述问题。
本发明的技术解决方案是：
一种空间调相环形行波电机结构误差在线消除校正方法，在检测得到空间调相环形行波电机由于结构误差导致的波幅偏差和空间相位偏差的基础上，利用空间调相环形行波超声波电机具有产生不同空间相位、不同幅值的驻波的能力，分别对波幅偏差和空间相位偏差进行消除校正，以校正定子中由于结构误差导致的驻波分量。
进一步地，检测空间调相环形行波电机由于结构误差导致的空间相位偏差，具体为：将孤极p1和孤极p2短路，构成新的复合孤极p5，检测以α3为中心位置的半个波长的定子圆周上的定子振幅；将孤极p2和孤极p3短路，构成新的复合孤极p6，检测以β3为中心位置的半个波长的定子圆周上的定子振幅；比较空间两个位置α3、β3定子振幅的差异，通过α3、β3位置定子振幅的差异判断两相驻波的空间相位差偏离的角度Δx方向。
进一步地，检测得到空间调相环形行波电机由于结构误差导致的波幅偏差，具体为：比较空间两个位置α1、β1定子振幅的差异，通过α1、β1位置定子振幅的差异判断两相驻波的波幅差偏离Δc的方向。
进一步地，空间相位偏差进行消除校正是根据实时的B相驻波空间相位差偏离Δx，对B3相电压幅值和B4相电压幅值进行大小相等、方向不同的调节，以消除B相驻波空间相位差偏离Δx。
进一步地，空间相位偏差进行消除校正，具体为：当α3位置的振幅大于β3位置的振幅时，增加B3相电压幅值，减少B4相电压幅值，直至当α3位置的振幅等于β3位置的振幅时为止，完成B相驻波空间相位差偏离的在线消除校正；当α3位置的振幅小于β3位置的振幅时，减少B3相电压幅值，增加B4相电压幅值，直至当α3位置的振幅等于β3位置的振幅时为止，完成B相驻波空间相位差偏离的在线消除校正。
进一步地，α3位置在空间逆时针滞后于A相驻波波节位置八分之一行波波长，β3位置在空间逆时针滞后于A相驻波波幅位置八分之一行波波长。
进一步地，波幅偏差的消除校正是在消除B相驻波空间相位偏离Δx后，根据实时的B相驻波幅值偏离Δc，对B3相电压幅值和B4相电压幅值进行方向相同的同比例调节，以消除B相驻波幅值偏离Δc。
进一步地，对波幅偏差进行消除校正，具体为：当α1位置的振幅大于β1位置的振幅时，同比例减少B3相合B4相电压幅值，直到α1位置的振幅等于β1位置的振幅时为止，完成B相驻波幅值偏离的在线消除校正；当α1位置的振幅小于β1位置的振幅时，同比例增加B3相合B4相电压幅值，直到α1位置的振幅等于β1位置的振幅时为止，完成B相驻波幅值偏离的在线消除校正。
进一步地，α1位置位于A相驻波波节位置，β1位置位于A相驻波波幅位置。
进一步地，孤极p1的中心线或等效中性线位于α1位置；孤极p2的中心线或等效中性线位于β1位置；将孤极p1和孤极p2短路，构成新的复合孤极p5，孤极p5的中心线或等效中性线位于α3位置；将孤极p2和孤极p3短路，构成新的复合孤极p6，孤极p6的中心线或等效中性线位于β3位置。
本发明的有益效果是：
一、该种空间调相环形行波电机结构误差在线消除校正方法，能够实时在线对空间调相环形行波超声波电机结构误差导致的定子中结构误差驻波分量进行消除校正。
二、本发明通过调节空间调相环形行波超声波电机的B3相和B4相电压幅值，消除由于结构误差导致的B相驻波幅值偏离Δc和空间相位差偏离Δx，使B相驻波校正为：即B相驻波波幅与A相驻波相同，空间相位与A相驻波相差此时电机定子中的合成波形将全部为行波，由于电机结构误差导致的结构误差驻波得到消除，提升了电机的性能。
附图说明
图1是本发明所使用的环形行波超声波电机压电陶瓷分区及电源示意图。
图2是本发明复合孤极p5分区的示意图。
图3是本发明复合孤极p6分区的示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例
一种空间调相环形行波电机结构误差在线消除校正方法，在已知空间调相环形行波电机由于结构误差导致的波幅偏差和空间相位偏差的基础上，本方案利用空间调相环形行波超声波电机具有产生不同空间相位、不同幅值的驻波的能力，分别对波幅偏差和空间相位偏差进行消除校正，以校正定子中由于结构误差导致的驻波分量。
以如附图1所示的，在定子圆周上分布有九个基波波长的空间行波的非对称陶瓷分区的空间调相环形行波超声波电机为例进行说明，对于各种环形行波超声波电机均有相类似的方法和结论。
如图1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。按逆时针方向，定义A1区压电陶瓷的起始位置为起始位置，则4π处为A1区压电陶瓷的结束位置，4π为孤极p1的起始位置，4.5π为孤极p1的结束位置，4.5π为孤极p2的起始位置，5π为孤极p2的结束位置，5π为孤极p3的起始位置，5.5π为孤极p3的结束位置，5.5π处为B3区压电陶瓷的起始位置为起始位置，9.5π处为B3区压电陶瓷的结束位置，9.5π处为A2区压电陶瓷的起始位置为起始位置，13.5π处为A2区压电陶瓷的结束位置，13.5π为孤极p4的起始位置，14π为孤极p4的结束位置，14π处为B4区压电陶瓷的起始位置为起始位置，18π处为B4区压电陶瓷的结束位置。
空间调相环形行波超声波电机的压电陶瓷包括A1区压电陶瓷、A2区压电陶瓷、B3区压电陶瓷和B4区压电陶瓷，A1区压电陶瓷、A2区压电陶瓷、B3区压电陶瓷和B4区压电陶瓷中各含有四个压电陶瓷极化分区，极化分区的宽度为空间位长度均是二分之一基波波长。A1区压电陶瓷、A2区压电陶瓷、B3区压电陶瓷和B4区压电陶瓷中内部的极化分区沿逆时针方向均是按“+－+－”方向进行极化的，孤极p1、孤极p2、孤极p3和孤极p4按同按“+”或同按“－”方向极化。“+”表示正向极化，“－”表示反向极化，对极化的正方向可自由定义，仅要求其垂直于陶瓷平面即可。
如图2所示，4π为孤极p5的起始位置，5π为孤极p5的结束位置，孤极p5是由孤极p1孤极p2短路而成。
如图3所示，4.5π为孤极p5的起始位置，5.5π为孤极p6的结束位置，孤极p6是由孤极p2孤极p3短路而成。
电源表达式描述为电源一1为a cos ωt、电源二2为-a cos ωt、电源三3为a sinωt、电源四4为a sin ωt；a为所有电源的电压幅值大小，为标么值。
理想情况下四个电源在定子上激发四个驻波，其表达式为：
空间调相环形行波超声波电机A相驻波有A1相驻波和A2相驻波合成，B相驻波由B1相驻波和B2相驻波合成，时间相位相同的两个驻波两两合成新的驻波，A相驻波和B相驻波的表达式为：
但如果电机存在结构误差，A相驻波和B相驻波实际表达式应为
定子中的波形为：
其中：ar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，Δc反应了B相驻波相对于A相驻波的幅值偏离，Δx1，Δx2表示A相驻和B相驻波空间相位相对于理想值的偏离大小，Δx＝Δx1-Δx2为B相驻波相对于A相驻波的空间相位差偏离。说明书中相同符号表示相同的含义。当Δc＝0，Δx＝0时，上述两个驻波的合成波形为一个纯行波，电机结构误差的影响将不存在，因此实施例首先需要检测出Δc和Δx。
1、将定子波形分解到α1位置和β1位置：
此时孤极p1和孤极p2的输出电压为：
式中wα1，wβ1为定子波在α1方向和β1方向的分量，h1是在单个孤极上电压相对于振幅的系数，Uα1，Uβ1，η1，η2分别为孤极p1和孤极p2电压的幅值和时间相位。说明书中相同符号表示相同的含义。比较孤极p1和孤极p2电压的幅值，在电机结构误差不过于巨大时：
因为：cos2Δx1＞0
所以，两相驻波波幅差异的检测方案为：
Uα1＞Uβ1时，Δc＞0，说明A相驻波波幅小于B相驻波波幅；
Uα1＜Uβ1时，Δc＜0，说明A相驻波波幅大于B相驻波波幅；
Uα1＝Uβ1时，Δc＝0，说明A相驻波波幅等于B相驻波波幅。
2、将定子波形分解到α3位置和β3位置：
此时孤极p5和孤极p6的输出电压为：
式中，Uα3，Uβ3，η3，η4分别为孤极p5和孤极p6电压的幅值和时间相位。说明书中相同符号表示相同的含义。
比较孤极p5和孤极p6电压的幅值，在电机结构误差不过于巨大时：
因此，空间相位误差的检测方案为：
Uα3＞Uβ3时，Δx＜0，说明A相驻波与B相驻波的空间相位差小于
Uα3＜Uβ3时，Δx＞0，说明A相驻波与B相驻波的空间相位差大于
Uα3＝Uβ3时，Δx＝0，说明A相驻波与B相驻波的空间相位差等于
实施例中，利用多孤极以及孤极复用技术检测定子不同圆周位置的振幅，通过孤极上的电压幅值的差异，比较圆周上不同位置振幅差异，对电机结构误差导致的定子中两相驻波的幅值偏离信息和空间相位差偏离信息进行了识别。复合孤极技术可以在有限空间内，为更多位置提供振幅比较方案。多次的关键位置振幅比较，可以近似解耦的定性分析环形行波超声波电机两相驻波的振幅差和空间相位差受结构误差影响而偏离的方向。
在检测两相驻波的振幅差和空间相位差的偏离方向基础上，空间调相环形行波超声波电机结构误差的消除校正步骤如下：
1、B相驻波空间相位差偏离的消除校正
对B3相电压幅值和B4相电压幅值进行大小相等，方向不同的调节，电压幅值调节的大小均为q1。此时B3相和B4相电源为：
假设，B3相和B4相激发的驻波是理想的，则B相合成驻波表达式为：
其中，
调节电压大小q1的影响为：
(1)当q1＞0时，B相合成驻波的幅值位置向B4相驻波的幅值位置发生“移动”，减少了A相驻波和B相驻波的空间相位差。
(2)当q1＜0时，B相合成驻波的幅值位置向B3相驻波的幅值位置发生“移动”，增加了A相驻波和B相驻波的空间相位差。
该结论是在假设B3相驻波和B4相驻波理想情况下获得的，实际情况要更复杂，但是q1的变化对γB的影响趋势仍然是相同的，因此上述结论仍然成立。
综合上述结论和B相驻波空间相位差偏离检测方案可得B相驻波空间相位差偏离消除校正的原则：
(1)当α3位置的振幅大于β3位置的振幅时，则Δx＜0，说明A相驻波与B相驻波的空间相位差小于此时应增加两相驻波的相位差，可使q1＜0，即增加B3相电压幅值，减少B4相电压幅值，直至当α3位置的振幅等于β3位置的振幅时为止；
(2)当α3位置的振幅小于β3位置的振幅时，则Δx＞0，说明A相驻波与B相驻波的空间相位差大于此时应减少两相驻波的相位差，可使q1＞0，即减少B3相电压幅值，增加B4相电压幅值，直至当α3位置的振幅等于β3位置的振幅时为止。
2、B相驻波幅值偏离的消除校正
在完成B相驻波空间相位差偏离的校正的基础上，对B3相电压幅值和B4相电压幅值进行方向相同的同比例调节，电压幅值调节的比例为k1。此时B3相合B4相电源为：
k1为一个大于0的B区电压调节系数，其影响为：
(1)当k1＞1时，B相驻波的波幅增加；
(2)当k1＜1时，B相驻波的波幅减少。
结合B相驻波幅值偏离检测方案可得B相驻波幅值偏离消除校正的原则：
(1)当α1位置的振幅大于β1位置的振幅时，则Δc＞0，说明A相驻波波幅小于B相驻波波幅，此时应减少B相驻波波幅，可使k1＜1，即同时同比例减少B3相和B4相电压幅值，直到α1位置的振幅等于β1位置的振幅时为止；
(2)当α1位置的振幅小于β1位置的振幅时，则Δc＜0，说明A相驻波波幅大于B相驻波波幅，此时应增加B相驻波波幅，可使k1＞1，即同时同比例增加B3相和B4相电压幅值，直到α1位置的振幅等于β1位置的振幅时为止。
Claims (8)
1.一种空间调相环形行波电机结构误差在线消除校正方法，其特征在于：在检测得到空间调相环形行波电机由于结构误差导致的波幅偏差和空间相位偏差的基础上，利用空间调相环形行波超声波电机具有产生不同空间相位、不同幅值的驻波的能力，分别对波幅偏差和空间相位偏差进行消除校正，以校正定子中由于结构误差导致的驻波分量。
2.如权利要求1所述的空间调相环形行波电机结构误差在线消除校正方法，其特征在于：空间相位偏差进行消除校正是根据实时的B相驻波空间相位差偏离Δx，对B3相电压幅值和B4相电压幅值进行大小相等、方向不同的调节，以消除B相驻波空间相位差偏离Δx。
3.如权利要求2所述的空间调相环形行波电机结构误差在线消除校正方法，其特征在于：空间相位偏差进行消除校正，具体为：当α3位置的振幅大于β3位置的振幅时，增加B3相电压幅值，减少B4相电压幅值，直至当α3位置的振幅等于β3位置的振幅时为止，完成B相驻波空间相位差偏离的在线消除校正；当α3位置的振幅小于β3位置的振幅时，减少B3相电压幅值，增加B4相电压幅值，直至当α3位置的振幅等于β3位置的振幅时为止，完成B相驻波空间相位差偏离的在线消除校正。
4.如权利要求3所述的空间调相环形行波电机结构误差在线消除校正方法，其特征在于：α3位置在空间逆时针滞后于A相驻波波节位置八分之一行波波长，β3位置在空间逆时针滞后于A相驻波波幅位置八分之一行波波长。
5.如权利要求1-4所述的空间调相环形行波电机结构误差在线消除校正方法，其特征在于：波幅偏差的消除校正是在消除B相驻波空间相位偏离Δx后，根据实时的B相驻波幅值偏离Δc，对B3相电压幅值和B4相电压幅值进行方向相同的同比例调节，以消除B相驻波幅值偏离Δc。
6.如权利要求5所述的空间调相环形行波电机结构误差在线消除校正方法，其特征在于：对波幅偏差进行消除校正，具体为：当α1位置的振幅大于β1位置的振幅时，同比例减少B3相合B4相电压幅值，直到α1位置的振幅等于β1位置的振幅时为止，完成B相驻波幅值偏离的在线消除校正；当α1位置的振幅小于β1位置的振幅时，同比例增加B3相合B4相电压幅值，直到α1位置的振幅等于β1位置的振幅时为止，完成B相驻波幅值偏离的在线消除校正。
7.如权利要求6所述的空间调相环形行波电机结构误差在线消除校正方法，其特征在于：α1位置位于A相驻波波节位置，β1位置位于A相驻波波幅位置。
8.如权利要求7所述的空间调相环形行波电机结构误差在线消除校正方法，其特征在于：孤极p1的中心线或等效中性线位于α1位置；孤极p2的中心线或等效中性线位于β1位置；将孤极p1和孤极p2短路，构成新的复合孤极p5，孤极p5的中心线或等效中性线位于α3位置；将孤极p2和孤极p3短路，构成新的复合孤极p6，孤极p6的中心线或等效中性线位于β3位置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |