CN109104120A - 超声电机的频率调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声电机的频率调节方法，包括转子、由金属基体和至少两个粘贴在所述金属基体外表面上的压电陶瓷元件复合而成的定子，所述两压电陶瓷元件其中的一个压电陶瓷元件连接驱动电压信号用于激励电机的振动模态，另一个压电陶瓷元件上外接可调负载，用于调节电机两振动模态的共振频率；还包括温度采集器和控制器，所述温度采集器在超声电机上设置；控制器以温度采集器检测的温度值为改变可调负载的信号源控制所述可调负载自动调节，以完成电机两振动模态共振频率的自动调节。本发明较以往的超声电机频率调节方法相比，该频率调节方法设计简单、易于实现，并且极大的提高了超声电机的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声电机的频率调节方法，属超声电机的运动控制领域。
背景技术
超声波电机是近年发展起来的一种新型电机，它利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将压电陶瓷的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。由于独特的运行机理，超声电机具有传统电磁式电机所不具备的优点，如体积小、质量轻、低速大转矩、无电磁干扰、噪声小、控制精度高、响应速度快等，在非连续运动领域及精密控制领域有广阔的应用前景。其中，中国专利，公开号为CN 107742993 A，公开了单相激励型面内振动超声电机及其单相激励方法，然而，为获得较大的输出力矩，超声波电机必须工作在某个最佳频率上。但由于超声波电机中压电陶瓷的介电系数、等效电容及漏电阻都会随电机运行中电机本体温度的升高发生变化，这将使得电机所需的最佳激励频率约有1～2kHz的变化。如果驱动频率不变，电机转速将明显下降，甚至停转。为了稳定地驱动超声波电机，在不改变激励频率的前提下，有必要根据温度的变化自动调节电机的共振频率，以实现电机的稳定运转。
目前常用的方式是通过改变电机的激励频率，以使得激励频率能跟踪电机共振频率的变化，而实现超声电机频率自动跟踪控制的主要途径有两大类：一是利用附着在定子上的压电陶瓷孤极，通过其反馈电压来反映定子的振动状态，亦称为基于传感器的频率跟踪方法，它不适用于无法安装或构造传感器的超声电机，并且该压电陶瓷孤极只能用于反映定子的振动状态，造成了材料的浪费。同时，这种方法只适用于行波型超声电机的频率跟踪，适用范围较窄。另一类是利用电机的驱动电压、电流相位等驱动状态，亦称为无传感器的频率跟踪方法，但这种方法所要求的条件较苛刻，实现电路较复杂且参数的选择也较困难。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种超声电机的频率调节方法，其通过改变超声电机电端负载和压电耦合实现电机共振频率的调节，具体而言通过以下技术方案实现：
本发明所述的一种超声电机的频率调节方法，包括转子、由金属基体和至少两个粘贴在所述金属基体外表面上的压电陶瓷元件复合而成的定子，所述两压电陶瓷元件其中的一个压电陶瓷元件连接驱动电压信号用于激励电机的振动模态，另一个压电陶瓷元件上外接可调负载用于调节电机两振动模态的共振频率；还包括温度采集器和控制器，所述温度采集器在超声电机上设置；控制器以温度采集器检测的温度值为改变可调负载的信号源控制所述可调负载自动调节，以完成电机两振动模态共振频率的自动调节。
进一步，所述控制器以温度采集器检测的温度值为改变可调负载的信号源控制所述可调负载自动调节的具体步骤为：
a、测定定子的共振频率与温度的变化关系
T0为参考温度，通常为室温；ρ为定子的密度；a为定子体的厚度；为定子体在一定振动模态下的弹性模量；
b、测定可调负载值对共振频率的影响
当虚部为零时，计算得到超声电机等效电路模型的两振动模态的共振频率，即
其中，Cd为压电振子的静态电容，Rd为压电振子的介质损耗，R0为机械振动阻尼电阻，是两振动模态的共振频率；
c、由步骤a、b推出在不同的温度下可调负载需要改变的调节量；
将ω＝2πf带公式(3)：
由公式(1)和公式(4)且给定定子共振频率f0,计算出超声电机，温度变化后若要稳定f0,需要调节可调负载的调节量。
d、将步骤c得到的温度与调节量的关系输入控制器；
e：将温度采集器与控制器的输入端连接，控制器的输出端与可调负载电连接；控制器接收温度采集器检测的温度值时，通过步骤d得到的温度与调节量的关系，来控制可调负载的自动调节。
进一步，所述可调负载为电负载。
进一步，所述可调负载为可调电阻。
进一步，所述可调负载为由可调电阻和可调电感组成的感性负载，通过改变感抗自动调节两振动模态的共振频率。
进一步，所述可调负载为由可调电阻与可调电感并联。
进一步，所述可调负载为由可调电阻与可调电感串联。
进一步，所述可调负载为由可调电阻、可调电感、可调电容组成的回路。
本发明的有益效果：本发明与以往的超声电机频率调节方法相比，该频率调节方法是通过外接电负载来调节电机本体的共振频率，因而设计简单、易于实现，并且极大的提高了超声电机的稳定性。在本发明的其他有益效果将结合下文具体实施例中进行进一步的说明。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明频率调节原理示意图；
图2为超声电机等效电路模型；
图3为本发明调节的流程图；
其中：1、用于激励电机的振动模态的压电陶瓷元件；2、用于连接外接可调负载的压电陶瓷元件；3、可调负载；4、金属基体。
具体实施方式
如图所示：本发明所述的一种超声电机的频率调节方法，包括转子、由金属基体4和至少两个粘贴在所述金属基体外表面上的压电陶瓷元件复合而成的定子，所述两压电陶瓷元件其中的一个压电陶瓷元件1连接驱动电压信号用于激励电机的振动模态，另一个压电陶瓷元件2上外接可调负载3用于调节电机两振动模态的共振频率；在超声电机上设置温度采集器，以温度采集器检测的温度值为改变可调负载的信号源，实现对所述可调负载的调节以完成电机两振动模态的共振频率的自动调节。
在本实施例给中，所述控制器以温度采集器检测的温度值为改变可调负载的信号源控制所述可调负载自动调节的具体步骤为：
a、测定定子的共振频率与温度的变化关系：
T0为参考温度，通常为室温；ρ为定子的密度；a为定子体的厚度；为定子体在一定振动模态下的弹性模量；T为电机实时温度，也就是实际温度。
b、测定可调负载值对共振频率的影响；
对于超声电机而言，其整个等效电路呈现容性，因此，需要进行电感匹配。采用串联电感进行匹配时，由其等效电路模型有如下公式：
当虚部为零时，可以计算得到超声电机等效电路模型的两振动模态的共振频率，即
其中，Cd为压电振子的静态电容，Rd为压电振子的介质损耗，R0为机械振动阻尼电阻，是两振动模态的共振频率。
外接的电负载电阻和电容等相当于改变了上述公式中的R0和Cd，从而能改变两振动模态的共振频率。外接的电感可以用于调节超声电机因温度变化而导致的阻抗匹配不足的问题，能进一步提高电机的效率。
c、由步骤a、b推出在不同的温度下可调负载需要改变的调节量：
将ω＝2πf带公式(3)可得：
由公式(1)和公式(4)且给定定子共振频率f0,即可得出对某一确定结构的超声电机，温度变化后若要稳定f0,需要调节可调负载的调节量。
d、将步骤c得到的温度与调节量的关系输入控制器；
e：将温度采集器与控制器的输入端连接，控制器的输出端与可调负载电连接；控制器接收温度采集器检测的温度值时，通过步骤d得到的温度与调节量的关系，来控制可调负载的自动调节。
上述温度采集器优先选用温度传感器，当然也可是现有技术中的其它形式的温度采集器，在此不再赘述。
进一步的，本发明所述的可调负载优先选用电性负载。以简化结构和便于操作。
在本实施例给中，所述可调负载为可调电阻。
在本实施例给中，所述可调负载为由可调电阻和可调电感组成的感性负载，通过改变感抗自动调节两振动模态的共振频率。还可以为可调电阻、可调电感和可调电容组成的负载，三者之间的关系满足公式(4)。
在本实施例给中，所述可调负载为由可调电阻与可调电感并联而成。
在本实施例给中，所述可调负载为由可调电阻与可调电感串联而成。
上述所有实施例，还可以通过具体实验直接得到实际温度和可调负载需要的调节量之间的关系，具体如下：
T0为参考温度下通常为室温，给定或测定初始状态下定子的共振频率f0,设定电机的激励频率为定子的共振频率。在电机工作过程中，测定实时温度T下定子实际的共振频率f，然后人工调节或是自动控制可调负载3使调节过后的定子实际的共振频率f等于或接近初始状态下定子的共振频率f0，也就是电机的激励频率，此时记录可调负载3的调节量，得到由实际温度T与可调负载需要的调节量多组离散值表格。
将此表格输入控制器中。使用时，温度传感器实时检测电机工作的实时温度T并将信号传输给控制器，控制器根据接收到的实时温度T，通过寻址查表的方式得到对应的可调负载3的调节量，然后控制可调负载3动作，实现自动调节。
同时，还可在得到由实时温度T与可调负载需要的调节量组成的多组离散值表格后，利用PID算法来实现，此为现有技术在此不再赘述。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种超声电机的频率调节方法，包括转子、由金属基体和至少两个粘贴在所述金属基体外表面上的压电陶瓷元件复合而成的定子，其特征在于：所述两压电陶瓷元件其中的一个压电陶瓷元件连接驱动电压信号用于激励电机的振动模态，另一个压电陶瓷元件上外接可调负载用于调节电机两振动模态的共振频率；还包括温度采集器和控制器，所述温度采集器在超声电机上设置；控制器以温度采集器检测的温度值为改变可调负载的信号源控制所述可调负载自动调节，以完成电机两振动模态共振频率的自动调节。
2.根据权利要求1所述的超声电机的频率调节方法，其特征在于：所述控制器以温度采集器检测的温度值为改变可调负载的信号源控制所述可调负载自动调节的具体步骤为：
a、测定定子的共振频率与温度的变化关系
T0为参考温度，通常为室温；ρ为定子的密度；a为定子体的厚度；为定子体在一定振动模态下的弹性模量；
b、测定可调负载值对共振频率的影响
当虚部为零时，计算得到超声电机等效电路模型的两振动模态的共振频率，即
其中，Cd为压电振子的静态电容，Rd为压电振子的介质损耗，R0为机械振动阻尼电阻，是两振动模态的共振频率；
c、由步骤a、b推出在不同的温度下可调负载需要改变的调节量；
将ω＝2πf带公式(3)：
由公式(1)和公式(4)且给定定子共振频率f0,计算出超声电机温度变化后若要稳定f0,需要调节可调负载的调节量。
d、将步骤c得到的温度与调节量的关系输入控制器；
e：将温度采集器与控制器的输入端连接，控制器的输出端与可调负载电连接；控制器接收温度采集器检测的温度值时，通过步骤d得到的温度与调节量的关系，来控制可调负载的自动调节。
3.根据权利要求2所述的超声电机的频率调节方法，其特征在于：所述可调负载为电负载。
4.根据权利要求2所述的超声电机的频率调节方法，其特征在于：所述可调负载为可调电阻。
5.根据权利要求3所述的超声电机的频率调节方法，其特征在于：所述可调负载为由可调电阻和可调电感组成的感性负载，通过改变感抗自动调节两振动模态的共振频率。
6.根据权利要求5所述的超声电机的频率调节方法，其特征在于：所述可调负载为由可调电阻与可调电感并联。
7.根据权利要求5所述的超声电机的频率调节方法，其特征在于：所述可调负载为由可调电阻与可调电感串联。
8.根据权利要求3所述的超声电机的频率调节方法，其特征在于：所述可调负载为由可调电阻、可调电感、可调电容组成的回路。
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