CN109905054A - 一种超声波振动电机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声波振动电机及其控制方法，本发明的超声波振动电机的工作原理为：叠加成行波的两列驻波之一的驱动频率改变时，因相位的累积变化，所叠加的行波方向会发生正反切换，带动电机同步进行正反转切换，利用换向产生的作用力反作用力获得振动。在一定范围内改变驻波驱动频率差时电机能变频振动，且不需要其它改变，拓展了现有行进波型超声波电机的功能，本发明技术方案只需要通过控制两列驻波之间的频率差就可以实现振动频率的精确控制，超声波振动电机的频率稳性定好，控制精度高，使用寿命长，抗干扰性强。

Description

一种超声波振动电机及其控制方法

技术 领域

本发明涉及超声波电机技术领域，尤其涉及一种超声波振动电机及其控制方法。

背景技术

超声波电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，通过定子放大其微观变形，再通过定转子之间的摩擦耦合带动转子而驱动的电机。人耳能感知的声音频率，约由50Hz~20kHz之范围，因此超声波为20kHz以上频率之音波或机械振动。以外加交流电压做驱动源之下的压电陶瓷会产生超声波的交替伸缩现象，虽然伸缩的大小仅达数微米程度，但因每秒之伸缩达几万甚至几十万次，每秒可移动达数厘米。

超声波电机可以瞬间改变方向，且体积、重量等在设计上较具弹性，其频率稳定性好，控制精度高，抗干扰能力强。现有的电机振动一旦设定好，其振动频率是一定的，做不到变频振动。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种超声波振动电机及其控制方法，旨在解决现有超声波电机不能变频振动的技术问题。

本发明的技术方案如下：

一种超声波振动电机，其中，包括底座，设置在所述底座上的圆盘形定子，设置在所述圆盘形定子上方的柔性转子以及设置在所述圆盘形定子下方的环形压电陶瓷，所述环形压电陶瓷包括A区压电陶瓷和B区压电陶瓷，所述A区压电陶瓷和B区压电陶瓷在空间上相差1/4的行波波长，所述A区压电陶瓷与A相交流电源相连，所述B区压电陶瓷与B相交流电源相连，所述A相交流电源和B相交流电源与一变频器相连。

所述超声波振动电机，其中，所述A区压电陶瓷和B区压电陶瓷对称设置，所述A区压电陶瓷和B区压电陶瓷上的电极分区数量相等。

所述超声波振动电机，其中，A区压电陶瓷上电极分区的总宽度和B区压电陶瓷上电极分区的总宽度均为行波波长的整数倍。

所述超声波振动电机，其中，所述A区压电陶瓷和B区压电陶瓷上均包括有6个电极分区，每个电极分区的宽度为1/2的行波波长。

所述超声波振动电机，其中，按逆时针方向，A区压电陶瓷和B区压电陶瓷上电极分区的极化方向均按照“+－+－+－”排列。

所述超声波振动电机，其中，所述A区压电陶瓷和B区压电陶瓷均包括有12个电极分区，每个电极分区的宽度为1/4的行波波长。

所述超声波振动电机，其中，按逆时针方向，A区压电陶瓷和B区压电陶瓷上电极分区的极化方向均按照“++－－++－－++－－”排列。

一种超声波振动电机的控制方法，其中，包括步骤：

通过A相交流电源和B相交流电源分别对A区压电陶瓷和B区压电陶瓷施加激励电压激励出两列幅值相等，频率相同，时间和空间均相差1/4行波波长的驻波，两列驻波叠加形成行波使得超声波振动电机的柔性转子转动；

改变A相交流电源对A区压电陶瓷施加激励电压的频率或改变B相交流电源对B区压电陶瓷施加激励电压的频率，使得柔性转子发生周期性正反转，通过柔性转子的周期性正反转来使得超声波振动电机变频振动。

所述的控制方法，其中，所述激励电压的频率范围为100-10000HZ。

有益效果：本发明提供了一种超声波振动电机及其控制方法，本发明的超声波振动电机的工作原理为：叠加成行波的两列驻波之一的驱动频率改变时，因相位的累积变化，所叠加的行波方向会发生正反切换，带动电机同步进行正反转切换，利用换向产生的作用力反作用力获得振动。在一定范围内改变驻波驱动频率差时电机能变频振动，且不需要其它改变，拓展了现有行波型超声波电机的功能。本发明技术方案只需要通过控制两列驻波之间的频率差就可以实现振动频率的精确控制，本发明的超声波振动电机的频率稳性定好，控制精度高，使用寿命长，抗干扰性强。

附图说明

图1为本发明一种超声波振动电机的结构示意图；

图2为本发明一种超声波振动电机的压电陶瓷结构示意图；

图3为本发明另一种超声波振动电机的压电陶瓷结构示意图；

图4为本发明一种超声波振动电机的控制方法流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种超声波振动电机及其控制方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本发明提供的一种超声波振动电机，包括底座10，设置在所述底座上的圆盘形定子20，设置在所述圆盘形定子上方的柔性转子30以及设置在所述圆盘形定子下方的环形压电陶瓷40，参见图2和图3，所述环形压电陶瓷包括A区压电陶瓷和B区压电陶瓷，所述A区压电陶瓷和B区压电陶瓷在空间上相差1/4的行波波长，所述A区压电陶瓷与A相交流电源相连，所述B区压电陶瓷与B相交流电源相连，所述A相交流电源和B相交流电源与一变频器相连。

本发明的超声波振动电机结构为一圆盘式行波型超声电机，圆盘形定子上部均匀分布m*（4或8）个齿（m为模态阶数），下部连接有一片环形压电陶瓷，其电极分区与模态阶数对应。本发明的超声波振动电机的工作原理是：当叠加成行波的两列驻波之一的驱动频率改变时，因相位的累积变化，所叠加的行波方向会发生正反切换，带动电机同步进行正反转切换，利用换向产生的作用力反作用力获得振动。在一定范围内改变驻波驱动频率差时电机能变频振动，且不需要其它改变。

本发明技术方案中的A相交流电源和B相交流电源的激励电压的频率通过变频器来控制，本发明技术方案中的变频器可以为现有市场上可以买到的任意型号的变频器，该变频器的作用仅在于改变A相交流电源和B相交流电源激励电压的频率，从而使得A相交流电源和B相交流电源激发的两列驻波的频率不同，从而产生相位差，相位差周期性变化，柔性转子发生周期性的正反转，利用柔性转子正反转交替的过程中产生的反作用力带动超声波电机振动。

压电陶瓷片是超声波电机的重要部件，压电陶瓷在通电的情况下能够产生逆压电效应，当在压电陶瓷的上、下表面施加正向电压，在压电陶瓷表面形成上正、下负的电场时，压电陶瓷在长度方向便会伸张；反之，若在压电陶瓷上、下表面施加反向电场．则压电陶瓷在长度方向就会收缩。当对压电陶瓷施加交变电场时，在压电陶瓷中就会激发出某种模态的弹性振动。当外电场的交变频率与压电陶瓷的机械谐振频率一致时，振动体就进入机械谐振状态。在一定的情况下，压电陶瓷片的厚度决定了在一定电压下是否能够起振，如果压电陶瓷片太厚，则在通常情况下不易起振，如果压电陶瓷片太薄，则在高频谐振条件下，由于形变过大而容易发生断裂，并且加工难度也会增大。另外，压电陶瓷片的厚度对压电振子的固有谐振频率影响较大，优选的，本发明技术方案中的压电陶瓷片厚度为0.05mm～1mm。

在一种优选的实施方式中，所述A区压电陶瓷和B区压电陶瓷对称设置，所述A区压电陶瓷和B区压电陶瓷上的电极分区数量相等。本发明技术方案中的A区压电陶瓷和B区压电陶瓷上电极分区的设置只要能够满足能够形成两列驻波，并且这两列驻波能够叠加成行波即可，A区压电陶瓷和B区压电陶瓷电极所形成的两列驻波的波长可以相同也可以不同，比如，在一种情况下，A区压电陶瓷和B区压电陶瓷也可以非对称设置，A区压电陶瓷形成的驻波为3个行波波长，B区压电陶瓷形成的驻波为2个行波波长，即A区压电陶瓷和B区压电陶瓷上的电极分区数量可以不相等。优选的A区压电陶瓷和B区压电陶瓷对称设置且电极分区数量相等，有利于超声波振动电机的运行稳定以及提高超声波电机的使用寿命。

在一种优选的实施方式中，A区压电陶瓷上电极分区的总宽度和B区压电陶瓷上电极分区的总宽度均为行波波长的整数倍。本发明技术方案中的A区压电陶瓷上电极分区的总宽度和B区压电陶瓷上电极分区的总宽度不限，可以根据实际需要进行设置，总宽度不宜设置的过长，优选为3-5个行波波长，总宽度过长容易增加控制的难度。

参见图2，在一种优选的实施方式中，所述A区压电陶瓷和B区压电陶瓷上均包括有6个电极分区，每个电极分区的宽度为1/2的行波波长。A区压电陶瓷上6个电极分区分别与A相交流电源相连，由于极化方向正反相隔，当A相交流电源对6个电极分区分别施加激励不同方向的电压时，能够产生一列驻波，B区压电陶瓷上6个电极分区分别与B相交流电源相连，当B相交流电源对6个电极分区同样分别施加不同方向的电压时，使其产生另一列驻波。

在一种优选的实施方式中，按逆时针方向，A区压电陶瓷和B区压电陶瓷上电极分区的极化方向均按照“+－+－+－”排列。其中的“+”和“－”的极化方向不固定，仅表示相邻极化分区的的极化方向是相反的，极化分区的极化方向是周期性变化的，当一个为拉长状态时，另外一个则为压缩状态，通过极化分区依次正负相隔排列来形成驻波。

参见图3，在一种优选的实施方式中，所述A区压电陶瓷和B区压电陶瓷均包括有12个电极分区，每个电极分区的宽度为1/4的行波波长。电极分区越多，所能够产生的驻波波形就越精确，但是同时也带来了控制上和加工上难度的增加。

在一种优选的实施方式中，按逆时针方向，A区压电陶瓷和B区压电陶瓷上电极分区的极化方向均按照“++－－++－－++－－”排列。在该种方案中，就相当于将6个电极分区的技术方案中的每一个电极分区分成了2个，这两个电极分区的极化方向是相同的，分别占有1/4的行波波长，同样的，其中的“+”和“－”只表示极化方向相反。

此外，参见图4，本发明还提供了一种超声波振动电机的控制方法，包括步骤：

S100、通过A相交流电源和B相交流电源分别对A区压电陶瓷和B区压电陶瓷施加激励电压激励出两列幅值相等，频率相同，时间和空间均相差1/4行波波长的驻波，两列驻波叠加形成行波使得超声波振动电机的柔性转子转动；

S200、改变A相交流电源对A区压电陶瓷施加激励电压的频率或改变B相交流电源对B区压电陶瓷施加激励电压的频率，使得柔性转子发生周期性正反转，通过柔性转子的周期性正反转来使得超声波振动电机变频振动。

本发明超声波振动电机的运动机理如下，当圆盘形定子（弹性体）的两个同频、同形的驻波在空间和时间上相差π/2（1/4个行波波长）时，就能叠加成行波。由于A相交流电源和B相交流电源均与变频器相连，当柔性转子稳定转动一定的时间后，通过改变A相交流电源和B相交流电源其中之一的激励电压频率，激励电压的频率可调节范围为100-10000HZ，使得两列驻波之间的相位差发生变化，柔性转子则可以实现正反转，在柔性转子正反向转切换的过程中，会出现一个反作用力，该反作用力能够带动超声波电机实现振动，利用该原理来制备超声波振动电机，。

在一种实施方式中，其中一列驻波的波形函数为正弦函数Y=A Sin（2πft+α），2πft+α为其相位，则开始时，叠加的两列驻波方程分别为，Y1=A Sin2πf₁t，Y2=A Sin（2πf₂t+π/2）。当f₁=f₂时，两列驻波相位差保持不变，质点椭圆形运动方向不变，则行波方向不变。当f₁≠f₂时，相位差φ会发生变化，φ=π时，行波方向会相反，质点椭圆形运动相反，则电机反转。在一种情况下，假定该列驻波对应的驱动频率分别为f₁=40000Hz，f₂=39999Hz，此时，频率差△f=1Hz，相位差φ在初始相位差的基础上变化量为2π，当相位差φ=π时，圆盘形定子上质点的运动轨迹反向，并开始原路返回起点，回到起点时其相位差为φ=2π或0，此时，又重新按照初始状态叠加，周而复始，周期循环。

根据该原理可知，当△f=1Hz，在1秒内电机换向次数n=1。当△f=2Hz，n=2，在1秒内电机换向次数n=2，当△f=0.01Hz时，则需要100秒才能完成一次换向，以此类推，都是成立的。而频率差△f又是精确可控的，即可以通过不断的调整频率差来实现超声波振动电机的变频振动。

在一种更优选实施方式中，本发明的变频器内设置有三种变频模式，包括高频振动模式，中频振动模式以及低频振动模式，高频振动模式时，A相交流电源和B相交流电源之间的频率差△f范围为100-500 Hz，中频振动模式时，A相交流电源和B相交流电源之间的频率差△f范围为1-100 Hz，低频振动模式时，A相交流电源和B相交流电源之间的频率差△f范围为0.01-1 Hz。

综上所述，本发明提供了一种超声波振动电机及其控制方法，本发明的超声波振动电机的工作原理为：叠加成行波的两列驻波之一的驱动频率改变时，因相位的累积变化，所叠加的行波方向会发生正反切换，带动电机同步进行正反转切换，利用换向产生的作用力反作用力获得振动。在一定范围内改变驻波驱动频率差时电机能变频振动，且不需要其它改变，拓展了现有行进波型超声波电机的功能，本发明技术方案只需要通过控制两列驻波之间的频率差就可以实现振动频率的精确控制，超声波振动电机的频率稳性定好，控制精度高，使用寿命长，抗干扰性强。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种超声波振动电机，其特征在于，包括底座，设置在所述底座上的圆盘形定子，设置在所述圆盘形定子上方的柔性转子以及设置在所述圆盘形定子下方的环形压电陶瓷，所述环形压电陶瓷包括A区压电陶瓷和B区压电陶瓷，所述A区压电陶瓷和B区压电陶瓷在空间上相差1/4的行波波长，所述A区压电陶瓷与A相交流电源相连，所述B区压电陶瓷与B相交流电源相连，所述A相交流电源和B相交流电源与一变频器相连。

2.根据权利要求1所述超声波振动电机，其特征在于，所述A区压电陶瓷和B区压电陶瓷对称设置，所述A区压电陶瓷和B区压电陶瓷上的电极分区数量相等。

3.根据权利要求2所述超声波振动电机，其特征在于，A区压电陶瓷上电极分区的总宽度和B区压电陶瓷上电极分区的总宽度均为行波波长的整数倍。

4.根据权利要求3所述超声波振动电机，其特征在于，所述A区压电陶瓷和B区压电陶瓷上均包括有6个电极分区，每个电极分区的宽度为1/2的行波波长。

5.根据权利要求4所述超声波振动电机，其特征在于，按逆时针方向，A区压电陶瓷和B区压电陶瓷上电极分区的极化方向均按照“+－+－+－”排列。

6.根据权利要求3所述超声波振动电机，其特征在于，所述A区压电陶瓷和B区压电陶瓷均包括有12个电极分区，每个电极分区的宽度为1/4的行波波长。

7.根据权利要求6所述超声波振动电机，其特征在于，按逆时针方向，A区压电陶瓷和B区压电陶瓷上电极分区的极化方向均按照“++－－++－－++－－”排列。

8.一种超声波振动电机的控制方法，其特征在于，包括步骤：

通过A相交流电源和B相交流电源分别对A区压电陶瓷和B区压电陶瓷施加激励电压激励出两列幅值相等，频率相同，时间和空间均相差1/4行波波长的驻波，两列驻波叠加形成行波使得超声波振动电机的柔性转子转动；

改变A相交流电源对A区压电陶瓷施加激励电压的频率或改变B相交流电源对B区压电陶瓷施加激励电压的频率，使得柔性转子发生周期性正反转，通过柔性转子的周期性正反转来使得超声波振动电机变频振动。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述激励电压的频率范围为100-10000HZ。