CN1359189A - 三维自支撑摇头式高精度步进压电超声波马达及驱动系统 - Google Patents
三维自支撑摇头式高精度步进压电超声波马达及驱动系统 Download PDFInfo
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Abstract
三维自支撑摇头式高精度步进压电超声波马达及驱动系统属于压电超声波马达技术领域,其特征在于,它含有:转子、中心轴,由上端面与转子间呈三维自支撑式内倾斜接触而两侧减薄的上匹配块,与中心轴间隙配合而与上匹配块螺纹配合的下匹配块,受压于上、下匹配块间且与下匹配块电绝缘的压电陶瓷环片组成的定子,固定在下匹配块内孔中使中心轴定位的塑料圆环,由中心轴位置调整螺钉,弹性压紧件构成的预紧调整机构。同时提出了由脉冲发生电路,受控于斩波控制电路的分频移相电路和电压转换电路依次串接而成的马达驱动系统。它既可连续运动又可作步进角和步进频率均可手动调整的高精度步进运动,具有转子运转平稳,输出力矩大,马达寿命长,加工方便和成本较低的优点。
Description
技术领域
一种三维自支撑摇头式高精度步进压电超声波马达及驱动系统属于压电超声波马达技术领域，尤其涉及摇头式高精度步进压电超声波马达的技术领域。
背景技术
压电超声波马达由于自身响应速度快、断电自锁等特点，在精密仪器的驱动中有广泛应用。专利号为ZL97111805.1、名称为“基于弯曲振动模式的压电超声波微电动机”的中国发明专利提出了一种摇头式压电超声波马达，其结构如图1所示。它包括中心轴12，套在轴上的定子10和转子11。定子由上匹配块101，下匹配块103及紧压于其中的压电陶瓷环片102构成。定子10的内壁置有一对轴承131和132；中心轴12置于两轴承131和132之中，通过预紧调整机构14与转子11紧配合并输出转子11的力矩；转子11与定子10属于平面接触并开有若干齿槽1011来增大超声波动。该压电超声波马达具有下述缺点：
(1)定、转子间为平面接触，不利于处于不断地圆周绕摆运动状态的定子10与始终保持下接触端面为水平状态的转子10之间摩擦力矩的传递；(2)用一对轴承131、132对中心轴12定位，轴承自身的质量缺陷会影响马达转子的转动效果，一般会出现轴承噪音、两轴承内孔不对中所产生的轴别劲、转子处于不同位置时的频谱特性不一致、转子转动不平稳等现象，而且也加大了制造成本；(3)没有涉及马达的共振频率简并问题，两组压电陶瓷的频谱特征有明显差异，马达转子输出不稳定；(4)为了获得大的波动，定子上端面要开齿槽增加制造成本；(5)没有设计与外界构件联接的固定结构。
本发明的目的在于提供一种转子转动平稳、输出力矩大、马达使用寿命长、马达工作频带宽、驱动系统简单，总体成本低的三维自支撑摇头式高精度步进压电超声波马达，其驱动系统既能使马达连续运动，也能使马达实现步进角、步进速度均可连续调节的高精度的步进运动。
本发明的特征在于，它含有：转子，中心轴，由下端面与转子之间呈三维自支撑式内倾斜角环形接触而两侧减薄的上匹配块，与中心轴间隙配合而与上匹配块内螺纹紧密配合的下匹配块，受压于上述上、下匹配块间且与下匹配块电绝缘的压电陶瓷环片共同组成的定子，固定在下匹配块内孔中对中心轴定位用的聚四氟乙烯圆环，由位于中心轴靠近转子一侧的调整螺钉，位于中心轴上端和转子之间的弹性压紧件构成的预紧调整机构。所述转子的下端面设计有外倾斜角三维接触面。所述定子的上匹配件是上端面设计有内倾斜角三维接触面而两侧分别对称地铣掉一块成饼状以减薄来降低弯曲刚度的波纹管。所述定子的压电陶瓷环片由弯曲共振频率简并的上面一对并联的压电陶瓷片和下面一对并联的压电陶瓷片组成，它们的激励频率是马达绕摆弯曲的谐振频率。所述的定子的下匹配块是上端设计有压紧压电陶瓷环片用的环状凸台的螺杆。所述定子的压电陶瓷环片的材料是压电常数d33高于450×10-12C/N、机械品质因数Qm低于100的压电陶瓷片。
本发明所提出的马达驱动系统，其特征在于，它含有：用于超声波发生的脉冲发生电路，与它的输出端依次相连的分频、移相电路和电压变换电路，用于向上述分频、移相电路输出脉宽调制信号和正、反转，起、停控制信号的斩波控制电路。
使用证明：它可达到预期目的。
附图说明
图1：基于弯曲振动模式的压电超声波微电动机的纵剖视图。
图2：本发明实施例总体结构正视图。
图3：图2的侧视图。
图4：图2的俯视图。
图5：本发明实施例定子上匹配块的正视图。
图6：图5的俯视图。
图7：图6的侧视图。
图8：本发明实施例预紧间整机构示意图。
图9：本发明实施例压电陶瓷环片及激励方式示意图。
图10：本发明实施例驱动系统电路原理框图。
图11：本发明实施例驱动系统电路原理图。
具体实施方式
请见图2～图7。该马达由定子21、转子20、中心轴22及预紧调整机构23组成。定子由构成上匹配块211的波纹管2113，构成下匹配块213的螺杆2134以及通过波纹管2113的内螺纹2114和螺杆2134紧紧地夹在中间的四片压电陶瓷环片212组成，压电陶瓷环片212用环氧树脂粘接。下匹配块213外侧有一个四周带固定螺钉孔2136的方形法兰盘式基座2135以便与外界构件连接。螺杆2134处的中心孔2133与马达中心轴22间为间隙配合，保证中心轴22可在中心孔2133中沿圆周方向自由转动，中心孔2133可对中心轴22起辅助支撑作用。在螺杆2134的下端内孔处固定有一个由摩擦系数小的聚四氟乙烯材料制的支撑环2131，它起对中心轴22定位的作用。螺杆2134和波纹管2113下端面的螺孔2144配合连接，把四片压电陶瓷环片212及薄铜片2123压紧。为防止压电陶瓷环片212、薄铜片2123与螺杆2134有电连接，在螺杆2134与压电陶瓷环片212内孔之间有薄的绝缘套2124。在中心轴22靠近转子20的一端有螺钉221，其作用在于超声马达使用时，可通过螺钉221对中心轴22的位置进行手动调节，这为使用前预置中心轴22的位置提供了方便，预紧调整机构23由上述螺钉221，中心轴22上端法兰盘231，法兰盘231下面薄的预紧力调整金属垫片232，碟型弹簧233，转子上表面的环形防滑橡胶垫片234，稍厚的预紧力调整金属垫片235以及插入输出轴一侧卡槽222中的标准轴用卡环236组成。马达的转子20通过该预紧调整机构23保持定、转子21、20间恒定的预紧力。当转子20旋转时，力矩通过预紧垫片232、235、橡胶垫片234、碟型弹簧233传递给中心轴22。在波纹管2133的上端面设计有自支撑式内倾斜角三维环形接触面2111，它与转子20的外倾斜角三维环形接触面201通过预紧调整机构23紧密配合。在实现自支撑的同时，省了一对轴承使转子20转动平稳。同时在定子波纹管2113的两侧铣成平行的饼状结构2112，通过结构减薄以降低马达沿该方向的弯曲刚度，实现上面一对压电陶瓷环片2121与下面一对压电陶瓷环片2122的弯曲共振频率很好简并的同的，使马达具有更稳定的力矩输出。同时由于铣饼之后使上匹配块211上端面的内倾斜角2111与转子20的外倾斜角201接触摩擦的部位沿圆周方向成非完整接触的结构，更利于摩擦碎屑从定子21非完整缺口处2115排除，从而延长了马达的使用寿命。一对交流信号sinωt、cosωt从2a、2b处分别输入到上述两组压电陶瓷环片2121、2122中，上、下两组压电陶瓷环片2121、2122分别采取并联方式，其激励频率是马达绕摆弯曲的谐振频率。上述压电陶瓷环片2121、2122使用压电常数d33高于450×10-12C/N、机械品质因素Qm低于100的压电陶瓷片，使马达具有宽的工作频带，简化了电路设计，降低了频率跟踪的难度。
马达的驱动系统含有：用芯片4046制的脉冲发生电路，与其输出端依次相连的芯片L297、L298制的分频、移相电路，以及依次用二极管D1～D8组成的门限电路和变压器TRANS1、TANS2串联而成的电压变换电路，用于向上述分频、移相电路输出脉冲调制信号和正反转、起停控制信号的用555芯片制成的斩波控制电路。可变电阻R19可对芯片555输出的脉冲调制信号的占空比进行连续手动调整，以改变其步进角的大小，可变电阻R18可对芯片4046输出的脉冲信号的频率进行手动连续调整，以调整步进马达的谐振频率，切换开关K用于手动控制压电马达的起停。与门电路用4081芯片构成。
本实施例的压电超声波马达显示了很好的连续转动和步进特性，其主要性能参数如下：外形为园柱形，下端带方形固定法兰盘，定子直径15mm，转子直径16mm，马达总长42mm；轴输出端长10mm，直径3mm。工作频率为30～45KHz，转速0～500r/min，最大力矩大于500gfcm，最小角分辨率小于0.02°，步进震颤小于10nm，可在0°～360°区间以任意步进角完成圆周进给运动。
由此可见，本发明所述马达具有转子运转平稳，输出力矩大，马达寿命长，加工方便，成本低的优点，同时在驱动系统控制下，它既可连续运动，又可作高精度步进运动，而且步进角和步进频率均可手动调节。
Claims (13)
1.一种三维自支撑摇头式高精度步进压电超声波马达，含有定子、转子、中心轴和预紧调整机构，其特征在于，它含有：转子，中心轴，由上端面与转子之间呈三维自支撑式内倾斜角环形接触而两侧减薄的上匹配块，与中心轴间隙配合而与上匹配块内螺纹紧密配合的下匹配块，受压于上述上、下匹配块间且与下匹配块电绝缘的压电陶瓷环片共同组成的定子，固定在下匹配块内孔中对中心轴定位用的聚四氟乙烯圆环，由位于中心轴靠近转子一侧的调整螺钉，位于中心轴上端和转子之间的弹性压紧件构成的预紧调整机构。
2.根据权利要求1的三维自支撑摇头式高精度步进压电超声波马达，其特征在于：所述转子的下端面设计有外倾斜角三维接触面。
3.根据权利要求1的三维自支撑摇头式高精度步进压电超声波马达，其特征在于：所述定子的上匹配件是上端面设计有内倾斜角三维接触面而两侧分别对称地铣掉一块成饼状以减薄来降低弯曲刚度的波纹管。
4.根据权利的要求1的三维自支撑摇头式高精度步进压电超声波马达，其特征在于：所述定子的压电陶瓷环片由弯曲共振频率简并的上面一对并联的压电陶瓷片和下面一对并联的压电陶瓷片组成，它们的激励频率是马达绕摆弯曲的谐振频率。
5.根据权利要求1的三维自支撑摇头式高精度步进压电超声波马达，其特征在于：所述的定子的下匹配块是上端设计有压紧压电陶瓷环片用的环状凸台的螺杆。
6.根据权利要求1或4的三维自支撑摇头式高精度步进压电超声波马达，其特征在于：所述定子的压电陶瓷环片的材料是压电常数d33高于450×10-12C/N、机械品质因数Qm低于100的压电陶瓷片。
7.根据权利要求1的三维自支撑摇头式高精度步进压电超声波马达，其特征在于：所述的预紧调整机构中的弹性压紧件含有：位于中心轴上端的法兰盘，法兰盘下面的薄的预紧调整金属垫片，碟形弹簧，转子上表面的防滑橡胶垫片，稍厚的预紧力调整金属垫片以及插入输出轴一侧卡槽中的标准轴用卡环。
8.根据权利要求1的三维自支撑摇头式高精度步进压电超声波马达设计的驱动系统，其特征在于，它含有：用于超声波发生的脉冲发生电路，与它的输出端依次相连的分频、移相电路和电压变换电路，用于向上述分频、移相电路输出脉宽调制信号和正、反转，起、停控制信号的斩波控制电路。
9.根据权利要求1或7的三维自支撑摇头式高精度步进压电超声波马达的驱动系统，其特征在于：所述的斩波控制电路是其输出的脉冲调制信号的占空比可调的555芯片。
10.根据权利要求1或7的三维自支撑摇头式高精度步进压电超声波马达的驱动系统，其特征在于：所述的用于超声波发生的脉冲发生电路是其输出脉冲的频率可调的4046芯片。
11.根据权利要求1或7所述的三维自支撑摇头式高精度步进压电超声波马达的驱动系统，其特征在于：所述的分频、移相电路是芯片L297和L298。
12.根据权利要求1或7的三维自支撑摇头式高精度步进压电超声波马达的驱动系统，其特征在于：所述的电压变换电路即阻抗匹配电路依次由二极管门限电路和变压器相串接而成。
13.根据权利要求1的三维自支撑摇头式高精度步进压电超声波马达，其特征在于：在定子的下匹配块处的中心轴上连接着一个四角带固定用螺孔的方形法兰式盘基座。
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Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ES2231002A1 (es) * | 2003-09-09 | 2005-05-01 | Universitat Politecnica De Catalunya | Motor piezoelectrico ultrasonico. |
| CN1315252C (zh) * | 2002-12-17 | 2007-05-09 | 浙江大学 | 超声波电动机精密定位装置 |
| CN1543052B (zh) * | 2003-11-06 | 2010-04-28 | 清华大学 | 提高压电超声马达步进分辨率和减少驱动能耗的高低压驱动方法 |
| CN101976933A (zh) * | 2010-10-29 | 2011-02-16 | 嘉兴学院 | 电磁超声复合式电动机及其控制方法 |
| CN101820203B (zh) * | 2010-01-26 | 2012-02-08 | 南通大学 | 混合驱动半闭环精密定位系统 |
| CN105322824A (zh) * | 2015-01-06 | 2016-02-10 | 长春工业大学 | 夹心式复合激振超声电机、驱动平台及其驱动方法 |
| CN105322826A (zh) * | 2015-01-06 | 2016-02-10 | 长春工业大学 | 强力输出夹心式梁板复合激振超声电机、驱动平台及其驱动方法 |
| CN105790633A (zh) * | 2016-05-16 | 2016-07-20 | 南京航空航天大学 | 转子轴向预紧力调整方便的超声电机 |
| CN106004222A (zh) * | 2011-03-09 | 2016-10-12 | 横滨橡胶株式会社 | 轮胎车轮组装体 |
| CN109454994A (zh) * | 2018-11-12 | 2019-03-12 | 上海美创力罗特维尔电子机械科技有限公司 | 一种单片压电晶体的夹紧式晶振组件 |
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2001
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Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1315252C (zh) * | 2002-12-17 | 2007-05-09 | 浙江大学 | 超声波电动机精密定位装置 |
| ES2231002A1 (es) * | 2003-09-09 | 2005-05-01 | Universitat Politecnica De Catalunya | Motor piezoelectrico ultrasonico. |
| CN1543052B (zh) * | 2003-11-06 | 2010-04-28 | 清华大学 | 提高压电超声马达步进分辨率和减少驱动能耗的高低压驱动方法 |
| CN101820203B (zh) * | 2010-01-26 | 2012-02-08 | 南通大学 | 混合驱动半闭环精密定位系统 |
| CN101976933A (zh) * | 2010-10-29 | 2011-02-16 | 嘉兴学院 | 电磁超声复合式电动机及其控制方法 |
| CN101976933B (zh) * | 2010-10-29 | 2012-11-14 | 嘉兴学院 | 电磁超声复合式电动机及其控制方法 |
| CN106004222A (zh) * | 2011-03-09 | 2016-10-12 | 横滨橡胶株式会社 | 轮胎车轮组装体 |
| CN106004222B (zh) * | 2011-03-09 | 2018-08-28 | 横滨橡胶株式会社 | 轮胎车轮组装体 |
| CN105322826A (zh) * | 2015-01-06 | 2016-02-10 | 长春工业大学 | 强力输出夹心式梁板复合激振超声电机、驱动平台及其驱动方法 |
| CN105322824A (zh) * | 2015-01-06 | 2016-02-10 | 长春工业大学 | 夹心式复合激振超声电机、驱动平台及其驱动方法 |
| CN105790633A (zh) * | 2016-05-16 | 2016-07-20 | 南京航空航天大学 | 转子轴向预紧力调整方便的超声电机 |
| CN109454994A (zh) * | 2018-11-12 | 2019-03-12 | 上海美创力罗特维尔电子机械科技有限公司 | 一种单片压电晶体的夹紧式晶振组件 |
| CN109454994B (zh) * | 2018-11-12 | 2023-10-20 | 上海美创力罗特维尔电子机械科技有限公司 | 一种单片压电晶体的夹紧式晶振组件 |
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| Publication number | Publication date |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |