一种驻波型步进超声波电机及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种驻波型步进超声波电机及其控制方法，该驻波型步进电机结构包括定子、转子、轴承、转轴、端盖与底座，定子结构包括金属弹性环、压电陶瓷环及弹性叶片，转子为圆筒形且上面开有若干相同形状与宽度的定位槽。对电机施加一定频率的单相电压，通过压电陶瓷的径向振动驱动电机转子转动，当转子卡入定位槽处时电机停止运行，继续施加一个高脉冲电压，转子脱离定位槽继续转动，此时重新施加单相电压使得电机能够继续运行至下一个定位槽从而实现了开环情况下的步进运行。本发明专利技术电机相比于传统的超声波电机，结构简单体积小，而且实现了开环控制下的步进运行。

【技术实现步骤摘要】
一种驻波型步进超声波电机及其控制方法
本专利技术涉及超声波电机的制造和控制领域，尤其涉及一种驻波型步进超声波电机及其控制方法。
技术介绍
在航空航天、机器人以及数控机床等高科技领域，步进电机得到了广泛的应用。作为控制使用的特种电机，步进电机无法直接接到直流或者交流电源上工作，必须使用专用的驱动器进行控制，并且针对不同的步进电机需要设计不同的驱动电源，给步进电机的推广使用造成了很大的难度。随着超声波电机技术的日趋完善，其应用领域也越来越多。传统的超声波电机在步进控制系统中，与步进电机一样必须引入传感器进行闭环反馈控制才能进行精密移动，使得电机控制结构变得复杂。自校正型步进超声波电机可以实现开环下的步进定位，从而可以省略传感器以及时序电路，简化结构与控制方式。合理的结构与控制方法相配合是自校正步进超声波电机实现准确的步进定位与输出大转矩的必须条件，也是超声波电机领域研究的热点。
技术实现思路
专利技术目的：针对以上问题，本专利技术提出一种驻波型步进超声波电机及其控制方法。技术方案：为实现本专利技术的目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种驻波型步进超声波电机，包括定子、转子、转轴、轴承、端盖与底座，底座中间设置轴承，转子连接转轴并通过轴承固定，定子置于转子内部；定子包括压电陶瓷环、金属弹性环和若干弹性叶片，金属弹性环通过胶水固定压电陶瓷环外圈，若干弹性叶片通过焊接固定在金属弹性环外圈且均匀分布；转子为圆筒形，转子内侧沿圆周方向均匀开有宽度、深度、形状相同的凹槽。进一步地，所述弹性叶片的固定点法线与其夹角在25-35度之间。进一步地，所述压电陶瓷环位于定子内部并占定子大部分体积。一种驻波型步进超声波电机的控制方法，包括步骤：(1)向电机施加单相电压，弹性叶片受到压电陶瓷环与转子间的压力产生弯曲变形，推动电机转动；(2)电机连续转动，当定位槽卡主弹性叶片，完成定位后，电机停止旋转完成一次步进运动；(3)向电机施加高脉冲电压，推动弹性叶片冲出定位槽，电机继续转动；(4)电机继续运行后，施加电压变为单相电压，电机稳定运行直到进行下一次定位。进一步地，高脉冲电压的峰峰值为单相电压的1.5-2倍，驱动时间为单相电压驱动时间的0.04倍。进一步地，施加电压的大小取决于弹性叶片与定位槽的数量，当定位槽数增加时，所需的驱动电压幅值越大。有益效果：本专利技术驻波型步进超声波电机仅使用单相电压便可驱动，是传统超声波电机所不具备的；与普通步进超声波电机进行自行修正角位移累积误差不同，驻波型步进超声波电机在开环状态下可进行无累积误差的步进运行；开环调压驱动方法省略了驱动器以及时序电路，使电机驱动步进运动得到了大大的简化。附图说明图1是本专利技术驻波型步进超声波电机的装配结构图；图2是本专利技术驻波型步进超声波电机的定、转子部件图；图3是本专利技术驻波型步进超声波电机的驱动电压波形图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步的说明。如图1和图2所示，本专利技术所述的驻波型步进超声波电机包括定子、转子、转轴、轴承、端盖与底座。定子结构由压电陶瓷环、金属弹性环与若干弹性叶片构成，金属弹性环与压电陶瓷环通过胶水固定，压电陶瓷环处于定子内部并占定子大部分体积，所以电机具有较大的能量密度。弹性叶片通过焊接固定在金属弹性环外部且弹性叶片的固定点法线与其夹角保证在25-35度间，且弹性叶片均匀分布在金属弹性环外圈，减少了单个叶片受到的与转子间的摩擦力，增大了定子与转子间的摩擦力，使得定子对转子的推动力大大增加。转子为圆筒形，定子置于转子内部。转子内侧沿圆周方向均匀开有宽度、深度、形状相同的凹槽。转子内侧开有的凹槽是电机进行步进运动的关键，可以使电机准确停止、启动，实现精确的步进运动。对电机施加固定频率的单相电压，通过压电陶瓷环的一阶径向振动驱动电机转子转动，此时附于金属弹性环外侧的弹性叶片产生变形，通过与转子间的摩擦力推动转子转动。当转子卡入定位槽处时电机停止运行，继续施加一个高脉冲电压，转子脱离定位槽继续转动，此时重新施加单相电压使得电机能够继续运行至下一个定位槽从而实现了开环情况下的步进运行。该电机相比于传统的超声波电机，结构简单体积小，而且实现了开环控制下的步进运行。控制电机实现步进运行的关键是，首先向电机施加单相电压，其峰峰值不能过高，保证电机转动。当定位槽卡主弹性叶片，完成定位后，再向电机施加高脉冲电压且峰峰值为单相电压的1.5-2倍，驱动时间为单相电压驱动时间的0.04倍，保证弹性叶片冲出定位槽得以继续转动。电机继续运行后，施加电压继续变为单相电压，电机继续稳定运行，直到进行下一次定位。步进电机的弹性叶片结构与定位槽结构是实现步进运动的关键。为防止弹性叶片受力不均匀造成摩擦受损的情况，弹性叶片与定位槽沿圆周需方向均匀分布来保证驱动力方向一致。步进电机的步进角计算式为：其中，M为相数，Zr为转子齿数，C为通电方式。驻波型步进超声波电机通电方式为单相通电，其弹性叶片与转子槽的数量均为4的倍数。设定弹性叶片为8片，则θ为：其中，Zr此时为转子槽数，Zr＝4n，n≥1。施加电压的大小取决于弹性叶片与定位槽的数量，当定位槽数增加时，所需要的驱动电压幅值也就越大，驻波型步进超声波电机输出的力矩也就越大。如图3所示，在一个周期内的具体控制方式：(1)对定子的压电陶瓷施加峰峰值为100V的单相方波信号，压电陶瓷产生一阶径向振动，弹性叶片受到压电陶瓷与转子间的压力产生弯曲变形，产生摩擦力，推动转子转动；(2)电机连续转动，直至弹性叶片卡在定位槽内，因为定位槽的作用，电机此时停止旋转，完成一次步进运动；(3)向电机施加峰峰值为170V的高压脉冲信号，由于驱动电压的突然增大，大力矩使得弹性叶片瞬间脱离转子槽的定位限制；(4)将驱动电压变为峰峰值为100V的单相方波信号，电机继续进行连续转动。(5)单相方波信号持续时间为2000ms，转子卡入定位槽后，施加持续时间为80ms的高脉冲电压使得转子冲出定位槽。综上，单相方波信号与高压脉冲信号连续交替施加，使电机进行连续开环步进运行。单相方波信号与高压脉冲信号施加的时间与电压需要进行合理设计，以保证合理可控的步进运行。在空载的状态下，初始驱动电压不能过大，容易导致力矩过大，弹性叶片无法卡入转子槽内，无法进行定位；同时高压脉冲信号也不能过小，使得弹性叶片无法冲出定位槽进行连续运动。设定时间也需要根据定位与连续运转的时间要求进行合理设置。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种驻波型步进超声波电机，其特征在于，包括定子、转子、转轴、轴承、端盖与底座，底座中间设置轴承，转子连接转轴并通过轴承固定，定子置于转子内部；定子包括压电陶瓷环、金属弹性环和若干弹性叶片，金属弹性环通过胶水固定压电陶瓷环外圈，若干弹性叶片通过焊接固定在金属弹性环外圈且均匀分布；转子为圆筒形，转子内侧沿圆周方向均匀开有宽度、深度、形状相同的凹槽。

【技术特征摘要】
1.一种驻波型步进超声波电机，其特征在于，包括定子、转子、转轴、轴承、端盖与底座，底座中间设置轴承，转子连接转轴并通过轴承固定，定子置于转子内部；定子包括压电陶瓷环、金属弹性环和若干弹性叶片，金属弹性环通过胶水固定压电陶瓷环外圈，若干弹性叶片通过焊接固定在金属弹性环外圈且均匀分布；转子为圆筒形，转子内侧沿圆周方向均匀开有宽度、深度、形状相同的凹槽。2.根据权利要求1所述的驻波型步进超声波电机，其特征在于，所述弹性叶片的固定点法线与其夹角在25-35度之间。3.根据权利要求1所述的驻波型步进超声波电机，其特征在于，所述压电陶瓷环位于定子内部并占定子大部分体积。4.一种驻波型步进超声波电机的控制方法，其特征在于，包括步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：金龙，冷静雯，刘艺，徐志科，董晓霄，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32