一种纵弯复合单驱动足超声波电动机的设计

詪詪

D设计分析摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇2019年第47卷第9期摇摇esignandanalysis詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪

摇24

詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪张斯阳摇一种纵弯复合单驱动足超声波电动机的设计

一种纵弯复合单驱动足超声波电动机的设计

张斯阳

(湖北大学知行学院,武汉430011)

摘摇要:研究了一种新型的纵弯复合单驱动足超声波电动机,并设计了压电振子的极化方向和电路连接。对纵弯复合单驱动足超声波电动机的10个结构参数进行了灵敏度分析,得到不同参数对电机的纵振模态、弯振模态以及频率差值的影响,并进行了纵弯简并,得到了优化后的结构参数。

关键词:超声波电动机;压电振子;纵振;弯振;有限元模型

中图分类号:TM359.9摇摇文献标志码:A摇摇文章编号:1004-7018(2019)09-0024-03

DesignofSingleDrivingFootUltrasonicMotorUsingLongitudinal-BendingModal

(ZhixingCollegeofHubeiUniversity,Wuhan430011,China)

ZHANGSi鄄yang

andcircuitconnectionofthepiezoelectricvibratorweredesigned.Thesensitivityanalysisofthetenstructureparametersofthesingledrivingfootultrasonicmotorusinglongitudinalbendingmodalwascarriedout.Theimpactsofdifferentparame鄄longitudinalmodeandthebendingmodeweremerged,andstructuralparameterswereoptimized.model

Abstract:Asingledrivingfootultrasonicmotorusinglongitudinal-bendingmodalwasstudied,thepolingdirection

tersonthelongitudinalvibrationmode,bendingvibrationmodeandfrequencydifferenceofthemotorwereobtained.The

Keywords:ultrasonicmotor(USM),piezoelectricvibrator,longitudinalvibration,bendingvibration,finiteelement

0摇引摇言

超声波电动机是近几十年成长的非典型特种微电机,它既没有传统电动机的磁极,也没有电磁感应的过程,超声波电动机主要运用的是压电材料的逆压电效应,让输入的电能转化为输出所需的机械能[1]、输出功率、驱动负载[1-2]。

图2为电机压电振子位置选择、极化方向以及电路连接情况。两对纵振压电振子在d33模式下工作,每对纵振压电振子中的每片纵振压电振子的极化方向相反,每片纵振压电振子的极化方向与关于驱动足相对称的纵振压电振子的极化方向相同,每片纵振压电振子均置于纵振振型的节点处,从而保证一组压电振子在收缩状态时,另一组压电振子处于伸长状态,实现驱动足的推拉谐振运动[3]。两对弯振压电振子在d31模式下工作,每对弯振压电振子的极化方向相同,每片弯振压电振子的极化方向与关于驱动足相对称的弯振压电振子的极化方向相同,每片弯振压电振子均置于电机振型的波腹处。

1摇纵弯复合超声波电动机理论分析

1.1摇结构设计

本文研究了一种新型的纵弯复合单驱动足超声波电动机,该电机的结构如图1所示。该超声波电动机由后端盖、法兰螺栓、法兰盘、变幅杆、压电振子、电极、驱动足以及摩擦片组成。法兰螺栓连接后端盖与压电振子以及变幅杆,法兰盘两侧有两个锥孔,是两个夹持点,用于固定电机。两个变幅杆的小端与驱动足相连接,驱动足输出位移,驱动足贴有摩擦片。

图2摇压电振子的极化方向布置与接线情况

1.2摇工作原理

1.2.1摇驱动足的运动轨迹分析

图1摇电机结构示意图

收稿日期:2019-01-28

如图3所示,在驱动足与动子相接触的一侧取

面中心O,在压电振子的激励下,定子产生纵向振动与弯曲振动的响应,驱动足分别在Y轴和X轴的方向上进行简谐振动,则点O在Y轴和X轴的方向上

摇摇

詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪的位移y和x分别如下:

y=W1sin(棕t+琢)

x=W2sin(棕t+茁)

摇摇2019年第47卷第9期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇

D设计分析摇esignandanalysis詪

詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪W1>0,W2>0

式中:W1为驱动足在Y向上的振动幅值;W2为驱动足在X向上的振动幅值;琢为Y向上的振动初始相位;茁为X向上的振动初始相位;棕为超声波电动机的谐振频率。

}

(1)

1.2.2摇电机的运动机理分析

来调整椭圆轨迹主轴长度。

给纵振压电振子加载sin(2仔ft)(f为纵弯简并

后的谐振频率)的交流电压,给弯振压电振子加载cos(2仔ft)的交流电压。纵振压电振子在d33的工作模式下激励电机的纵振模态,弯振压电振子在d31的

工作模式下激励电机的弯振模态,纵振模态和弯曲模态相叠加,驱动足的运动轨迹呈椭圆。若将加载的向驱动。电机在一个周期内的振型变化如图5所示。两相交流电压的相位差改为-仔/2,电机可以实现反

图3摇驱动面的中心

对式(1)进行三角变换,可得:

()

yW1

2

+xW2

()

2

-

2cos(茁-琢)

yx=sin2(茁-琢)

W1W2

图5摇电机在一个周期内的振型变化

摇摇从式(2)可以看出,中心O在XOY平面内的运动轨迹为椭圆,且椭圆的中心即为O的静止点。电机所受的两相激励电压的相位差茁-琢决定了轨迹椭圆主轴的方向。分别令相位差茁-琢如下:

ìï2n仔ï2n仔ï2n仔ïï

茁-琢=í2n仔

ïï2n仔ï2n仔ïî2n仔

+仔/6+仔/3+仔/2+仔+2仔/3+5仔/6

(3)

(2)

2摇纵弯复合超声波电动机结构设计

2.1摇模型的建立

本文设计的纵弯复合单驱动足超声波电动机选用的压电材料为PZT-5H,变幅杆、驱动足以及法兰盘均选择硬铝合金,后端盖的材料选择45#钢。图6动机的有限元模型。

为在ANSYS中建立的纵弯复合单驱动足超声波电

图6摇电机的有限元模型

可得中心O的运动轨迹如图4所示。

2.2摇结构参数灵敏度分析

图4摇不同相位差下中心O的运动轨迹

图4表明,通过具有一定相位差的纵振和弯振组合,驱动足可以实现以椭圆轨迹运动的激励,纵振和弯振的振幅与相位差决定了椭圆轨迹的主轴长度和主轴方向。

当茁-琢=仔/2时,式(2)简化:

(Wy)

2

摇摇式(4)表明,对于弯振超声波电动机1

+(Wx2

)

2

=1(4)

励电压之间的相位角为仔/2时,其驱动面中心,当两相激O点在XOY平面内的运动轨迹为主轴的方向分别为OY和OX方向的椭圆,且W1和W,我们可以通过调整两相激励交变电压的幅值

2分别为椭圆主轴的长度纵弯复合单驱动足超声波电动机的结构参数对电机的纵振、弯振频率均有影响,但不同的参数对频率的影响效果不同。本文采用有限元进行分析,通过数据和图形的对比,找出不同参数对纵振以及弯

振谐振频率的灵敏度。图7为标注了结构尺寸的电机[3-6]。

图7摇电机的尺寸标注

从图7可以看出,电机的主要结构参数有:L为变幅杆的长度,L詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪1

振子的厚度,L2为变幅杆基座长度,tp为压电3为法兰盘厚度,L4为后端盖长度;压电振子、法兰盘和后端的横截面尺寸一致,宽度为

A2,厚度为B2,驱动足的宽度为q1,变幅杆宽度变化詪詪张斯阳摇一种纵弯复合单驱动足超声波电动机的设计

25

摇摇摇

詪詪

D设计分析摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇2019年第47卷第9期摇摇esignandanalysis詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪

詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪系数为浊,变幅杆厚度变化系数为孜。初始结构参数如表1所示。

表1摇初始结构参数/mm

LLtLA摇451

9

2pL4

4

3254

252

Bq252

121

34浊

32孜

机有限元模型摇将表1中的初始结构参数输入,将电极面上的节点耦合ANSYS,,模型加载电建立电压后对电极进行短路处理。对电机进行模态分析,得到电机的一阶纵振模态和五阶弯振模态分别如图

8和图9所示。

图8摇一阶纵振模态图9摇五阶弯振模态

摇件下摇经过对有限元模型的计算,一阶纵振频率为31242,Hz,在初始结构参数条五阶弯振频率为

36条件下395Hz,,纵振弯振的频率差值较大频率差值为5153Hz。可见,需要对模型的结,在初始参数构参数进行优化,使频率差值尽量接近。

通过有限元分析,得出各参数对谐振频率的影响,如图10所示。

(a)L1(b)浊

詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪张斯(c)孜

(d)L2

阳摇一种纵弯复合(e)tp(f)L3

单驱动足超声波电动(g)L4(h)A2机的设计

詪詪26

(i)B2(j)q1

图10摇各参数对谐振频率的影响

2.3摇纵弯模态简并

根据上述分析,了解到各个结构参数对纵弯超

声波电动机各阶谐振频率的影响。首先调整10个结构参数,使一阶纵振频率与五阶弯振频率尽量接近;再微调变幅杆的各个系数,找到能使纵振频率和弯振频率最为接近的系数;并保证其谐振频率在超声波频率以上,以避免超声波电动机产生噪声。其中,法兰盘厚度L振模态出现纵振和扭振模态3为5.5mm和6.5mm时,一阶纵,不可取。优化后的结构尺寸参数如表2所示。

表2摇优化后结构参数/mm

L501

L9.2

t56.p

LL54

3214

A262

B212

q6

136浊

34

孜

摇型摇,在建立优化参数后的纵弯超声波电动机有限元模ANSYS中实现模态分析,可得其一阶纵振频率为26435Hz,五阶弯振频率为26507Hz,频率差值变为73Hz。纵振模态和弯振模态如图11所示,基本实现了纵弯模态简并。特别强调的是,在优化参数的过程中,纵振压电振子位于纵振的节点位置,弯振压电振子位于弯振的波峰/波谷处,使纵向振动和弯曲振动的激励充分利用。法兰盘位于弯振的节点处,可尽量约束对激励的影响。

(a)一阶纵振模态

图11摇纵弯模态简并后的电机模态

(b)五阶弯振模态

3摇结摇语

本文设计了一款新型的将压电材料d结合的纵弯复合单驱动足超声波电动机,31和d确定了其33相

压电振子的分布以及极化方向,设计了超声波电动

机的电路连接方式。对纵弯复合单驱动足超声波电动机的10个结构参数进行了灵敏度分析,得到不同参数对电机的纵振模态、弯振模态以及频率差值的影响,并进行了纵弯简并,得到了理想的结构参数。参考文献

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ultrasonicmotorcantilevertype(下转第30页)

摇摇摇

詪詪

D设计分析摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇2019年第47卷第9期摇摇esignandanalysis詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪

定性和控制精度。通过对步进电动机升降速方案进行对比分析表明,传统速度曲线法存在着速度曲线不光滑、加速度曲线突变不连续的现象,对电机带来柔性冲击。正弦加速度S曲线改进方案,其加速度为正弦函数形式,具有平滑连续可导特性,提高电机运行的平稳性。改进后的S速度曲线转矩特性更加优良,加速度会随着电机起动转速的变化而连续变化,并能够充分利用加速过程中电机提供的有效转矩。在相同运行条件下采用正弦加速度S曲线,电机起停更加平稳,电机振动小。仿真结果表明,基于正弦加速度S曲线升降速下的步进电动机细分控制策略能够改善电机运行稳定性,提高电机开环控制精度,适用于对电机运行平稳性和位置精度要求较高的场合。参考文献

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摇30

詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪摇瞿摇敏等摇步进电动机细分驱动建模与运行曲线优化设计

速时间均设置为0.1s,电机整体运行时间为0.3s。电机两相电流相位差90毅,幅值按正弦规律变化的同时,频率按照设计曲线要求连续变化,电机转速波形符合设计曲线要求,证明细分恒流斩波电流控制策略能实现对电机不同加减速方案的控制。

在相同目标转速和相等加减速时长下,对比梯形、抛物线和改进S曲线升降速策略下的电机位置输出曲线,如图8所示,抛物线速度曲线具有提速与减速快的特点,相同运行长度下有着最大输出转角,正弦加速度S速度曲线和梯形速度曲线加减速效率相当。

图8摇电机运动位置仿真

[2]摇SABAHNH,KURBANC.Presettabledigitalcontrolofstepper

15(6):694-697.

进一步研究速度曲线对电机振荡的影响。分别在不同的电流细分数下,对梯形、抛物线、5段S曲线和正弦加速度S曲线进行电机停止阶段的残余振荡幅度分析,仿真结果如表1所示。由对比数据发现,抛物线法在不同的细分电流情况下电机运行终点处的位移振幅均较大,加速度突变对电机带来了较大冲击;而优化后的S曲线在终点处电机位移振荡幅度均小于其余几种升降速方案,电机运行更加平稳,柔性冲击小。

表1摇不同速度曲线下最大残余振荡幅度比较

细分数4细分32细分8细分

最大振幅兹/(毅)

0.78500.72970.8022梯形

2.23171.03752.2973抛物线

5段S形0.82530.84790.5637

优化S形0.23190.19380.4242

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5摇结摇语

本文从两相混合式步进电动机的电气与机械特性分析出发,构建了基于相电流正弦细分策略的恒流斩波步进电动机开环控制模型,提高电机运行稳(上接第26页)

作者简介:瞿敏(1980—),女,硕士,讲师,主要研究方向为电力电子与工业自动化。

[4]摇LIUYX,CHENWS,LIUJK,etal.Acylindricaltravelingwave

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作者简介:张斯阳(1990—),女,硕士,研究方向为超声波电机。