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某无缆化驱动电机研究

2011-06-10 08:41:37本站

  1引 言

  微小型直线超声电机以其结构紧凑、传动刚度大、输出位移精确且可以大行程快速运动等优点而引起各相关领域的强烈兴趣, 各种结构型式被开发出来。作者 2001 年开发了一种自走型直线超声电机。该电机由扁柱状夹心压电振子构成, 具有大推力的特点, 采用单相电源驱动, 无需辅助支持,可直立双向行走, 结构简单, 便于微型化, 适合于微型机器人的行走驱动。但是, 连接在电机驱动振子上的电源线在很大程度上妨碍了机器人的自如走行。无缆化是电机作为机器人行走驱动使用的必然要求。

  普通直线超声电机需要两相驱动电源, 电路复杂, 难以微型化, 对于无线能量传输或自搭载驱动电路不利。日本精工仪器 ( Seiko Instrumen ts)公司, 为在手表中使用微型超声电机, 研制出一种只需单相驱动的驻波型微型超声旋转电机, 电路上变他激为自激, 使电机本体和驱动电路都实现了微型化。单相自激励驱动的办法给微型直线超声电机的无缆化驱动带来思路。国内外已有许多单相自激励超声电机及其自激励驱动电路的研究报道。

  本文在已开发出的自走型直线超声电机基础上, 提出一种基于自激励原理的无缆化驱动方案。

  首先, 论述了该自走型直线超声电机的结构设计和单相驱动原理。其次, 用有限元方法和激光扫描振动实验, 对该超声电机驱动端面能产生近似行波进行了验证, 并说明利用自激励驱动的可行性, 最后,给出自激励驱动电路。

  2 电机的基本结构和动作原理

  自走型直线超声电机由单区极化的压电陶瓷片、扁柱状上下夹持金属块和位于两侧的紧固耳组成。下夹持块做成向下收缩的梯形块, 且其下端面开有一对盲孔, 以扩大振动时的前后振速比。电机总长 4 5mm, 上端面长 20 mm, 宽 8mm.

  电机的驱动原理是, 利用一组压电元件在靠近振动的节点处作纵向激励, 调谐激励频率, 直到电机产生纵向振动和横向弯曲振动相互耦合的振动模态。由于这两列振动波在到达电机驱动端时振动方向成 90 , 而且两列波在时间上相差一定的相位, 因此电机驱动端部的表面质点便呈现椭圆形振动, 并且在电机驱动端面形成了近似行波。得益于电机较大面积的驱动端面, 把电机放置在一块平板玻璃上时, 电机便沿着与行波传播方向相反的方向自行行走, 而无需任何支持。位于电机两侧的紧固耳结构使得电机纵向和弯曲振动的耦合得以加强, 并便于产生所需要的近似行波。在两边紧固耳夹紧力不同的情况下, 单相激励是纵弯激励叠加的效果。于是, 单相激励可以使电机行走。

  3有限元分析与实验验证

  用有限元分析商业软件 ALGOR对电机作有限元建模, 并进行了固有模态分析和响应谱分析。

  谱中占主要成分的两阶模态分量分别是固有频率为 52. 857 kH z的第 9阶 (即第 2 阶弯曲 )和固有频率为 59. 615 kH z的第 10阶 (即第 1阶纵向 )。激励频率介于两者之间, 处于第 9 阶的过共振区和第10节的欠共振区, 造成两阶模态耦合时相位存在差异。也就是说单向激励可以激发出近似行波。

  用 PSV - 300F激光多普勒扫描式测振仪, 对样机进行了扫频实验和振动响应测试。扫频结果可见, 确实存在两个相互靠近的频谱峰值,一个是 47. 375 kH z的弯曲振动, 一个是 49 031 kHz的纵向振动。考虑到有限元分析结果一般比实际情况数值偏高, 所以实测结果与有限元分析结果基本一致。

  对样机的实验表明, 在 48 kHz左右时电机向一个方向行走, 在 50 kH z左右时电机则反向行走。这与上述的分析是吻合的。

  为考察电机驱动端面是否产生近似行波, 对该端面进行了激光振动响应测试。结果发现, 在47 46 kH z的激励下, 振动位移分解已呈现明显的行波特征。

  4 自激励驱动电路

  根据上述的分析, 本文所述的自走型直线超声电机, 可以在单相驱动激励下工作, 且工作点可选在极小点。这就为设计自激励驱动电路创造了条件。

  5结 论

  综上所述, 本文可得出以下结论:

  ( 1)在纵弯两正交方向固有模态频谱突出, 且频率既相互靠近又没有退化的情况下, 可以用单相激励激发出直线超声电机驱动端的近似行波。

  ( 2)本文所述的自走型直线超声电机, 结构和驱动简单, 有利于降低成本, 也便于微型化和无缆化驱动。

  ( 3)上述电机可以用自激励驱动方式行走。

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