空间调相环形行波电机结构误差在线校正方法与流程

本发明涉及一种空间调相环形行波电机结构误差在线校正方法。

背景技术：

环形行波超声波电机的两相压电陶瓷在定子上产生两相时间相位互差的驻波，当电机结构完全对称时，两相驻波幅值相等，空间相位也相差其在定子中合成一个“纯”行波。但电机结构总存在误差，这将使两相驻波波幅不相等，空间相位差也偏离定子中的合成波形不是理想的行波，而是一个包含行波分量和驻波分量的复合波。相较于理想情况，行波分量下降，从而降低电机运行效率。

现对结构误差导致的两相驻波幅值偏离Δc和空间相位差偏离Δx进行校正的方案各有两种。对B3相和B4相电压幅值进行相反方向的调节可以实现对Δx消除校正，或对A1相和A2相电压幅值进行相反方向的调节可以实现对Δx补偿校正。在完成对Δx的校正后，同比例调节B3相和B4相电压幅值可以实现对Δc的消除校正，或同比例调节A1相和A2相电压幅值可以实现对Δc的补偿校正。因此，无论Δx还是Δc的校正方式均有两种校正方式可选。为了保证工业上的一致性，应从电机输入输出等要求出发对其进行优化。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种空间调相环形行波电机结构误差在线校正方法，通过合理选择Δc的校正方式和Δx的校正方式，使空间调相环形行波超声波电机结构误差校正后输出尽可能大，并且电机四相的最大电压幅值尽量小；能够在保证校正后输出特性的一致性基础上，降低校正方案对电机陶瓷耐压的要求，解决现有技术中存在的上述问题。

本发明的技术解决方案是：

一种空间调相环形行波电机结构误差在线校正方法，在检测得到空间调相环形行波电机由于结构误差导致的波幅偏差和空间相位偏差的基础上，利用空间调相环形行波超声波电机具有产生不同空间相位、不同幅值的驻波的能力，分别对波幅偏差和空间相位偏差进行消除校正或补偿校正，以校正定子中由于结构误差导致的驻波分量。

进一步地，对空间相位偏差进行校正，具体为：当α₁位置的振幅大于β₁位置的振幅时，在B相对Δx进行消除校正；当α₁位置的振幅小于β₁位置的振幅时，在A相对Δx进行补偿校正。

进一步地，当α₁位置的振幅大于β₁位置的振幅，α₃位置的振幅大于β₃位置的振幅时，增加B3相电压幅值，减少B4相电压幅值，直至当α₃位置的振幅等于β₃位置的振幅时为止，完成B相驻波空间相位差偏离Δx的在线消除校正。

进一步地，当α₁位置的振幅大于β₁位置的振幅，α₃位置的振幅小于β₃位置的振幅时，减少B3相电压幅值，增加B4相电压幅值，直至当α₃位置的振幅等于β₃位置的振幅时为止，完成B相驻波空间相位差偏离Δx的在线消除校正。

进一步地，当α₁位置的振幅小于β₁位置的振幅，α₃位置的振幅大于β₃位置的振幅时，减少A1相电压幅值，增加A2相电压幅值，直至当α₃位置的振幅等于β₃位置的振幅时为止，完成B相驻波空间相位差偏离Δx的在线补偿校正。

进一步地，当α₁位置的振幅小于β₁位置的振幅，α₃位置的振幅小于β₃位置的振幅时，增加A1相电压幅值，减少A2相电压幅值，直至当α₃位置的振幅等于β₃位置的振幅时为止，完成B相驻波空间相位差偏离Δx的在线补偿校正。

进一步地，α₁位置位于A相驻波波节位置，β₁位置位于A相驻波波幅位置。

进一步地，α₃位置在空间逆时针滞后于A相驻波波节位置八分之一行波波长，β₃位置在空间逆时针滞后于A相驻波波幅位置八分之一行波波长。

进一步地，对两相驻波空间相位差偏离Δx进行校正后再对两相驻波幅值偏离Δc进行校正。

进一步地，对波幅偏差进行校正，具体为：当α₁位置的振幅大于β₁位置的振幅时，同比例提高A1相和A2相电压幅值，对Δc进行补偿校正；当α₁位置的振幅小于β₁位置的振幅时，同比例提高B3相和B4相电压幅值，对Δc进行消除校正。

进一步地，孤极p1的中心线或等效中性线位于α₁位置，孤极p2的中心线或等效中性线位于β₁位置将孤极p1和孤极p2短路，构成新的复合孤极p5，孤极p5的中心线或等效中性线位于α³位置；将孤极p2和孤极p3短路，构成新的复合孤极p6，孤极p6的中心线或等效中性线位于β₃位置。

本发明的有益效果是：

一、该种空间调相环形行波电机结构误差在线校正方法，能够提高空间调相环形行波超声波电机结构误差校正后输出特性的一致性。

二、本发明通过合理选择Δc的校正方式和Δx的校正方式，使空间调相环形行波超声波电机结构误差校正后输出尽可能大，并且电机四相的最大电压幅值尽量小，降低校正方案对电机陶瓷耐压的要求。

三、本发明能够实时在线对空间调相环形行波超声波电机结构误差导致的定子中结构误差驻波分量进行消除校正或补偿矫正。

附图说明

图1是本发明所使用的环形行波超声波电机压电陶瓷分区及电源示意图。

图2是本发明复合孤极p5分区的示意图。

图3是本发明复合孤极p6分区的示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例

一种空间调相环形行波电机结构误差在线校正方法，在检测得到空间调相环形行波电机由于结构误差导致的波幅偏差和空间相位偏差的基础上，利用空间调相环形行波超声波电机具有产生不同空间相位、不同幅值的驻波的能力，分别对波幅偏差和空间相位偏差进行消除校正或补偿校正，以校正定子中由于结构误差导致的驻波分量。

如图1所示，电机工作时，在定子圆周上分布有九个波长的空间行波，如每个行波波长计为空间相位2π，整个圆周可计为空间相位18π。按逆时针方向，定义A1区压电陶瓷的起始位置为起始位置，则4π处为A1区压电陶瓷的结束位置，4π为孤极p1的起始位置，4.5π为孤极p1的结束位置，4.5π为孤极p2的起始位置，5π为孤极p2的结束位置，5π为孤极p3的起始位置，5.5π为孤极p3的结束位置，5.5π处为B3区压电陶瓷的起始位置为起始位置，9.5π处为B3区压电陶瓷的结束位置，9.5π处为A2区压电陶瓷的起始位置为起始位置，13.5π处为A2区压电陶瓷的结束位置，13.5π为孤极p4的起始位置，14π为孤极p4的结束位置，14π处为B4区压电陶瓷的起始位置为起始位置，18π处为B4区压电陶瓷的结束位置。

空间调相环形行波超声波电机的压电陶瓷包括A1区压电陶瓷、A2区压电陶瓷、B3区压电陶瓷和B4区压电陶瓷，A1区压电陶瓷、A2区压电陶瓷、B3区压电陶瓷和B4区压电陶瓷中各含有四个压电陶瓷极化分区，极化分区的宽度为空间位长度均是二分之一基波波长。A1区压电陶瓷、A2区压电陶瓷、B3区压电陶瓷和B4区压电陶瓷中内部的极化分区沿逆时针方向均是按“+－+－”方向进行极化的，孤极p1、孤极p2、孤极p3和孤极p4按同按“+”或同按“－”方向极化。“+”表示正向极化，“－”表示反向极化，对极化的正方向可自由定义，仅要求其垂直于陶瓷平面即可。

如图2所示，4π为孤极p5的起始位置，5π为孤极p5的结束位置，孤极p5是由孤极p1孤极p2短路而成。

如图3所示，4.5π为孤极p5的起始位置，5.5π为孤极p6的结束位置，孤极p6是由孤极p2孤极p3短路而成。

电源表达式描述为电源一1为acosωt、电源二2为-acosωt、电源三3为asinωt、电源四4为asinωt；a为所有电源的电压幅值大小，为标么值。

理想情况下四个电源在定子上激发四个驻波，其表达式为：

空间调相环形行波超声波电机A相驻波有A1相驻波和A2相驻波合成，B相驻波由B1相驻波和B2相驻波合成，时间相位相同的两个驻波两两合成新的驻波，A相驻波和B相驻波的表达式为：

但如果电机存在结构误差，A相驻波和B相驻波实际表达式应为

定子中的波形为：

其中：ar为驻波横向振动振幅，r是驻波幅值相对于电压幅值的系数，x为空间位置角度，ω为振动角频率，n＝l/λ是沿定子圆周的波数，l是定子周长，λ为弹性波长，t为时间，Δc反应了B相驻波相对于A相驻波的幅值偏离，Δx₁，Δx₂表示A相驻和B相驻波空间相位相对于理想值的偏离大小，Δx＝Δx₁-Δx₂为B相驻波相对于A相驻波的空间相位差偏离。说明书中相同符号表示相同的含义。

一、Δc和Δx的检测

当Δc＝0，Δx＝0时，上述两个驻波的合成波形为一个纯行波，电机结构误差的影响将不存在，因此实施例首先需要检测出Δc和Δx。

1、将定子波形分解到α₁位置和β₁位置：

此时孤极p1和孤极p2的输出电压为：

式中w_α1，w_β1为定子波在α₁方向和β₁方向的分量，h₁是在单个孤极上电压相对于振幅的系数，U_α1，U_β1，η₁，η₂分别为孤极p1和孤极p2电压的幅值和时间相位。说明书中相同符号表示相同的含义。比较孤极p1和孤极p2电压的幅值，在电机结构误差不过于巨大时：

因为：cos2Δx₁＞0

所以，两相驻波波幅差异的检测方案为：

U_α1＞U_β1时，Δc＞0，说明A相驻波波幅小于B相驻波波幅；

U_α1＜U_β1时，Δc＜0，说明A相驻波波幅大于B相驻波波幅；

U_α1＝U_β1时，Δc＝0，说明A相驻波波幅等于B相驻波波幅。

2、将定子波形分解到α₃位置和β₃位置：

此时孤极p5和孤极p6的输出电压为：

式中，U_α3，U_β3，η₃，η₄分别为孤极p5和孤极p6电压的幅值和时间相位。说明书中相同符号表示相同的含义。

比较孤极p5和孤极p6电压的幅值，在电机结构误差不过于巨大时：

因此，空间相位误差的检测方案为：

U_α3＞U_β3时，Δx＜0，说明A相驻波与B相驻波的空间相位差小于

U_α3＜U_β3时，Δx＞0，说明A相驻波与B相驻波的空间相位差大于

U_α3＝U_β3时，Δx＝0，说明A相驻波与B相驻波的空间相位差等于

实施例中，利用多孤极以及孤极复用技术检测定子不同圆周位置的振幅，通过孤极上的电压幅值的差异，比较圆周上不同位置振幅差异，对电机结构误差导致的定子中两相驻波的幅值偏离信息和空间相位差偏离信息进行了识别。复合孤极技术可以在有限空间内，为更多位置提供振幅比较方案。多次的关键位置振幅比较，可以近似解耦的定性分析环形行波超声波电机两相驻波的振幅差和空间相位差受结构误差影响而偏离的方向。

二、Δc和Δx的校正

在获知B相驻波空间相位差偏离Δx和幅值偏离Δc信息后可以有两种方法对Δx和Δc进行校正。

一种是在B相进行的消除校正，其步骤如下：

1、B相驻波空间相位差偏离的消除校正

对B3相电压幅值和B4相电压幅值进行大小相等，方向不同的调节，电压幅值调节的大小均为q₁。此时B3相和B4相电源为：

假设，B3相和B4相激发的驻波是理想的，则B相合成驻波表达式为：

其中，

调节电压大小q₁的影响为：

(1)当q₁＞0时，B相合成驻波的幅值位置向B4相驻波的幅值位置发生“移动”，减少了A相驻波和B相驻波的空间相位差。

(2)当q₁＜0时，B相合成驻波的幅值位置向B3相驻波的幅值位置发生“移动”，增加了A相驻波和B相驻波的空间相位差。

该结论是在假设B3相驻波和B4相驻波理想情况下获得的，实际情况要更复杂，但是q₁的变化对γ_B的影响趋势仍然是相同的，因此上述结论仍然成立。

综合上述结论和B相驻波空间相位差偏离检测方案可得B相驻波空间相位差偏离消除校正的原则：

(1)当α₃位置的振幅大于β₃位置的振幅时，则Δx＜0，说明A相驻波与B相驻波的空间相位差小于此时应增加两相驻波的相位差，可使q₁＜0，即增加B3相电压幅值，减少B4相电压幅值，直至当α₃位置的振幅等于β₃位置的振幅时为止；

(2)当α₃位置的振幅小于β₃位置的振幅时，则Δx＞0，说明A相驻波与B相驻波的空间相位差大于此时应减少两相驻波的相位差，可使q₁＞0，即减少B3相电压幅值，增加B4相电压幅值，直至当α₃位置的振幅等于β₃位置的振幅时为止。

2、B相驻波幅值偏离的消除校正

在完成B相驻波空间相位差偏离的校正的基础上，对B3相电压幅值和B4相电压幅值进行方向相同的同比例调节，电压幅值调节的比例为k₁。此时B3相合B4相电源为：

k₁为一个大于0的B区电压调节系数，其影响为：

(1)当k₁＞1时，B相驻波的波幅增加；

(2)当k₁＜1时，B相驻波的波幅减少。

结合B相驻波幅值偏离检测方案可得B相驻波幅值偏离消除校正的原则：

(1)当α₁位置的振幅大于β₁位置的振幅时，则Δc＞0，说明A相驻波波幅小于B相驻波波幅，此时应减少B相驻波波幅，可使k₁＜1，即同时同比例减少B3相和B4相电压幅值，直到α₁位置的振幅等于β₁位置的振幅时为止；

(2)当α₁位置的振幅小于β₁位置的振幅时，则Δc＜0，说明A相驻波波幅大于B相驻波波幅，此时应增加B相驻波波幅，可使k₁＞1，即同时同比例增加B3相和B4相电压幅值，直到α₁位置的振幅等于β₁位置的振幅时为止。

另一种是在A相进行的补偿校正，其步骤如下：

1、B相驻波空间相位差偏离的补偿校正

对A1相电压幅值和A2相电压幅值进行大小相等，方向不同的调节，电压幅值调节的大小均为q₂。此时A1相和A2相电源为：

假设，A1相和A2相激发的驻波是理想的，则A相合成驻波表达式为：

其中，

调节电压大小q₂的影响为：

(1)当q₂＞0时，A相合成驻波的幅值位置向A2相驻波的幅值位置发生“移动”，增加了A相驻波和B相驻波的空间相位差。

(3)当q₂＜0时，A相合成驻波的幅值位置向A1相驻波的幅值位置发生“移动”，减少了A相驻波和B相驻波的空间相位差。

该结论是在假设A1相驻波和A2相驻波理想情况下获得的，实际情况要更复杂，但是q₂的变化对γ_B的影响趋势仍然是相同的，因此上述结论仍然成立。

综合上述结论和B相驻波空间相位差偏离检测方案可得，相对于A相驻波的B相驻波空间相位差偏离补偿校正的原则：

(1)当α₃位置的振幅大于β₃位置的振幅时，则Δx＜0，说明A相驻波与B相驻波的空间相位差小于此时应增加两相驻波的相位差，可使q₂＞0，即减少A1相电压幅值，增加A2相电压幅值，直至当α₃位置的振幅等于β₃位置的振幅时为止；

(2)当α₃位置的振幅小于β₃位置的振幅时，则Δx＞0，说明A相驻波与B相驻波的空间相位差大于此时应减少两相驻波的相位差，可使q₂＜0，即增加A1相电压幅值，减少A2相电压幅值，直至当α₃位置的振幅等于β₃位置的振幅时为止。

2、B相驻波幅值偏离的补偿校正

在完成B相驻波空间相位差偏离的校正的基础上，对A1相电压幅值和A2相电压幅值进行方向相同的同比例调节，电压幅值调节的比例为k₂。此时A1相合A2相电源为：

k₂为一个大于0的B区电压调节系数，其影响为：

(1)当k₂＞1时，A相驻波的波幅增加；

(2)当k₂＜1时，A相驻波的波幅减少。

结合B相驻波幅值偏离的检测方案，可得相对于A相驻波的B相驻波幅值偏离补偿校正的原则：

(1)当α₁位置的振幅大于β₁位置的振幅时，则Δc＞0，说明A相驻波波幅小于B相驻波波幅，此时应增加A相驻波波幅，可使k₂＞1，即同时同比例增加A1相和A2相电压幅值，直到α₁位置的振幅等于β₁位置的振幅时为止；

(2)当α₁位置的振幅小于β₁位置的振幅时，则Δc＜0，说明A相驻波波幅大于B相驻波波幅，此时应减少A相驻波波幅，可使k₂＜1，即同时同比例减少A1相和A2相电压幅值，直到α₁位置的振幅等于β₁位置的振幅时为止。

三、Δc和Δx的校正方式的选择

无论是Δc还是Δx都有两种校正方式可选择，为了保证工业一致性且达到最佳效果，本发明对Δc和Δx校正方式分别进行选择。其步骤如下：

1、Δc的校正方案选择

(1)当α₁位置的振幅大于β₁位置的振幅时，则Δc＞0，说明A相驻波波幅小于B相驻波波幅，此时应增加A相驻波的波幅，即在完成Δx校正后，通过同比例提高A1相和A2相电压幅值，对Δc进行补偿校正；

(2)当α₁位置的振幅小于β₁位置的振幅时，则Δc＜0，说明A相驻波波幅大于B相驻波波幅，此时应增加B相驻波的波幅，即在完成Δx校正后，通过同比例提高B3相和B4相电压幅值，对Δc进行消除校正。

2、Δx的校正方案选择

(1)当α₁位置的振幅大于β₁位置的振幅时，是在A相对Δc进行补偿校正的，因此应通过对B3相和B4相的电压幅值进行不同方向调节，在B相对Δx进行消除校正；

(2)当α₁位置的振幅小于β₁位置的振幅时，是在B相对Δc进行补偿校正的，因此应通过对A1相和A2相的电压幅值进行不同方向调节，在A相对Δx进行补偿校正。

原理说明如下：

调节B3相电压幅值和B4相电压幅值，进行消除校正后，A相和B相驻波为：

其合成波形是行波，为：

调节A1相电压幅值和A2相电压幅值，进行补偿校正后，A相和B相驻波为：

其合成波形是行波，为：

比较上述两种校正方案的行波波幅，从提高输出的因素出发有：

1、如果Δc＞0，在A相补偿校正后定子中的行波波幅较大，因此Δc的校正方式应选择补偿校正方案，其通过整体提高A1相和A2相电压幅值实现；

2、如果Δc＜0，在B相补偿校正后定子中的行波波幅较大，因此Δc的校正方式应选择消除校正方案，其通过整体提高B3相和B4相电压幅值实现。

在对Δc进行校正之前应先对Δx进行校正，由于Δx的校正是通过A1相和A2相电压幅值向不同方向调节，或是通过B3相和B4相电压幅值向不同方向调节实现的，因此其中总有一个相电压的幅值必须增加，进而会对该相压电陶瓷的耐压性提出额外要求，不期望该电压幅值太高，故在Δc的校正方案的基础上，Δx的选择方案设计为：

1、如果Δc是通过A相电压调节进行补偿校正的，则Δx应该通过B相电压调节进行消除校正；

2、如果Δc是通过B相电压调节进行消除校正的，则Δx应该通过A相电压调节进行补偿校正。