一种超声型压电推杆电机及其死区补偿方法

1.本发明属于超声电机领域；具体涉及一种超声型压电推杆电机及其死区补偿方法。


背景技术：

2.近年来，随着超精密加工、光刻技术、精密测量及纳米技术的迅速发展，对精密定位系统的精度、速度和行程的要求也越来越高。其中，驱动装置直接决定了平台的速度、精度、行程和整个系统的效率。
3.超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动的新型微电机,具有响应快、体积小、重量轻、低速转矩大、易于控制等优点，在精密仪器仪表、航空航天、智能机器人以及医学仪器等领域有着广泛的应用前景。超声型压电推杆电机采用螺纹传动，能够直接输出直线运动,同时具有更高的直线定位精度,与其他超声电机相比具有结构简单等优点。然而尺蠖型压电推杆电机还存在以下不足：一、定心导向结构不能使运动轴始终保持直线运动；二、电机本体没有行程检测装置，不便于闭环控制；三、调速死区特性制约着超声电机控制系统性能的提升。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种超声型压电推杆电机及其死区补偿方法，用以解决上述现有技术的问题。
5.本发明通过以下技术方案实现：
6.一种超声型压电推杆电机，所述超声型压电推杆电机包括外壳1
‑
1、外壳端盖1
‑
2、运动推杆2、螺纹丝杠3、驱动单元4、pcb霍尔传感器5、磁编码贴片6、直线轴承7、磁阻式编码器8和驱动控制器；
7.所述外壳1
‑
1的尾端固定设置驱动单元4，所述直线轴承7安装在外壳1
‑
1内，所述运动推杆2通过螺纹丝杠3与外壳1
‑
1固定连接，所述运动推杆2穿过直线轴承7的中心孔和外壳端盖1
‑
2的中心孔，所述运动推杆2运动推杆2的一侧表面开有凹槽2
‑
1，所述凹槽2
‑
1内装入磁编码片6，所述磁编码片6正对pcb霍尔传感器5，所述pcb霍尔传感器5安装在外壳1
‑
1的内测，所述驱动单元4的转子一端与磁阻式编码器8相连接，所述磁阻式编码器8设置在外壳1
‑
1的尾端外部与驱动单元4对应设置，所述pcb霍尔传感器5的另一端与驱动控制器相连接，所述将磁阻式编码器8的输出信号与驱动控制器相连接。
8.进一步的，所述pcb霍尔传感器5的输出信号与驱动控制器4相连，将磁阻式编码器8输出信号与驱动控制器4相连，构成双闭环负反馈系统；通过pcb霍尔传感器5检测超声型压电推杆电机的行程，将其与给定行程进行比较，输出调节信号；通过磁阻式编码器8检测超声型压电推杆电机的转速，进而来改变转速。
9.一种超声型压电推杆电机的死区补偿方法，所述死区补偿方法包括以下步骤：
10.步骤1：取电压正交幅度调制下定子中行波振幅的表达式；
11.步骤2：通过改变电压导通角α
a
∈[0,2π]来调节电机的转速，改变固定电机输入电压频率和自耦调压器的变比；
[0012]
步骤3：基于步骤2的变比测量α
a
与转速间关系；
[0013]
步骤4：测量输入电压幅值相等时超声电机的调幅调速特性以作为步骤3α
a
与转速间关系的对比；
[0014]
步骤5：基于同一个实验平台，通过更改步骤3与步骤4两个驱动电路mosfet开关逻辑，使得两相电压导通角相等，即保持α
a
＝α
b
∈[0,π/2]，且两相电压相位分别等于90
°
和
‑
90
°
，测量此时输入电压幅值与转速间关系；
[0015]
步骤6：验证步骤5得到的输入电压幅值与转速间关系，确认死区补偿方法有效。
[0016]
进一步的，所述步骤1的表达式具体为，
[0017]
w
tα
＝w
α
sinα
a
[0018]
其中，w
tα
为电机定子中的行波，w
α
为调节α
a
过程中行波幅值的最大值，α
a
为电压导通角。
[0019]
进一步的，所述步骤2的两相电压导通角分别为和
[0020]
本发明的有益效果是：
[0021]
本发明为利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动的新型超声型压电推杆电机，具有响应快、体积小、重量轻、低速转矩大、易于控制等优点。
[0022]
本发明电机采用螺纹传动，能够直接输出直线运动。
[0023]
本发明采用直线轴承与外壳端盖开有中心圆孔，具有定心导向，能使运动推杆始终保持直线运动。
[0024]
本发明采用pcb霍尔传感器作为超声型压电推杆电机行程检测，采用磁阻式编码器作为超声型压电推杆电机转速检测，构成的双闭环控制，定位精度高，容易控制，且抗干扰性高。
[0025]
本发明电机内装有限位保护装置，当推杆行程至极限位置时，电机停止运行，行程限位。
[0026]
本发明采用基于自调整驻波的电压幅值调制驱动方法，可改善电机摩擦特性，进而补偿了超声电机驱动系统的调速死区。
附图说明
[0027]
附图1是本发明的电机结构示意图。
[0028]
附图2是本发明的内部结构示意图。
[0029]
附图3是本发明的控制框图。
[0030]
附图4是本发明的应用电压正交幅度调制方法时输入电压示意图。
[0031]
附图5是本发明的电压正交幅度调制下超声电机静态调节特性示意图，其中(a)α
a
由小变大变化时超声电机静态调节特性示意图，(b)α
a
由小变大变化时，以电压幅值为自变
量时超声电机静态调节特性示意图，(c)α
a
由大变小变化时超声电机静态调节特性示意图，(d)α
a
由大变小变化时，以电压幅值为自变量时超声电机静态调节特性示意图。
[0032]
附图6是本发明的电压幅值相等时的超声电机静态调节特性示意图。
[0033]
附图7是本发明的电压幅值调制下超声电机机械特性示意图。
具体实施方式
[0034]
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035]
一种超声型压电推杆电机，所述超声型压电推杆电机包括外壳1
‑
1、外壳端盖1
‑
2、运动推杆2、螺纹丝杠3、驱动单元4、pcb霍尔传感器5、磁编码贴片6、直线轴承7、磁阻式编码器8和驱动控制器；
[0036]
所述外壳1
‑
1的尾端固定设置驱动单元4，所述直线轴承7安装在外壳1
‑
1内，所述运动推杆2通过螺纹丝杠3与外壳1
‑
1固定连接，所述运动推杆2穿过直线轴承7的中心孔和外壳端盖1
‑
2的中心孔，所述运动推杆2运动推杆2的一侧表面开有凹槽2
‑
1，所述凹槽2
‑
1内装入磁编码片6，所述磁编码片6正对pcb霍尔传感器5，所述pcb霍尔传感器5安装在外壳1
‑
1的内测，所述驱动单元4的转子一端与磁阻式编码器8相连接，所述磁阻式编码器8设置在外壳1
‑
1的尾端外部与驱动单元4对应设置，所述pcb霍尔传感器5的另一端与驱动控制器相连接，所述将磁阻式编码器8的输出信号与驱动控制器相连接。
[0037]
进一步的，所述pcb霍尔传感器5的输出信号与驱动控制器4相连，将磁阻式编码器8输出信号与驱动控制器4相连，构成如图3所示的双闭环负反馈系统；通过pcb霍尔传感器5检测超声型压电推杆电机的行程，将其与给定行程进行比较，输出调节信号；通过磁阻式编码器8检测超声型压电推杆电机的转速，进而来改变转速。
[0038]
一种超声型压电推杆电机的死区补偿方法，所述死区补偿方法包括以下步骤：
[0039]
步骤1：取电压正交幅度调制下定子中行波振幅的表达式；
[0040]
步骤2：通过改变电压导通角α
a
∈[0,2π]来调节电机的转速，改变固定电机输入电压频率和自耦调压器的变比；
[0041]
步骤3：基于步骤2的变比测量α
a
与转速间关系；结果如图5所示；
[0042]
步骤4：测量输入电压幅值相等时超声电机的调幅调速特性以作为步骤3α
a
与转速间关系的对比；
[0043]
步骤5：基于同一个实验平台，通过更改步骤3与步骤4两个驱动电路mosfet开关逻辑，使得两相电压导通角相等，即保持α
a
＝α
b
∈[0,π/2]，且两相电压相位分别等于90
°
和
‑
90
°
，测量此时输入电压幅值与转速间关系，实验结果如图6所示，其中图5(b)和(d)所示曲线分别由(a)和(c)经坐标变换得到；变换后的横坐标不再为α
a
而是
[0044]
步骤6：验证步骤5得到的输入电压幅值与转速间关系，确认死区补偿方法有效。
[0045]
进一步的，所述步骤1的表达式具体为，
[0046]
w
tα
＝w
α
sinα
a
[0047]
其中，w
tα
为电机定子中的行波，w
α
为调节α
a
过程中行波幅值的最大值，α
a
为电压导通角。
[0048]
进一步的，所述步骤2的两相电压导通角分别为和
[0049]
通过对比图5和图6可知，应用电压正交幅度调制方法后，超声电机调速死区显著变小。
[0050]
改变磁滞测功机输入电流大小，控制超声电机负载力矩大小，固定自耦调压器的变比，测得电压正交幅度调制下的超声电机机械特性，测量结果如图7所示。
[0051]
图7表明，在负载条件下，通过调整α
a
使其接近0、π或2π，超声电机最小转速仍明显小于图6中电压幅值相等时的最小转速，由此可说明，即使存在负载力矩时，电压正交幅度调制方法仍可有效地降低超声电机最小转速、拓展超声电机调速范围。
[0052]
无论是否存在负载力矩，电压正交幅度调制方法都可有效地补偿超声电机调速死区，拓展超声电机调速范围。并且，电压正交幅度调制方法不会影响超声电机基本机械特性，因此可直接应用于现有超声电机驱动系统中。
[0053]
如图2所示，将由压电陶瓷等组成的驱动单元(包括定子、转子)固定在外壳内部；螺纹丝杠与转子同轴心连接；然后将运动推杆安装在外壳、螺纹丝杠、直线轴承和外壳端盖的中心孔中。将直线轴承(直线导轨)安装在外壳与运动推杆之间，同时在外壳端盖对应位置开有圆形孔，使得推杆电机能够始终保持直线运动。将磁编码片安装在运动推杆表面所开的凹槽处，并在磁编码贴片与所述的外壳的正对位置上安装pcb霍尔传感器，使得能够对推杆行程进行检测。在驱动单元的转子另一端，也就是外壳那一侧处安装磁阻式编码器，能对电机转速进行检测反馈。
[0054]
在控制器c2中采用采用基于自调整驻波的电压幅值调制驱动方法，可改善电机摩擦特性，进而补偿了超声电机驱动系统的调速死区。