横梁式行波直线超声波电机的性能参数检测方法及系统

1.本发明涉及一种横梁式行波直线超声波电机的性能参数检测方法及系统，属于行波型超声波电机波形检测领域。


背景技术：

2.横梁式行波直线超声波电机的金属弹性体为非封闭结构，实际弹性体中弹性波在传递到达横梁端部时总会发生一定程度的反射，该反射波与入射波会合成驻波分量，该驻波分量的存在减少了行波分量大小，进而影响电机的输出性能。因此，检测横梁式直线行波超声波电机的行波分量占比、驻波分量占比、反射系数和驻波比有助于判断横梁式行波直线超声波电机的性能。
3.现阶段传统的超声波电机定子的振动测量多采用加速度传感器、激光多普勒测振仪等设备来完成，它们主要通过控制激光束对整个定子区域扫描振动模态并用图形显示接收到的振幅、速度等信息。
4.然而这些测试设备不仅价格高昂，而且测量速度慢，不能对电机定子进行实时测量。同时其侧重于检测电机弹性体振幅，在检测行波分量上是间接的，误差的大小取决于测点密度和计算手段，较为复杂。
5.上述问题是在横梁式行波直线超声波电机的设计和控制过程中应当予以思考并解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种横梁式行波直线超声波电机的性能参数检测方法及系统，具有在线检测、可行性高、成本低廉、计算速度快等特点，解决现有技术中存在的不能对电机定子进行实时测量，成本高昂，而且测量速度慢的问题。
7.本发明的技术解决方案是：
8.一种横梁式行波直线超声波电机的性能参数检测方法，包括以下步骤，
9.在横梁式行波直线超声波电机的金属弹性体的表面布置检测压电陶瓷组，包括左侧检测压电陶瓷和右侧检测压电陶瓷，左侧检测压电陶瓷和右侧检测压电陶瓷分别将反馈电压信号输出给检测电路，获得左侧检测压电陶瓷的电压幅值v1、相位以及右侧检测压电陶瓷的电压幅值v2、相位
10.进而求解横梁式行波直线超声波电机的入射波波幅a1和相位θ1、反射波波幅a2和相位θ2，以获得横梁式行波直线超声波电机的性能参数。
11.进一步地，左侧检测压电陶瓷和右侧检测压电陶瓷的位置互差四分之一波长。
12.进一步地，左侧检测压电陶瓷和右侧检测压电陶瓷的极化方向均为z轴正方向。
13.进一步地，求解横梁式行波直线超声波电机入射波波幅a1和相位θ1、反射波波幅a2和相位θ2，具体为：
[0014][0015]
其中，v1为左侧检测压电陶瓷的电压幅值，为左侧检测压电陶瓷的电压相位，v2为右侧检测压电陶瓷的电压幅值，为右侧检测压电陶瓷的电压相位；
[0016]
对上述方程组进行数值迭代求解，获得横梁式行波直线超声波电机入射波波幅a1和相位θ1、反射波波幅a2和相位θ2。
[0017]
进一步地，横梁式行波直线超声波电机的性能参数包括定子中行驻波的驻波比，获得定子中行驻波的驻波比为：
[0018][0019]
其中，a1为横梁式行波直线超声波电机入射波波幅，θ1为横梁式行波直线超声波电机入射波相位，a2为横梁式行波直线超声波电机反射波波幅，θ2为横梁式行波直线超声波电机反射波相位。
[0020]
进一步地，横梁式行波直线超声波电机的性能参数包括行波分量占比、驻波分量占比、行波反射系数，获得行波分量占比r
t
、驻波分量占比rs、行波反射系数α，具体为
[0021][0022][0023][0024]
其中，a1为横梁式行波直线超声波电机入射波波幅，a2为横梁式行波直线超声波电机反射波波幅，γ为定子中行驻波的驻波比。
[0025]
进一步地，该横梁式行波型直线超声波电机包括定子和动子，定子包括金属弹性体、压电陶瓷组和若干驱动齿，压电陶瓷组包括激振压电陶瓷和吸能压电陶瓷，金属弹性体的两端分别连接激振压电陶瓷的端部和吸能压电陶瓷的端部，吸能压电陶瓷的另一端部连接阻抗匹配电路的一端，阻抗匹配电路的另一端连接金属弹性体，金属弹性体的上表面中部设有等间距排布的驱动齿，驱动齿设于金属弹性体与动子间。
[0026]
进一步地，阻抗匹配电路包括匹配电感和电阻，吸能压电陶瓷的固定端连接通过匹配电感连接电阻的一端，电阻的另一端连接吸能压电陶瓷的连接端，吸能压电陶瓷的连接端连接金属弹性体并接地。
[0027]
一种横梁式行波直线超声波电机的驻波比检测系统，包括检测压电陶瓷组、电压幅值与相位检测模块和数据处理模块，
[0028]
检测压电陶瓷组：包括左侧检测压电陶瓷和右侧检测压电陶瓷，左侧检测压电陶瓷和右侧检测压电陶瓷的位置互差四分之一波长，左侧检测压电陶瓷和右侧检测压电陶瓷分别将反馈电压信号输出给电压幅值与相位检测模块；
[0029]
电压幅值与相位检测模块：获得左侧检测压电陶瓷的电压幅值v1、相位以及右侧检测压电陶瓷的电压幅值v2、相位
[0030]
数据处理模块：求解横梁式行波直线超声波电机入射波波幅a1和相位θ1，反射波波幅a2和相位θ2，采用上述任一项所述的横梁式行波直线超声波电机的性能参数检测方法，获得定子中行驻波的驻波比。
[0031]
本发明的有益效果是：
[0032]
一、该种横梁式行波直线超声波电机的性能参数检测方法及系统，检测计算速度快，可实现在线检测和计算。该方法获得的驻波比等电机参数也可实时引入电机的控制系统中，提高电机控制的精确度。
[0033]
二、该种横梁式行波直线超声波电机的性能参数检测方法及系统，成本低廉、可行性高、检测压电陶瓷便于安装，基本不增加电机结构复杂性。
附图说明
[0034]
图1是本发明实施例横梁式行波直线超声波电机的性能参数检测方法的说明示意图。
[0035]
图2是实施例中横梁式行波直线超声波电机波形分量的说明示意图。
[0036]
图3是实施例中横梁式行波直线超声波电机的说明示意图。
[0037]
图4是实施例中吸能压电陶瓷与阻抗匹配电路的说明示意图。
[0038]
图5是实施例中在某一初值条件下，根据检测电压迭代求解方程组的数值解a1、a2、θ1、θ2收敛情况的说明示意图。
[0039]
其中：1-金属弹性体，2-左侧检测压电陶瓷，3-右侧检测压电陶瓷，4-电压幅值与相位检测模块，5-动子，6-激振压电陶瓷，7-吸能压电陶瓷，8-驱动齿，9-阻抗匹配电路；y
1-入射波分量，y
2-反射波分量，y
3-折射波分量。
具体实施方式
[0040]
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
[0041]
实施例
[0042]
一种横梁式行波直线超声波电机的性能参数检测方法，如图1，包括以下步骤，
[0043]
在横梁式行波直线超声波电机的金属弹性体1的表面布置检测压电陶瓷组，包括左侧检测压电陶瓷2和右侧检测压电陶瓷3，左侧检测压电陶瓷2和右侧检测压电陶瓷3分别将反馈电压信号输出给检测电路，获得左侧检测压电陶瓷2的电压幅值v1、相位以及右侧检测压电陶瓷3的电压幅值v2、相位
[0044]
进而求解横梁式行波直线超声波电机的入射波波幅a1和相位θ1、反射波波幅a2和相位θ2，以获得横梁式行波直线超声波电机的性能参数。
[0045]
该种横梁式行波直线超声波电机的性能参数检测方法，检测计算速度快，可实现在线检测和计算。该方法获得的驻波比等电机参数也可实时引入电机的控制系统中，提高电机控制的精确度。
[0046]
该种横梁式行波直线超声波电机的性能参数检测方法，如图2所示，以一种基于三阶弯振的横梁式直线行波型超声波电机为例，包括定子，定子包括金属弹性体1。在外部激励下，金属弹性体1内产生向右传递的行波y1，在分界面上，行波y1成为入射波y1。经过分界面时，入射波y1的一部分作为折射波y3继续向右传递，另一部分则变成反射波y2向左传递。向左传递的反射波y2与向右传递的入射波y1在金属弹性体1中合成为行驻波，包含行波分量和驻波分量。行波分量和驻波分量的占比取决于反射波y2的大小。
[0047]
该种横梁式行波直线超声波电机的驻波比检测方法中，如图1，检测压电陶瓷组的两片检测压电陶瓷长度不超过1/4λ，其上表面与金属弹性体1底部紧密连结，其下表面通过细导线将反馈电压信号输出给电压幅值与相位检测模块4。整个金属弹性体1中分布有3/2个λ的空间行波，如每个行波波长λ计为空间相位2π，则整个弹性体可计为空间相位3π。将左下方检测陶瓷布置于空间相位为5/8λ处，将右下方检测陶瓷布置于空间相位为7/8λ处，使两片陶瓷在空间上刚好相隔1/4λ。
[0048]
左侧检测压电陶瓷2和右侧检测压电陶瓷3的极化方向均为垂直向上即z轴正方向，在压电效应作用下，左侧检测压电陶瓷2和右侧检测压电陶瓷3分别输出两组电压，由于金属弹性体1中的波形为行驻波，行驻波中的行波分量向右传递时，行波波幅将先后依次通过左侧检测压电陶瓷2和右侧检测压电陶瓷3所在位置，导致左侧检测压电陶瓷2和右侧检测压电陶瓷3输出电压产生相位差，行驻波中的驻波分量导致左侧检测压电陶瓷2和右侧检测压电陶瓷3输出的电压产生幅值差。
[0049]
设金属弹性体1中的入射行波和反射行波表达式分别为：
[0050][0051]
其中，y1为金属弹性体1中的入射波分量，y2为定子弹性体中的反射波分量，a1为入射波分量幅值，a2为反射波分量的幅值，θ1为入射波分量的时间相位，θ2为反射波分量的时间相位，入射波，反射波传递方向相反，两者合成一列行驻波，其包含行波分量和驻波分量，表达式为：
[0052][0053]
其中，合成行驻波振幅a(x)和相位表达式分别为：
[0054][0055]
设空间相位为5/8λ处和7/8λ处检测陶瓷的检测电压分别为和
将和v2代入上述方程可得：
[0056][0057]
该方程组含有四个方程以及入射与反射行波振幅a1、a2以及初始相角θ1、θ2四个未知量。对上述方程组进行数值迭代求解，解出入射与反射行波振幅a1、a2以及初始相角θ1、θ2。
[0058]
图5为在某一组初值条件下a1、a2、θ1、θ2的迭代过程收敛性直方图，当变量的函数值越接近0则其收敛性越好。由图5可知该计算方法收敛性极好，证明上述方程式可获得较高精度的数值解，具有较好的可行性。
[0059]
根据已知a1、a2、θ1、θ2的求解值及驻波比定义，定子中行驻波的驻波比表达式为：
[0060][0061]
其中，a1为横梁式行波直线超声波电机入射波波幅，θ1为横梁式行波直线超声波电机入射波相位，a2为横梁式行波直线超声波电机反射波波幅，θ2为横梁式行波直线超声波电机反射波相位。
[0062]
同样根据定义可得如下性能参数：
[0063]
直线行波电机的行波占比r
t
：
[0064]
驻波占比rs：
[0065]
行波反射系数α：
[0066]
其中，a1为横梁式行波直线超声波电机入射波波幅，a2为横梁式行波直线超声波电机反射波波幅，γ为定子中行驻波的驻波比。
[0067]
图3为实施例中横梁式行波型直线超声波电机的一个具体示例，包括定子和动子5，定子包括金属弹性体1、压电陶瓷组和若干驱动齿8，压电陶瓷组包括激振压电陶瓷6和吸能压电陶瓷7，金属弹性体1的两端分别连接激振压电陶瓷6的端部和吸能压电陶瓷7的端部，吸能压电陶瓷7的另一端部连接阻抗匹配电路9的一端，阻抗匹配电路9的另一端连接金属弹性体1，金属弹性体1的上表面中部设有等间距排布的驱动齿8，驱动齿8设于金属弹性体1与动子5间。其中，如图4，阻抗匹配电路9包括匹配电感和电阻，吸能压电陶瓷7的固定端连接通过匹配电感连接电阻的一端，电阻的另一端连接吸能压电陶瓷7的连接端，吸能压电
陶瓷7的连接端连接金属弹性体并接地。激振压电陶瓷6和吸能压电陶瓷7的极化方向均为z轴正方向，激振压电陶瓷6施加电场的正方向为固定端指向金属弹性体1。激振压电陶瓷6的工作模式为扭转振动模式，带动金属弹性体1端部一起上下运动，从而在金属弹性体1内形成入射行波分量；在金属弹性体1带动下吸能压电陶瓷7作剪切振动，由于压电效应，吸能压电陶瓷7的固定端和金属弹性体1之间产生交变电压，该交变电压通过阻抗匹配电路9进行能量消耗，减少金属弹性体1中反射行波分量，从而使金属弹性体1内主要为行波分量。
[0068]
实施例还提供一种横梁式行波直线超声波电机的驻波比检测系统，包括检测压电陶瓷组、电压幅值与相位检测模块4和数据处理模块，
[0069]
检测压电陶瓷组：包括左侧检测压电陶瓷2和右侧检测压电陶瓷3，左侧检测压电陶瓷2和右侧检测压电陶瓷3的位置互差四分之一波长，左侧检测压电陶瓷2和右侧检测压电陶瓷3分别将反馈电压信号输出给电压幅值与相位检测模块4；
[0070]
电压幅值与相位检测模块4：获得左侧检测压电陶瓷2的电压幅值v1、相位以及右侧检测压电陶瓷3的电压幅值v2、相位
[0071]
数据处理模块：求解横梁式行波直线超声波电机入射波波幅a1和相位θ1，反射波波幅v2和相位θ2，采用上述任一项所述的横梁式行波直线超声波电机的性能参数检测方法，获得定子中行驻波的驻波比。
[0072]
该种横梁式行波直线超声波电机的性能参数检测方法及系统，通过在横梁式行波直线电机定子弹性体表面相隔四分之一波长位置布置两片检测压电陶瓷。电机工作时根据两片压电陶瓷上的电压幅值和相位，计算横梁式直线超声波电机中性能参数，包括驻波比、行波分量占比、驻波分量占比、行波反射系数。该种横梁式行波直线超声波电机的性能参数检测方法及系统，检测计算速度快，可实现在线检测；成本低廉、可行性高、检测压电陶瓷便于安装，基本不增加电机结构复杂性。
[0073]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。