V形步进直线超声电机单模态驱动控制方法

本发明涉及直线超声电机控制，具体涉及一种v形步进直线超声电机单模态驱动控制方法。

背景技术：

1、直线超声电机具有结构紧凑、响应速度快、抗电磁干扰、直接输出直线运动、断电自锁等优点，其在直线精密驱动领域具有重要应用价值。步进式直线超声电机属于步进超声电机的一种，其除具有直线超声电机的一般特点以外，可实现正、反向的步进直线运动，且采用开环控制，无需加入反馈环节消除累计误差，驱动电路较为简单。

2、现有的步进式直线超声电机基本都是利用定子的复合振动模态，在驱动足处合成椭圆运动轨迹，驱动动子实现直线运动，这就存在定子模态简并问题，大大限制了定子的结构设计，例如专利授权公告号为cn100511956c的专利中提出的步进式直线超声电机和《sensors and actuators a:physical》在2019年第285卷182页中(development of aresonant type piezoelectric stepping motor using longitudinal and bendinghybrid bolt-clamped transducer)中提出的一种步进式直线超声电机均利用定子纵弯复合振动模态，需要进行模态简并设计。而且现有的步进式直线超声电机驱动方法至少需要两相电压激励信号，增加了驱动电路的复杂度及故障率。

3、《超声电机技术与应用》(赵淳生著.超声电机技术与应用.北京：科学出版社,2007.09)一书自p328始的部分内容对v形直线超声电机的结构与驱动原理进行了详细的说明。基本上，对于本领域技术人员，v形直线超声电机的驱动方式普遍是基于对定子中呈v形连接的两个振子分别施加具有相位差的激励来合成v形定子的驱动足的椭圆运动，实现对动子的步进驱动。目前尚没有基于v形定子的利用单个驱动信号来驱动v形定子的一个振子产生倾斜直线运动，并在此基础上诱发另一个v形定子弯振来完成动子驱动的技术方案。对于v形直线超声电机设计，本领域具有采用利用两相激励合成驱动足的椭圆运动的设计定势。申请人认为囿于现有技术路线的规训，本领域技术人员不可能获得本申请中技术原理完全不同的技术方案。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种v形步进直线超声电机单模态驱动控制方法，其不同于现有技术中利用两路激励实现定子纵弯复合振动模态，以此驱动动子直线运动的控制方案。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种v形步进直线超声电机单模态驱动控制方法，用于驱动v形步进直线超声电机，所述v形步进直线超声电机包括v形压电振子以及动子；v形压电振子由两个超声变幅杆组成；两个超声变幅杆一端连接形成v形结构，并在v形结构的尖端形成驱动足；其驱动足接触压紧于动子一侧；所述超声变幅杆上设置压电陶瓷；

4、该v形步进直线超声电机单模态驱动控制方法仅在两个所述超声变幅杆之一上的所述压电陶瓷上施加电压激励，激发对应的超声变幅杆一阶纵振；诱发另一超声变幅杆的二阶弯振；所述驱动足沿对应的超声变幅杆轴线方法做倾斜直线运动，驱动所述动子向一侧运动。

5、优选地，采用高电平为vg的周期性方波突发信号，经功率放大电路放大后，再利用串联电感进行阻抗匹配后，得到幅值为vp的周期性正弦波突发信号作为所述电压激励。

6、优选地，所述电压激励间歇激发v型定子的单模态振动模式，使得驱动足处产生间歇的往复斜直线运动，推动动子实现步进式直线运动。

7、优选地，所述v形步进直线超声电机的调整通过调节周期性方波突发信号的占空比vduty、驱动频率fd、方波个数ns三者至少之一实现；

8、所述v形步进直线超声电机的步进时间间隔δt的调整通过调节周期性方波突发信号的暂停时间tp实现，tp＝td-ns/fd，其中td为周期性方波突发信号的周期。

9、优选地，所述串联电感的电感值ls与所述压电陶瓷的静态电容cp之间满足ls＝[(2πfd)2·cp]-1，驱动频率fd为fr±1500hz，fr为超声变幅杆的共振频率。

10、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

11、1.相比于现有的复合模态步进式直线超声电机，本发明提出的步进式直线超声电机利用了v型压电振子(定子)的单模态工作模式，无模态简并问题，大大化简了定子的设计过程，且具有更宽的工作频带，易于调频调速。

12、2.本发明提出的步进式直线超声电机利用驱动足处的倾斜直线运动直接推动动子实现步进式直线运动，相比于传统的利用驱动足处椭圆运动推动动子实现步进式直线运动而言，具有更高的动力传递效率，提升了电机的负载能力。

13、3.本发明提出的一种步进式直线超声电机驱动方法，只需要通过选择激励v型压电振子的左支或右支超声变幅杆的压电陶瓷，即可实现动子的正、反向直线运动，简化了驱动电路的设计，提高了驱动器可靠性，且易于实现驱动器小型化。

14、4.本发明提出的一种步进式直线超声电机驱动方法，采用周期性方波突发信号作为初始驱动信号，可通过独立调节该方波突发信号的占空比、驱动频率、方波个数三个变量，实现电机步进的步距大小调节；通过调节方波突发信号的暂停时间，实现电机步进时间间隔调节，便于该步进式直线超声电机后期控制系统的设计和实施。本发明通过原理，实现功能，具有突出效果。

技术特征：

1.一种v形步进直线超声电机单模态驱动控制方法，用于驱动v形步进直线超声电机，其特征在于，

2.如权利要求1所述的v形步进直线超声电机单模态驱动控制方法，其特征在于，采用高电平为vg的周期性方波突发信号，经功率放大电路放大后，再利用串联电感进行阻抗匹配后，得到幅值为vp的周期性正弦波突发信号作为所述电压激励。

3.如权利要求2所述的v形步进直线超声电机单模态驱动控制方法，其特征在于，所述电压激励间歇激发v型定子(1)的单模态振动模式，使得驱动足(5)处产生间歇的往复斜直线运动，推动动子(2)实现步进式直线运动。

4.如权利要求3所述的v形步进直线超声电机单模态驱动控制方法，其特征在于，所述v形步进直线超声电机的调整通过调节周期性方波突发信号的占空比vduty、驱动频率fd、方波个数ns三者至少之一实现；

5.如权利要求书2所述的v形步进直线超声电机单模态驱动控制方法，其特征在于，所述串联电感的电感值ls与所述压电陶瓷的静态电容cp之间满足ls＝[(2πfd)2·cp]-1，驱动频率fd为fr±1500hz范围内，fr为超声变幅杆(11)的共振频率。

技术总结
本发明涉及V形步进直线超声电机单模态驱动控制方法，所述V形步进直线超声电机包括V形压电振子以及动子；该V形步进直线超声电机单模态驱动控制方法仅在V形压电振子的两个超声变幅杆之一上的压电陶瓷上施加电压激励，激发对应的超声变幅杆一阶纵振；诱发另一超声变幅杆的二阶弯振；驱动足沿对应的超声变幅杆轴线方法做倾斜直线运动，驱动动子向一侧运动。该控制方法无模态简并问题，大大化简了定子的设计过程，且具有更宽的工作频带，易于调频调速；具有更高的动力传递效率，提升了电机的负载能力。

技术研发人员：李响,赵宏杨,丁远,朱伟
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7