[发明专利]超声电机的频率调节方法

说明书

本发明公开了一种超声电机的频率调节方法，包括转子、由金属基体和至少两个粘贴在所述金属基体外表面上的压电陶瓷元件复合而成的定子，所述两压电陶瓷元件其中的一个压电陶瓷元件连接驱动电压信号用于激励电机的振动模态，另一个压电陶瓷元件上外接可调负载，用于调节电机两振动模态的共振频率；还包括温度采集器和控制器，所述温度采集器在超声电机上设置；控制器以温度采集器检测的温度值为改变可调负载的信号源控制所述可调负载自动调节，以完成电机两振动模态共振频率的自动调节。本发明较以往的超声电机频率调节方法相比，该频率调节方法设计简单、易于实现，并且极大的提高了超声电机的稳定性。

技术领域

本发明涉及一种超声电机的频率调节方法，属超声电机的运动控制领域。

背景技术

超声波电机是近年发展起来的一种新型电机，它利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将压电陶瓷的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。由于独特的运行机理，超声电机具有传统电磁式电机所不具备的优点，如体积小、质量轻、低速大转矩、无电磁干扰、噪声小、控制精度高、响应速度快等，在非连续运动领域及精密控制领域有广阔的应用前景。其中，中国专利，公开号为CN 107742993 A，公开了单相激励型面内振动超声电机及其单相激励方法，然而，为获得较大的输出力矩，超声波电机必须工作在某个最佳频率上。但由于超声波电机中压电陶瓷的介电系数、等效电容及漏电阻都会随电机运行中电机本体温度的升高发生变化，这将使得电机所需的最佳激励频率约有1～2kHz的变化。如果驱动频率不变，电机转速将明显下降，甚至停转。为了稳定地驱动超声波电机，在不改变激励频率的前提下，有必要根据温度的变化自动调节电机的共振频率，以实现电机的稳定运转。

目前常用的方式是通过改变电机的激励频率，以使得激励频率能跟踪电机共振频率的变化，而实现超声电机频率自动跟踪控制的主要途径有两大类：一是利用附着在定子上的压电陶瓷孤极，通过其反馈电压来反映定子的振动状态，亦称为基于传感器的频率跟踪方法，它不适用于无法安装或构造传感器的超声电机，并且该压电陶瓷孤极只能用于反映定子的振动状态，造成了材料的浪费。同时，这种方法只适用于行波型超声电机的频率跟踪，适用范围较窄。另一类是利用电机的驱动电压、电流相位等驱动状态，亦称为无传感器的频率跟踪方法，但这种方法所要求的条件较苛刻，实现电路较复杂且参数的选择也较困难。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种超声电机的频率调节方法，其通过改变超声电机电端负载和压电耦合实现电机共振频率的调节，具体而言通过以下技术方案实现：

本发明所述的一种超声电机的频率调节方法，包括转子、由金属基体和至少两个粘贴在所述金属基体外表面上的压电陶瓷元件复合而成的定子，所述两压电陶瓷元件其中的一个压电陶瓷元件连接驱动电压信号用于激励电机的振动模态，另一个压电陶瓷元件上外接可调负载用于调节电机两振动模态的共振频率；还包括温度采集器和控制器，所述温度采集器在超声电机上设置；控制器以温度采集器检测的温度值为改变可调负载的信号源控制所述可调负载自动调节，以完成电机两振动模态共振频率的自动调节。

进一步，所述控制器以温度采集器检测的温度值为改变可调负载的信号源控制所述可调负载自动调节的具体步骤为：

a、测定定子的共振频率与温度的变化关系

T₀为参考温度，通常为室温；ρ为定子的密度；a为定子体的厚度；为定子体在一定振动模态下的弹性模量；

b、测定可调负载值对共振频率的影响

当虚部为零时，计算得到超声电机等效电路模型的两振动模态的共振频率，即