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盘状多自由度超声波电机的设计及其自激驱动电路..doc

盘状多自由度超声波电机的设计及其自激驱动电路.

詠恆啲诺琂_
2017-10-06 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《盘状多自由度超声波电机的设计及其自激驱动电路.doc》,可适用于活动策划领域

盘状多自由度超声波电机的设计及其自激驱动电路英文资料翻译盘状多自由度超声波电机及其自激驱动电路的设计摘要:由于多自由度系统数量的增加多自由度驱动器在机器人领域变的更有用。超声波电机的一般特征是它能够作为直接多自由度驱动器。尽管如此和由复变电磁电机组成的多自由度动作单元相比以前发展起来的超声波电机在体积和重量上并没有优势。在目前的研究中学者们研究出了一种新型的多自由度超声波电机这种电机由紧凑的盘状定子和球形转子组成。首先提出了一种新的电机驱动原理其次用有限元法已经详细设计了定子的平面图形这种多自由度超声波电机的模型已经被生产出来随后对定子的振动特征和电机的驱动特征进行了测试。结果证实受单盘转子的驱动电机成功地实现了在直角坐标下所要求的定子多自由度运转。最后提出了这种电机的新型的自激驱动电路并用其实施了驱动测试。关键词:多自由度驱动器压电驱动自激超声波电机I简介现在自动机械被广泛应用于多个领域如工业娱乐医疗恶劣环境下作业等等。既然这些应用和我们的生活如此接近一些自动机械便可以被大多数人操作和应用而不仅仅是专家。所以就要求机械能实现像人一样的灵巧的多自由度运作也就是说实现像人一样惯用右手的运动成为机器人方面最重要的课题之一。灵巧的多自由度运动一般是靠电磁电机的单自由度运动和齿轮传动的结合来实现。尽管如此用这种机械装置由于需要大量的驱动器和传动齿轮系统总体积和重量都将增大和增重所以很难建立一种紧凑的多自由度运动单元。有两种方法可供工程师们去解决这些问题。一种方法就是制造一种更小的强力的单自由度驱动器另一种方法是制造一种具有多自由度驱动器一些功能的驱动器。前者是现在观念的一种延伸那意味着系统的构造和控制方案和传统系统基本一致。另一方面如果我们尝试后一种方法用和传统系统不同的观念可以发展一种新型的系统结构。于是一些多自由度驱动器被设想并发展起来这些电机用单精度定子可以产生多自由度运动。多自由度电磁电机的一些例子如下:Rothetal提出了三维可变球状电机Yanoetal发展了一种球形步进电机。还有一些关于多自由度电磁电机的研究成果。尽管如此这些电机的结构很复杂以至于很难实现微型化。但是另一方面超声波电机有很多的优点如低速大转矩高制动转矩无电磁辐射低噪音结构简单等。其中的一些特征确保了超声波电机作为多自由度驱动器实现直接驱动的能力。如图对超声波电机和电磁电机的最大转矩进行了比较。图形显示超声波电机很有潜能作为直接驱动器使用。所以以前基于超声波电机原理的多自由度驱动器是被作如下设想的:Bansevicius发明了压电多自由度驱动器Amano发明了一种多自由度超声波驱动器Toyama发明了一种球形超声波电机还有Sasae发明了球形驱动器。学者们还发明了一种新型的多自由度超声波电机它利用棒状定子的三种自由振动模态来产生球形转子的多自由度旋转。英文资料翻译图最大转矩的比较图有限元模型既然超声波电机显示出如此的优越性那么多自由度超声波电机应该有足够的潜能去替代现已存在的由单自由度电磁电机组成的多自由度运动单元。然而大多数这种多自由度超声波电机有一个比转子大的定子。和由电磁电机组成的多自由度运动单元相比这种驱动器在体积和重量上几乎没有优势。另外用来驱动电机的高频交变电流可能成为另一个问题因为一个复杂并强大的驱动电源是必须的。所以为了显示多自由度超声波电机的优点一种具有紧凑结构和简单驱动电路的新颖的电机必须成为现实。所以在这次研究中我们提出了一种新颖的多自由度超声波电机的设计方案和驱动电路这种电机由球形转子和非常紧凑的盘状定子组成。以前关于多自由度超声波电机的报导中这种设计方案从未实现过。具有紧凑定子和简单驱动电路的超声波电机很适合用于机器人眼睛控制激光处理和其他一些应用。在这篇文章中首先描述了定子振动模态的基本设计和驱动原理。接着介绍了用有限元法详细分析定子的设计和已生产出的电机的模型在解释了驱动试验的过程后又重新介绍了超声波电机的自激驱动电路最后我们对这次研究的结论进行了描述。II(驱动原理超声波电机是一种靠摩檫力驱动的电机一般由定子和转子组成。典型的超声波电机利用定子的两种简单的振动来驱动转子。定子振动产生的能量通过定转子间的摩檫传递给旋转的转子。在普通的单自由度超声波电机的情况下这两种振动形式使定子上的质点绕着有精确转轴的椭圆轨道运行这样和定子有接触的转子在摩檫力的驱动下就会绕轴旋转。为了实现多自由度超声波电机我们必须对单自由度超声波电机的驱动能力进行扩展。那就是当转子和定子的接触点沿椭圆轨道的转轴随意变动时实现转子的多自由度运转。所以两两正交的三种自然振动的频率必须适合产生任一轴轨道。联系任一点的三种正交的振动有相同的频率适当的振幅和相位质点可以在任一轴的轨道上运动因为轨道由三种正交振动的成分组成。也就是多自由度超声波电机的定子必须满足以下条件:)三种振动模式的自然频率相符)振动模式的振动方向相互正交)定子几何结构必须简单易于生产)三种模式必须是轻微振动以使不产生不必要的模式。就像在文章的第一部分中所提到的一些满足上述要求振动模态的定子已经有生产。尽管如此大多数这种定子结构不够紧凑很难解决尺寸问题。这就意味着在以前的设计方案中多自由度超声波电机最重要的优点并未显现出来。我们采用盘状定子的基本振动模态来解决这个问题。由于定子有很多种振动模式我们仔细考虑了上述提到的要求以选择适当的振动模式。我们采用有限元分析法来确认模式形状英文资料翻译(如图)。从分析的结果我们选择如图所示的三种自然振动模态。在整篇文章中图所示为简单的参考结构。图中的小方格代表振动的质点在那里质点在z轴方向上的位移为零。模态图中的正负号代表研沿z轴方向的空间相位。图自然振荡模式(a)模式(b)模式(c)模式当和转子的接触点位于图三中ABCD四个点时根据各自的振动情况它们主要振动方向如下:模式沿z轴方向模式沿y轴方向模式沿x轴方向如果三种振动的自然频率相符质点的任意椭圆轨道就能形成。在模式和下它们之间由于有的相位差而相联系质点沿着x轴运动。如果模式和相联系那么质点沿着z轴运动。也就是说质点可以选择性的沿x,y或z轴运动。那么如果球形转子和盘子质点ABCD相接触时转子靠转子和定子之间的摩擦力沿着任一轴旋转意味着电机是驻波型超声波电机。另外当三种运动适当的结合时质点可以绕着任一轴运动。这就是说转子可以绕着三维空间的任一轴旋转。为了详细分析接触机构可以用分散模型分析法或者详细的有限元分析法。英文资料翻译III(设计与制造我们刚刚讨论了质点的运动情况。无论如何使振动的自然频率相符非常重要。在这一节中描述了用有限元法分析定子的详细结构。图定子的有限元模型表材料属性图显示了所设计定子的有限元模型。模型由黄铜、树脂和压电部分组成各自材料的属性如表中所示。定子有平方毫米大毫米高。所分析的振动模态如图所示。所有的自然频率基本上接近千赫兹。基本的设计过程如下。模式和模式()的自然频率基本上不同(既然模式和模式相似有不同的振动方向他们的自然频率理论上是相同的)。为了调整自然频率当剧烈振动时有强大应变产生的截面必须考虑进去。如果那里的硬度大那么这种模式的自然频率变得更高。即我们必须使定子有低硬度区域以使自然频率相符。低硬度截面的深度用作一个设计参数。图定子的自然振荡模式(a)模式(b)模式(c)模式根据有限元模型多自由度超声波电机的几何结构的设计如图所示。多自由度超声波电机由不锈钢的球形转子和盘状定子组成。定子由黄铜部分、树脂部分和压电陶瓷片组成。黄铜部分的低硬度区域有调整自然频率和扩大接触点振动振幅的作用。树脂安置在定转子的接触点。这就允许接触点有适当的硬度供摩擦力有效的驱动转子。树脂部分采用制造业中的英文资料翻译公差(大约毫米)。尽管如此制造业中的公差对设计的电机结构基本上没有影响因为定转子间通过引力应用了预加负荷。安置压电陶瓷片是为了激起自激振荡。图和表显示了激起振荡的压电陶瓷片的输入。图多自由度超声波电机的几何结构图压电陶瓷片的输入表压电陶瓷片的输入相位图多自由度超声电机的原型图显示了具有盘状定子的多自由度超声波电机的原型。转子的体积是定子的倍而价值是我们以前多自由度超声波电机的意味着所设计的电机在体积上是有优势的。然而现在电机仍需要有一个转子支撑机构(引力提供的预加负荷)用电磁力我们可以构造一种简单的结构来支撑转子。这种电磁预加负荷装置的想法和我们在以前的研究中所介绍的相同。IV(实验英文资料翻译A(振荡特征有必要通过实验用有限元分析法证实自然频率和三种振动的形态。这部分描述了振荡测试的结果。表振动的自然频率首先测量了三种振动的自然频率结果如表所示。为了对照用有限元法的特征值分析出的结果也显示在表格中。自然频率的测量值和理论分析值的误差在左右。测量所得的频率比分析所得值小因为在有限元模型中并未模拟边界降低了定子的硬度。尽管如此采用文章中第二部分描述的驱动原理可以认为振荡的自然频率能够驱动转子旋转。表接触点的运动英文资料翻译图定子上激励的振荡(a)模式(b)模式(c)模式再者为了证实模态形状当定子上激励有振荡时我们测量了接触点的运动。表格列出了测量的结果。对陶瓷片的交流输入信号的频率和振幅分别大约为千赫兹和伏。表格中的符号代表运动质点的空间相位。图显示了振荡模式概念上的说明这从表格中可看出来。比较图和图我们可以说激励的振荡和所期望的是不同的。对模式除了振动方向有一点点区别以外所有的形态相似。可以认为制造硬度和材料性质是造成不同的与原因。然而质点的振动方向和所期望的基本一致。另一方面模式和和图中相比有完全不同的模式形态。细心观察后你会发现图中的模式和是图中结合。例如如果图中的模式和同时在定子上被激励定子按图中的模式振动。也就是说振动模式基本相同。图对模式结合有概念上说明。虽然图的上面显示了完全平方的盘子会有两种正交的振荡模式我们知道因为加工误差像图下面显示的两种相配的振荡模式会线性结合。另外盘子上的阻尼可能会引起模式旋转。图模式关系由上面提及的结果表格总结了驱动转子沿参考结构的任一轴旋转的输入信号的相位关系。根据表格中的相位关系转子就像在第二部分描述的那样被驱动而旋转。英文资料翻译表驱动输入的相位关系B(驱动特征超声波电机有三种交流输入信号它们的频率相同振幅和相位独立。证实每个参数的驱动特征非常重要。因为频率的改变会导致振动振幅的变化我们只测量了绕轴旋转的速度和频率相位之间的关系作为多自由度超声波电机的驱动特征。图旋转速度和频率关系图表驱动条件首先我们测量了旋转速度和驱动频率的关系(如图)。除频率外的输入参数都描述在表格中。沿x(y)和z轴的旋转速度最高分别达和转每分左右还有千赫兹的频率和上面描述的三种振动的自然频率几乎相同。上述特征和传统的单自由度超声波电机相同。在定子的共振频率附近振动速率增大意思是说转子的旋转速率达到最大值。第二我们测量了旋转速度和相位差的关系。这里术语“相位差”指用来驱动转子的两种振动的相位差值。图显示了测量结果。振幅和表格中的相同频率为千赫兹。旋转速度的符号代表旋转的方向。图中所得的曲线形状近似正弦波状。原因如下:相位的变化导致接触点运转轨道形状的变化。根据轨道变化转子切线方向上的质点速率平稳的从负变为正。注意不只是尺寸轨道的形状也在变化。这就引起转子切线速率的非线性变化。再者图中的曲线并不是严格的正弦曲线。理论上如果相位差为零转子将停转因为接触点并不沿椭圆轨道运行(它们沿直线轨道运动)。然而结果在图中偏左。这是因为振动的自然频率并不完全相符。强迫振荡下的共振相位曲线如图所示。所以如果振动的自然频率不同输入信号的相位差和所激励的振动并不相配。这就引起输入信号激励的振英文资料翻译动相位的延迟。由于相位变化曲线稍向左移。图旋转速度和相位的关系图共振相位曲线V(自激振荡驱动电路对驱动超声波电机而言定子自然振荡驱动器是重点之一。所以我们一般用功能驱动器和脉冲发生器来提供超声波电机适当频率的交流信号。意思是说我们要认真调整信号频率以激励所需要的振荡或者我们增加另一回路用作谐振探测器。这使得系统变得复杂。所以我们想介绍一下超声波电机的自激振荡电路理论。前面已出现了单自由度旋转的自激振荡超声波电机然而这种电机只靠定子的单一振动来驱动。这里我们提出了能产生两相交流输入的多自由度超声波电机自激振荡驱动电路。图自激振荡电路图显示了一个普通的晶状振荡器电路。电路由共鸣器、电阻器、电容器和运算放大器组成。振荡器输入信号的频率本身也必须是晶状体的谐振频率。我们用晶片代替超声波电机的定子并调整了电路组成器件的属性(Rs=k欧姆Rf=Rf=M欧姆Cf=pF)。结果定子上必须产生所要求的自激振荡。英文资料翻译图自激振荡实验结果图显示了模式自激振荡的实验结果图中显示的一部分陶瓷片被用作传感器。输入信号看上去像矩形波因为信号需经过运算放大器以得到足够的电压来驱动超声波电机。结果(传感器输出电压)证实定子上被成功的激起了振荡。定子本身像低通滤波器一样工作。图相位转换器(a)相位超前(b)相位置后自激振荡电路以上面提到的方式工作。另外我们还要输入另一个相位交变的信号来驱动转子绕轴旋转像文章第二部分所提到的。因此由相位转换机构(微分器)产生相位信号如图所示其中Rps=k欧姆Cps=pF。由自激振荡电路和相位转换机构我们构造了电机的一种自激振荡驱动电路。图显示了由上述电路结构产生的信号。虽然信号中包含有高频成分但主要成分频率为khz。这说明定子上激起了所要求的振荡。通道B和C的输入信号有所不同如图所示是由相位转换器频率信号的相位延时引起的。图驱动过程中产生的输入信号英文资料翻译实验结果证实应用自激振荡驱动电路可以使转子旋转。当运算放大器的输入电压为V时转子的最大旋转速度约为转每分。这个最大旋转速度比图或图中的稍低。运算放大器的电压饱和可以认为是引起旋转速度下降的原因。VI(结论在本次研究中我们提出了有紧凑盘状定子的多自由度超声波电机的驱动原理并用有限元详细设计的定子的结构。然后我们制造了这种多自由度超声波电机的原型。通过测量定子的振动特征我们证实了转子能够成功的绕任一轴旋转。另外我们还提出了电机的自激振荡驱动电路。多自由度盘状定子超声波电机的特点在于它紧凑的电机结构。定子在体积上是转子的。这个特点很大程度上增大了多自由度超声波电机的可能性。这种紧凑的定子设计结构在以前关于多自由度超声波电机的报导中从未完成过。另外本文中所提到的自激振荡驱动电路可能是将多自由度超声波电机带入实际应用的关键因素。对自动系统而言有必要使所有机构整体化包括机电一体化意思是说多自由度超声波电机的普通的驱动电路也是必要的。此外所提到的自激振荡驱动电路对其它的多自由度超声波电机也是有利用价值的。根据文中所提的多自由度超声波电机的极其紧凑的结构和简单的驱动电路我们以后的工作将集中在电机的应用上如多自由度机器人眼球控制和激光定位等。多自由度运动控制和多自由度感官将是一个重要的研究课题。书中横卧着整个过去的灵魂卡莱尔人的影响短暂而微弱书的影响则广泛而深远普希金人离开了书如同离开空气一样不能生活科洛廖夫书不仅是生活而且是现在、过去和未来文化生活的源泉库法耶夫书籍把我们引入最美好的社会使我们认识各个时代的伟大智者史美尔斯书籍便是这种改造灵魂的工具。人类所需要的是富有启发性的养料。而阅读则正是这种养料雨果

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