电机定子、新型多通道舵机控制的微小型超声电机及其控制方法

摘要

本发明提供一种电机定子、新型多通道舵机控制的微小型超声电机及其控制方法，该定子包括定子基体片、若干驱动足、压电陶瓷片，定子基体片带有外延，其下表面设有驱动足，在定子基体片的上端面上设有第一压电陶瓷片，在每个驱动足的侧面均设有第二压电陶瓷片；将该定子应用到微小型超声电机中，用两路时间相位差为π/2的正弦信号同时激励压电陶瓷片，分别激励圆盘定子基体，使驱动足端面上的质点产生椭圆形运动轨迹，经摩擦力作用推动压在驱动足端面上的连接轴旋转，为连接提供动力；可以实现四轴独立或单独运转，结构简单，输出特性好，结构尺寸可以随适用场合进行相关调整，可以实现多通道驱动舵机控制的微小化，精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及基于压电陶瓷的逆压电效应的新型多通道舵机控制的微小超声电机的系统集 成，属于超声电机领域。

背景技术

超声电机是一种新型微特电机，其工作原理是利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体 (定子)在超声频段的微幅振动，并通过定、转子之间的摩擦作用将振动转化成转子的旋转 或直线运动，输出功率，驱动负载。新型多通道舵机控制的微小超声电机是超声电机的一种， 与传统的电磁电机比较具有许多独特的优点：结构紧凑，设计灵活，转矩密度(转矩/质量比) 大，可以实现电机的短、小、薄，利于微小化。低速大转矩，无需齿轮减速机构，可直接驱 动。电机转子惯性小，响应快，能断电自锁，且具有较大的保持扭矩。位置和速度控制性好， 位移分辨率高，抗电磁干扰。

目前，国内对于多通道舵机控制的研究尚处于起步阶段，对于基体偏转的控制方式， 虽然展开了理论研究，但现阶段仍处于探索阶段。

主要的控制方式主要分为两类：一类是以智能合金材料作为驱动力来源开发的执行机构； 另一类是以压电陶瓷作为驱动力来源开发的执行机构。智能合金材料主要有记忆合金材料和 磁致伸缩材料，以这类材料作为驱动力来源开发出的执行机构来控制基体偏转，进而控制基 体的气动力，进而修正飞行轨迹。这种方案可以提供较大的驱动力和较大偏转角，但是响应 速度较低，这样就限制了修正的次数，进而影响了修正的最终精度。压电陶瓷作为驱动力来 源开发的执行机构，利用压电材料的逆压电效应产生微小的变形，采用多级位移放大机构， 将此微小变形放大，然而由于压电材料的变形一般是微米级别，多级放大之后的效果也是不 够理想，不能产生较大的偏角，这样就导致了气动控制力较小。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种结构紧凑、响应速度快、控制灵活、可以同 时多个输出轴输出的多通道舵机控件执行装置的舵机。

本发明提供的电机定子包括定子基体片、若干驱动足、压电陶瓷片，驱动足、定子基体 片一体加工，定子基体片厚度方向的中部带有外延，其下表面设有驱动足，在定子基体片的 上端面上设有第一压电陶瓷片，在每个驱动足的侧面均设有第二压电陶瓷片。

具体的说，驱动足以定子基体片的中心点为圆心，呈周向均匀分布，每个驱动足的同一 侧面上设有第二压电陶瓷片。

一种新型多通道舵机控制的微小型超声电机，包括定子、轴以及一个紧固定子和轴的套 筒装置；所述定子包括一体合成的带外延圆环的圆盘定子基体和若干驱动足，在所述圆盘定 子基体的上表面设有第一压电陶瓷片，在所述驱动足的侧面均设有第二压电陶瓷片；每个驱 动足的下表面对应设有一个轴，并且所述套筒装置包括内套筒和外套筒，内套筒上设有通孔， 所述轴通过轴承安装在通孔内；所述圆盘定子基体安装在内套筒顶部，驱动足深入内套筒的 内部，外套筒的顶部设有凸台，凸台将定子的外延圆环卡紧固定，并且外套筒底部设有固定 装置，将内套筒固定在其内部。

进一步的，在所述外套筒的顶部还设有螺母，该螺母覆盖整个圆盘定子基体的上表面， 将定子与第一压电陶瓷片压紧固定。

更进一步的，所述驱动足有四个，其沿圆盘定子基体的周向均匀分布，每个驱动足的同 一侧面上设有第二压电陶瓷片。

具体的说，所述内套筒侧壁为四个不连续的弧面，成十字沿周向分布，与驱动足对应设 置；每个弧面中间均设有安装轴的通孔，使驱动足的下表面压在轴上；内套筒下部设有水平 的腹板，该腹板将四个弧面连接成一个整体；所述外套筒的侧壁形状与内套筒相对应，使内 套筒可滑动的套在外套筒上，装置末端由端盖固定。

一种微小型超声电机控制方法，以同频的正弦和余弦激励信号分别作用于定子基体上的 第一压电陶瓷和驱动足上的第二压电陶瓷。

具体的说，是以正弦电压E₁＝Vsin(ωt)施加于第一压电陶瓷片上，以余弦电压 E₂＝Vcos(ωt)施加在空间上相位差为π的一对第二压电陶瓷片上。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明选用了一种多自由度超声电机作为执行机构，由于多自由度超声电机具有结构尺 寸小，直接驱动无需减速机构，抗过载能力强的特点，所以多自由度超声电机的设计提供了 另一种更好的可能性。

多通道舵机控件执行装置的设计，针对小口径的适用场合，通过对两对互相垂直安装的 舵翼的摆动控制，来实现对基体的滚转、俯仰和偏航姿态的调整，最终完成对基体的弹道修 正。舵机安装于弹体前端内，同时又尽量小占用安装空间，为舵翼的摆动提供足够的舵面稳 定力矩，对修正指令能够快速的响应。

其中，定子的上端面、外延圆环、驱动足是一体加工一次成型，结构紧凑，且四个驱动 足圆周方向十字均匀分布，上端面贴有圆形激励纵振的压电陶瓷片，四个驱动足侧面贴有矩 形激发弯振的压电陶瓷片，以同频的正弦和余弦激励信号分别作用于定子基体上压电陶瓷和 驱动足上的压电陶瓷，根据压电陶瓷的逆压电效应，端面压电陶瓷片激励圆盘定子基体产生 纵振模态如图4，使整体产生沿z轴方向的纵向位移。驱动足侧面的压电陶瓷片激励驱动足 产生弯曲模态如图5，使驱动足产生垂直于z轴的弯曲变形，两个方向上的位移叠加，促使 驱动足端面质点产生椭圆运动轨迹，推动压在驱动足端面的连接轴旋转。施加于驱动足上矩 形压电陶瓷片的激励电压可以有一定的相位差，故多根舵翼连接轴互不影响。该电机的正、 反转方向可通过改变两相正弦和余弦激励信号的相位差来进行控制。

在满足尺寸要求的前提下，电机的定子外形等尺寸可根据需要任意设计，能够提供稳定 的力矩，位置和速度控制性好，且具有断电自锁能力，这就为精确指导提供了可能，也为微 小化创造了条件。

附图说明

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图1至图3分别为新型多通道舵机控制的微小超声电机定子的主视图、俯视图以及立体 图；

图4为圆柱定子基体的剖视纵振振型图；

图5为驱动足的剖视弯曲振型图；

图6为新型多通道舵机控制的微小超声电机内部定子结构布局；

图7为新型多通道舵机控制的微小超声电机的外形图；

图8为新型多通道舵机控制的微小型超声电机的装配图；

图中，1——定子基体，2——驱动足，3——外延圆环，4——定子上端面，5——第一压 电陶瓷片，6——第二压电陶瓷片，7——正弦电压，8——余弦电压，9——压紧螺母，10— —轴承，11——轴，12——内套筒，13——外套筒，14——螺栓，15——端盖，16——腹板。

具体实施方式

本发明提供一种电机定子、新型多通道舵机控制的微小型超声电机及其控制方法，为使 本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详 细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的电机定子，如图1至图3所示，包括定子基体片1、若干驱动足2、压电陶 瓷片，驱动足2、定子基体片1一体加工，定子基体片1厚度方向的中部带有外延3，其下表 面设有驱动足2，在定子基体片1的上端面4上设有第一压电陶瓷片5，在每个驱动足2的侧 面均设有第二压电陶瓷片6。

具体的说，驱动足2以定子基体片1的中心点为圆心，呈周向均匀分布，每个驱动足2 的同一侧面上设有第二压电陶瓷片6。

将上述电机定子应用在微小型超声电机上，形成一种新型多通道舵机控制的微小型超声 电机，其结构如图6至图8所示，该超声电机安装在舵翼安装壳体段内部，将四根连接轴11 分别压在每个驱动足2端面上，同时保证四根连接轴11在圆周方向上的相位差为π/2，为连 接轴转动提供动力来源，共有两对对称且垂直安装呈“十字”型布局的连接轴。

具体的说，该电机包括定子、轴11以及一个紧固定子和轴的套筒装置；定子包括一体合 成的带外延圆环3的圆盘定子基体1和若干驱动足2，在圆盘定子基体1的上表面设有第一 压电陶瓷片5，在驱动足2的侧面均设有第二压电陶瓷片6；每个驱动足2的下表面对应设有 一个轴11，并且套筒装置包括内套筒和外套筒，内套筒12上设有通孔，轴11通过轴承10 安装在通孔内；圆盘定子基体1安装在内套筒12顶部，驱动足2深入内套筒12的内部，外 套筒13的顶部设有凸台，凸台将定子的外延圆环3卡紧固定，并且外套筒13底部设有固定 装置，将内套筒12固定在其内部。

其中，在外套筒13的顶部还设有压紧螺母9，该螺母9覆盖整个圆盘定子基体1的上表 面，将定子与第一压电陶瓷片5压紧固定。本实施例中，驱动足2有四个，其沿圆盘定子基 体1的周向均匀分布，每个驱动足2的同一侧面上设有第二压电陶瓷片6。

内套筒12侧壁为四个不连续的弧面，成十字沿周向分布，与驱动足2对应设置；每个弧 面中间均设有安装轴11的通孔，使驱动足2的下表面压在轴11上；内套筒12下部设有水平 的腹板16，该腹板16将四个弧面连接成一个整体；外套筒13的侧壁形状与内套筒12相对 应，内套筒12嵌在外套筒13的滑动槽中，使内套筒可滑动的套在外套筒上，装置末端由端 盖15固定。

由于四个驱动足2沿圆周方向均布，相邻两个驱动足在空间上相位差为π/2，故在圆盘 定子基体1上表面上的圆形压电陶瓷片5上施加正弦电压7，可激发圆盘定子基体1产生弯 曲振动，使定子整体在Z方向有位移模态，其振型图如图4所示，质点位移与坐标Z轴正方 向相同取正，相反取负，使位于圆盘定子基体1上的驱动足2产生沿z轴方向的位移。这只 是一种表示方法，并非是定子的实际真实位移。同理，可分别在驱动足2侧面上的四个矩形 压电陶瓷片6上施加余弦电压8时，可激发驱动足2产生弯曲振动模态，其振型图如图5所 示，驱动足2没有沿z轴方向的位移，只有沿圆周方向的位移。当对驱动足2上空间上相位 差为π的一对矩形压电陶瓷片6上同时施加余弦电压时，可同时控制一对空间上相位差为π 的一对连接轴11产生同方向的转动。当对驱动足空间上相位差为π的一对矩形压电陶瓷片6 上分别施加余弦电压，时，可同时控制一对空间上相位差为π的一对连接轴11产生反方向 的转动。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些 实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理 可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被 限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的 范围。