專利名稱：超聲波電機(jī)定位裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自控檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種需要對(duì)位置準(zhǔn)確定位和步進(jìn)誤差歸零的超聲波電機(jī)定位裝置。
背景技術(shù)：
超聲波電機(jī)是一種利用逆壓電效應(yīng)原理工作的新型壓電驅(qū)動(dòng)器，一般采用驅(qū)動(dòng)電壓幅值、驅(qū)動(dòng)頻率和相位差作為控制量對(duì)其進(jìn)行控制。鑒于目前超聲波電機(jī)技術(shù)研究的現(xiàn)狀，尚未確定超聲波電機(jī)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，加之超聲波電機(jī)具有強(qiáng)烈的非線性特性，建立準(zhǔn)確的超聲波電機(jī)的控制理論模型較為困難。因此探尋合理的超聲波電機(jī)的控制方法，特別對(duì)用作位置定位和步進(jìn)功能的超聲波電機(jī)的控制方法是實(shí)現(xiàn)超聲波電機(jī)實(shí)用化的一個(gè)重要課題。
目前，對(duì)定位和步進(jìn)應(yīng)用的超聲波電機(jī)采用兩種控制方法軟件控制方法和定位裝置控制方法。軟件控制方法有PI控制、模糊控制或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等不采用數(shù)學(xué)模型或采用簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型的定位控制方法，但這些控制方法存在控制精度低、控制算法復(fù)雜或計(jì)算量大的缺點(diǎn)，特別是這些定位方法均采用位置開環(huán)控制，因此用作電機(jī)步進(jìn)控制時(shí)會(huì)存在誤差積累的問題。
采用定位裝置的有機(jī)械觸點(diǎn)接觸式位置定位方法和利用光電編碼器定位方法。機(jī)械觸點(diǎn)接觸式位置定位方法定位精度和可靠性不高，同時(shí)在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)械觸點(diǎn)和定位盤片的接觸會(huì)消耗一定的電機(jī)輸出力矩，在小力矩輸出的超聲波電機(jī)應(yīng)用中受到限制。
采用光電編碼的方法對(duì)超聲波電機(jī)的進(jìn)行位置定位，是通過檢測(cè)光電編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)來確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的位置控制?！吨袊?guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)》(2004，24，N.1，P.71-75)一篇題為《超聲波電機(jī)的步進(jìn)特性和步進(jìn)定位控制》(作者紀(jì)可輝、郭吉豐、劉曉)的文章，介紹了采用光電編碼器實(shí)現(xiàn)電機(jī)步進(jìn)定位的方法，但是該方法仍沒能解決電機(jī)步進(jìn)時(shí)位置誤差積累問題，同時(shí)由于光電編碼器和檢測(cè)裝置體積較大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于微小型超聲波電機(jī)的位置控制和系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決超聲波電機(jī)的位置定位控制中存在的位置定位和步進(jìn)誤差累積的問題，本發(fā)明提供了一種具有無接觸脈沖式、能進(jìn)行位置定位和消除步進(jìn)累積誤差的超聲波電機(jī)定位裝置。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明為一種超聲波電機(jī)定位裝置，含有作為傳感器的磁編碼器、接收處理器和超聲波電機(jī)。磁編碼器包括定位圓盤和磁條，定位圓盤上的一面設(shè)置有鑲嵌磁條的磁條定位槽，磁條固定設(shè)置在磁條定位槽中；接收處理器包括霍爾片和驅(qū)動(dòng)處理電路；超聲波電機(jī)的機(jī)殼上設(shè)置有霍爾片安裝定位槽，霍爾片嵌入在霍爾片安裝定位槽中；磁編碼器固定設(shè)置在超聲波電機(jī)軸上，定位圓盤上設(shè)置有磁條的一面與霍爾片平行對(duì)應(yīng)設(shè)置并留有間隙，霍爾片與定位圓盤上的磁條對(duì)應(yīng)設(shè)置。
本發(fā)明的接收處理器是由霍爾片及驅(qū)動(dòng)處理電路組成。選用的霍爾片是線性輸出型，封裝形式是表貼型的，有四個(gè)管腳，其中兩個(gè)管腳是驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，另外兩個(gè)管腳是霍爾感應(yīng)電壓信號(hào)輸出端。驅(qū)動(dòng)處理電路由電流源電路和差動(dòng)電壓放大電路組成。包括運(yùn)算放大器的差動(dòng)電壓放大電路的兩路差分輸入端分別和霍爾片的兩個(gè)輸出端相連接，電流源電路給霍爾片提供驅(qū)動(dòng)電流，霍爾片輸出的微弱的感應(yīng)電壓信號(hào)經(jīng)差動(dòng)放大電路中的運(yùn)算放大器放大輸出，輸出的信號(hào)反饋到超聲波電機(jī)控制系統(tǒng)中的微控制單元，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的位置控制。
本發(fā)明的磁編碼器所用的磁條為薄型磁片，采用的材料是高性能永磁體，如釤鈷等材料。
磁編碼器中的定位圓盤采用具有抗變形、抗磁性的材料，可以是金屬材料，如鋁、銅等，也可以是非金屬抗磁性材料，如石英、聚四氟己烯、有機(jī)玻璃、聚砜等。
采用上述結(jié)構(gòu)的超聲波電機(jī)位置定位系統(tǒng)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與電機(jī)同軸固定的定位圓盤上的磁條與霍爾片的相對(duì)位置也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而霍爾片感受到的磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生改變，由霍爾效應(yīng)原理知UH＝KHIBsinα (1)式中，UH------霍爾感應(yīng)電壓(V)；I------霍爾片驅(qū)動(dòng)電流(A)；B------垂直作用于霍爾元件面上的磁感應(yīng)強(qiáng)度(Wb/m)；α------霍爾片與磁場(chǎng)方向之間的夾角(°)；KH------霍爾常數(shù)(m3/s·A)，僅與霍爾片的材料有關(guān)。
由式(1)可知，當(dāng)霍爾片與磁體之間的相對(duì)位置發(fā)生改變而引起作用到霍爾片上的磁場(chǎng)變化時(shí)，霍爾片輸出的感應(yīng)電壓就會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化，具體變化規(guī)律是當(dāng)磁條遠(yuǎn)離霍爾片時(shí)，霍爾片感受到的磁條的磁場(chǎng)強(qiáng)度變小，霍爾片輸出的感應(yīng)電壓就越?。环粗?，霍爾感應(yīng)電壓就越大。當(dāng)定位圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)到使其上的磁條與霍爾片相對(duì)齊的位置，此時(shí)，霍爾片感受到的磁條磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，霍爾片輸出的的感應(yīng)電壓也達(dá)到最大值。這樣，每當(dāng)磁條接近和遠(yuǎn)離霍爾片時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖式的霍爾感應(yīng)電壓。因此當(dāng)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步進(jìn)角(即定位圓盤上相鄰兩片磁體之間的夾角)時(shí)，霍爾片就會(huì)輸出一個(gè)電壓脈沖信號(hào)，這個(gè)電壓脈沖信號(hào)再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路中的運(yùn)算放大器進(jìn)行放大處理反饋到超聲波電機(jī)的控制器，如計(jì)算機(jī)或其他微控制器，對(duì)超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的通斷控制，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的步進(jìn)定位控制。
當(dāng)電機(jī)的微控制器接收到一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)，電機(jī)就開始轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到霍爾片與定位圓盤上的一個(gè)磁條相對(duì)時(shí)(即電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)步進(jìn)角)，定位裝置就會(huì)輸出一個(gè)脈沖電信號(hào)，此信號(hào)反饋到電機(jī)的微控制器，微控制器檢測(cè)到反饋的脈沖信號(hào)后就使電機(jī)停止運(yùn)行直到收到下一個(gè)電機(jī)啟動(dòng)信號(hào)。由于定位圓盤上相鄰磁條的位置是相對(duì)固定的，因此電機(jī)每次轉(zhuǎn)過的角度也是相對(duì)固定的，電機(jī)單步運(yùn)行的誤差不會(huì)積累到下一步，即具有步進(jìn)累積誤差歸零的功能。
本發(fā)明的超聲波電機(jī)定位裝置利用非接觸方式的電磁感應(yīng)技術(shù)，相對(duì)接觸式定位裝置而言，消耗電機(jī)的有效輸出力矩很小，同時(shí)提高了電機(jī)對(duì)振動(dòng)及溫度變化條件下的適應(yīng)能力。
采用小型磁條均布的方法，使磁場(chǎng)能量集中，因而定位裝置的輸出是脈沖電壓信號(hào)，相對(duì)采用整體分布、磁場(chǎng)能量連續(xù)的磁編碼器輸出的連續(xù)信號(hào)而言，本發(fā)明定位精度高、抗干擾能力強(qiáng)，處理電路簡(jiǎn)單。
霍爾片采用恒流源驅(qū)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)方式確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和線性度。
選用高性能不易氧化的釤鈷材料，進(jìn)行整體粘接加工，然后切割、裝嵌，再去充磁，確保了微小型磁編碼器器的磁場(chǎng)能量集中。
本發(fā)明的無接觸式定位裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、精度高、安裝方便，在對(duì)超聲波電機(jī)控制裝置不做大的改變的情況下就可安裝該裝置。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作具體描述


圖1為本發(fā)明的超聲波電機(jī)定位裝置實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明的超聲波電機(jī)定位裝置實(shí)施例中的磁編碼器的俯視3為本發(fā)明的超聲波電機(jī)定位裝置實(shí)施例中的霍爾片嵌入電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意4為本發(fā)明的超聲波電機(jī)定位裝置實(shí)施例的接收處理器中的驅(qū)動(dòng)處理電路原理中1.超聲波電機(jī) 2.霍爾片 3.磁條 4.定位圓盤 5.超聲波電機(jī)軸 6.霍爾片驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入正端 7.霍爾片驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入負(fù)端 8.霍爾片輸出電壓信號(hào)負(fù)端9.霍爾片輸出電壓信號(hào)正端 10.電流源電路 11.差動(dòng)電壓放大電路 12.電壓信號(hào)輸出端 13.霍爾片安裝定位槽具體實(shí)施方式
圖1中，一種超聲波電機(jī)定位裝置，含有作為傳感器的磁編碼器、接收處理器和超聲波電機(jī)1；磁編碼器包括定位圓盤4和磁條3，定位圓盤4上的一面設(shè)置有鑲嵌磁條3的磁條定位槽，磁條3固定設(shè)置在磁條定位槽中；接收處理器包括霍爾片2和驅(qū)動(dòng)處理電路；超聲波電機(jī)1的機(jī)殼上設(shè)置有霍爾片安裝定位槽13，霍爾片2嵌入在霍爾片安裝定位槽13中；磁編碼器固定設(shè)置在超聲波電機(jī)軸5上，定位圓盤4上有磁條的一面與霍爾片平行對(duì)應(yīng)設(shè)置并留有間隙，霍爾片2與定位圓盤4上的磁條對(duì)應(yīng)設(shè)置。超聲波電機(jī)1采用的步進(jìn)角是45°，在磁編碼器的定位圓盤4上按照相同的磁極方向且45°角度間隔設(shè)置磁條，磁條數(shù)目N取值為8。
在圖2中，磁編碼器的定位圓盤4采用非金屬抗磁材料石英制作，在磁編碼器的定位圓盤4上每隔45°等間隔刻有放置磁條的磁條定位槽，磁條定位槽的數(shù)目為8個(gè)。8個(gè)磁條的設(shè)置按相同極性分別嵌放在定位圓盤4上的8個(gè)磁條定位槽內(nèi)，磁條3采用矯頑力大的高性能永磁材料釤鈷制作成薄型長(zhǎng)方體形狀。為了保證位置定位精度，制作定位圓盤4的材料應(yīng)滿足耐一定環(huán)境溫度變化而不發(fā)生形變的強(qiáng)度要求。磁條粘貼到定位圓盤4的磁條定位槽上時(shí)，要注意粘膠的厚度，確保粘貼的均勻性。
圖3為本發(fā)明的超聲波電機(jī)定位裝置實(shí)施例的霍爾片嵌入超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，霍爾片2選用市售靈敏度高、具有線性輸出的表貼器件，型號(hào)為HW-101A，霍爾片2嵌入到超聲波電機(jī)1的霍爾片安裝定位槽13中?；魻柶?有四個(gè)管腳，分別為霍爾片驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入正端6、霍爾片驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入負(fù)端7、霍爾片輸出電壓信號(hào)正端9和霍爾片輸出電壓信號(hào)負(fù)端8。
在圖4中，接收處理器中驅(qū)動(dòng)處理電路的電流源電路10的兩端分別與霍爾片驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入正端6和霍爾片驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入負(fù)端7連接，對(duì)霍爾片2進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。霍爾片輸出電壓信號(hào)負(fù)端8與包括運(yùn)算放大器的差動(dòng)電壓放大電路11的電阻R2連接，霍爾片輸出電壓信號(hào)正端9與差動(dòng)電壓放大電路11的電阻R1連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)霍爾片2輸出的微弱霍爾感應(yīng)電壓信號(hào)進(jìn)行放大，放大倍數(shù)由R4和R3確定，放大后的電壓信號(hào)通過差動(dòng)電壓放大電路11的電壓信號(hào)輸出端12輸出，輸出的電壓信號(hào)反饋到超聲波電機(jī)控制系統(tǒng)中的微控制器，實(shí)現(xiàn)超聲波電機(jī)位置的控制。
權(quán)利要求
1.一種超聲波電機(jī)定位裝置，含有作為傳感器的磁編碼器、接收處理器和超聲波電機(jī)；其特征在于磁編碼器包括定位圓盤(4)和磁條，定位圓盤(4)上的一面設(shè)置有鑲嵌磁條的磁條定位槽，磁條固定設(shè)置在磁條定位槽中；接收處理器包括霍爾片(2)和驅(qū)動(dòng)處理電路；超聲波電機(jī)(1)的機(jī)殼上設(shè)置有霍爾片安裝定位槽(13)，霍爾片(2)嵌入在霍爾片安裝定位槽(13)中；磁編碼器固定設(shè)置在超聲波電機(jī)軸(5)上，定位圓盤(4)上設(shè)置有磁條的一面與霍爾片平行對(duì)應(yīng)設(shè)置并留有間隙；霍爾片(2)與定位圓盤(4)上的磁條對(duì)應(yīng)設(shè)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波電機(jī)定位裝置，其特征在于所述的磁編碼器中的磁條在定位圓盤(4)上按照相同的磁極方向且等角度間隔設(shè)置，磁條數(shù)目為N，且N≥2，相鄰磁條間隔角度為360°/N。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波電機(jī)定位裝置，其特征在于所述的驅(qū)動(dòng)處理電路由電流源電路(10)和差分放大電路(11)組成，包括運(yùn)算放大器的差動(dòng)電壓放大電路(11)的兩路差分輸入端分別與霍爾片(2)的霍爾片輸出電壓信號(hào)負(fù)端(8)和霍爾片輸出電壓信號(hào)正端(9)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波電機(jī)定位裝置，其特征在于所述的磁編碼器中的磁條采用永磁材料釤鈷。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波電機(jī)定位裝置，其特征在于所述的定位圓盤(4)采用抗變形、抗磁性的金屬材料鋁或銅。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波電機(jī)定位裝置，其特征在于所述的定位圓盤(4)采用抗變形、抗磁性的非金屬材料石英、聚四氟乙烯、有機(jī)玻璃、聚砜中的任一種。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種對(duì)位置準(zhǔn)確定位和步進(jìn)誤差歸零的超聲波電機(jī)定位裝置，該裝置包括作為傳感器的磁編碼器、接收處理器和超聲波電機(jī)。磁編碼器由定位圓盤和磁條組成，磁條均布在定位圓盤上。接收處理器由霍爾片和驅(qū)動(dòng)處理電路組成。霍爾片嵌入在超聲波電機(jī)殼上，磁編碼器固定設(shè)置在超聲波電機(jī)軸上與霍爾片平行設(shè)置并留有間隙?；魻柶惺苡行蚺帕写艞l的磁信號(hào)，經(jīng)電路處理后形成相位有序的電壓脈沖信號(hào)，并反饋到超聲波電機(jī)控制電路中，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的通斷，實(shí)現(xiàn)超聲波電機(jī)的準(zhǔn)確定位和位置歸零。本發(fā)明的超聲波電機(jī)定位裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、精度高、安裝使用方便。
文檔編號(hào)H02K29/08GK1731668SQ200510021208
公開日2006年2月8日 申請(qǐng)日期2005年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月30日
發(fā)明者趙先鋒, 文貴印, 張志銘, 施軍麗 申請(qǐng)人:中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所