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市場分析
電機設(shè)備的結(jié)構(gòu)及其運行原理簡述。
內(nèi)容簡介:壓電步進旋轉(zhuǎn)電機控制系統(tǒng)壓電步進電機的整體控制系統(tǒng)。PC機作為整個系統(tǒng)的和核心來控制其運動狀態(tài)。PC發(fā)出的數(shù)字信號經(jīng)3路D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號并通過3路放大裝置進行放大。壓電精密步進旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機的工作頻率主要取決于驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)。
  近年來,隨著微/納米技術(shù)的迅猛發(fā)展,對驅(qū)動精度的要求在納米級的水平。在光學工程、微電子制造、航空航天、超精密機械制造、微機器人操作、地震測量、生物、醫(yī)學及遺傳工程等技術(shù)領(lǐng)域的研究都迫切需要亞微米級、微/納米級的超精密驅(qū)動,因此,各種微特電機得到了快速的發(fā)展。其中由于壓電精密驅(qū)動電機具有高的驅(qū)動特性,在國內(nèi)外得到了較為廣泛的研究。 
  壓電材料在驅(qū)動時具有納米級的穩(wěn)定輸出位移精度,并且壓電驅(qū)動線性好、控制方便、分辨率高、頻率響應(yīng)好、不發(fā)熱、無磁干擾、無噪聲等,同時,壓電驅(qū)動電機能實現(xiàn)體積小、重量輕、大功率密度的特點。因此采用壓電驅(qū)動能較好的實現(xiàn)超精密驅(qū)動的性能。 
  采用定子內(nèi)側(cè)箝位結(jié)構(gòu)實現(xiàn)步進旋轉(zhuǎn)運動是一種新的嘗試,采用4片無間隙薄壁柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)精確地將壓電陶瓷的直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動,在箝位和驅(qū)動的作用下實現(xiàn)高精度步進旋轉(zhuǎn)運動,該運動是一種“箝位步進箝位”方式的仿生型運動,該結(jié)構(gòu)對進一步了解和研究壓電精密旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機提供了一種新的方法和借鑒。 
  1總體結(jié)構(gòu)及其工作原理內(nèi)箝位壓電精密步進旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機的總體結(jié)構(gòu),主要有定子箝位體、轉(zhuǎn)子、驅(qū)動壓電陶瓷連接體、箝位壓電陶瓷和驅(qū)動壓電陶瓷組成。定子箝位體結(jié)構(gòu)分上下兩部分,即上箝位塊和下箝位塊,上箝位塊和轉(zhuǎn)子上的上轉(zhuǎn)子體接觸,而下箝位塊和轉(zhuǎn)子上的下轉(zhuǎn)子體接觸。轉(zhuǎn)子體通過4片均勻分布的薄壁柔性鉸鏈把上、下轉(zhuǎn)子體連接為一體。 
  驅(qū)動壓電陶瓷8安裝在驅(qū)動壓電陶瓷連接體9上,連接體的一側(cè)和上轉(zhuǎn)子體接觸,另一側(cè)和下轉(zhuǎn)子體接觸,連接體上加工有可伸縮變形的柔性鉸鏈。該驅(qū)動電機的結(jié)構(gòu)及運動原理如下:①初始狀態(tài)時2、8壓電陶瓷處于自由狀態(tài),下箝位壓電陶瓷(圖中未顯示,與5連接)通電箝位,使5和11箝位到一起固定不動;②驅(qū)動壓電陶瓷8通電伸長,由于下轉(zhuǎn)子體不動,所以在連接體9的柔性鉸鏈變形下推動上轉(zhuǎn)子體10順時針旋轉(zhuǎn)一個角度θ;③上箝位壓電陶瓷2通電箝位,上箝位體3與上轉(zhuǎn)子體10箝位固定;④下箝位壓電陶瓷由箝位變?yōu)樗砷_,11與5分開;⑤驅(qū)動壓電陶瓷8斷電松開,下轉(zhuǎn)子體11在鉸鏈回彈力的作用下沿順時針轉(zhuǎn)角度θ,然后下箝位壓電陶瓷重新開始箝位。這樣完成了一個步進旋轉(zhuǎn)動作循環(huán),機構(gòu)沿順時針方向轉(zhuǎn)動了一步。連續(xù)重復(fù)上述步驟,則精密驅(qū)動電機可實現(xiàn)順時針連續(xù)步進旋轉(zhuǎn)。同理可以實現(xiàn)機構(gòu)的逆時針旋轉(zhuǎn)。 
  2運動過程及分析2.1箝位運動及其分析內(nèi)箝位型壓電精密步進旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機的定子箝位體結(jié)構(gòu)如所示。上下箝位塊均設(shè)計有雙側(cè)雙向薄壁柔性鉸鏈,既減小了箝位時上、下箝位塊上箝位塊柔性鉸鏈下箝位塊 
  對箝位效果的干擾(即上箝位時可能導致下箝位體與下轉(zhuǎn)子壓緊),又保證了箝位時柔性鉸鏈只沿壓電陶瓷伸長的方向變形,而不產(chǎn)生其它方向的變形而導致對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩。另外,箝位時上、下箝位體要保證分別只與上、下轉(zhuǎn)子體接觸,而不和其它部分接觸。在實際工作中,由于定子箝位體和轉(zhuǎn)子之間是接觸的,沒有間隙,或者說間隙很小,因此柔性鉸鏈幾乎不產(chǎn)生很大的變形,而僅僅是箝位力的傳遞。 
  在步進驅(qū)動中,箝位過程是影響步進運動效果關(guān)鍵因素,箝位性能參數(shù)主要包括箝位力參數(shù)F,箝位響應(yīng)頻率參數(shù)f 1和箝位穩(wěn)定性參數(shù)S 1。大的箝位力可使箝位牢靠;高的箝位響應(yīng)頻率可以箝位靈敏,可以實現(xiàn)高頻高速步進運動;箝位穩(wěn)定性S 1是指箝位過程對步進運動的影響程度,即不會因箝位沖擊而產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩,從而提高步進重復(fù)性精度,可以用箝位誤差來表示。 
  對該箝位系統(tǒng)的靜力學和動力學分析中可作如下假定:假設(shè)單側(cè)箝位塊質(zhì)量為M,中間受一恒力F f(壓電陶瓷伸長產(chǎn)生)作用,由材料力學知識可以推出:在F f的作用下箝位塊產(chǎn)生的位移量s為f 1 /(48)s F l EI(1)該箝位系統(tǒng)的固有頻率為3 2 1 48(34 /35)n EI M l(2)式中:EI為薄壁鉸鏈截面抗彎曲剛度系數(shù);M為箝位塊質(zhì)量。 
  因此在保證箝位牢靠、剛性滿足要求的前提下,最大限度的減小M的質(zhì)量,采用EI合適的材料和結(jié)構(gòu),將能顯著提高系統(tǒng)的固有頻率。由于薄壁鉸鏈截面的影響,使系統(tǒng)的抗彎剛度系數(shù)EI引起的抗彎力F e <  采用有限元分析軟件Ansys8.1對該箝位結(jié)構(gòu)進行有限元分析的結(jié)果變形圖。分析中建立結(jié)構(gòu)的有限元模型,采用三維四面體單元SOLID45對實體模型進行單元劃分,有限元網(wǎng)格模型共有:50 221個節(jié)點,36 118個單元,其中柔性鉸鏈與定子箝位體連接端簡化成固支,箝位體采用具有高彈性模量的彈簧鋼材料。分析得到系統(tǒng)的一階固有頻率f b A到了與理論分析近似的結(jié)果。 
  2.2旋轉(zhuǎn)運動及其分析轉(zhuǎn)子是由上轉(zhuǎn)子體、下轉(zhuǎn)子體及通過圓周均布的四片薄壁柔性鉸鏈連接為一起的整體結(jié)構(gòu),此鉸鏈結(jié)構(gòu)能保證上、下轉(zhuǎn)子體繞轉(zhuǎn)子中心旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動壓電陶瓷連接體一側(cè)與上轉(zhuǎn)子體接觸,另一側(cè)與下轉(zhuǎn)子體接觸,連接體上有變形鉸鏈結(jié)構(gòu),當壓電陶瓷通電伸長時,則左側(cè)對上轉(zhuǎn)子體施加推力,右側(cè)對下轉(zhuǎn)子體施加推力。4片薄壁柔性鉸鏈和連接體上的柔性鉸鏈在驅(qū)動壓電陶瓷回縮時起到彈性回復(fù)作用,除此之外連接體結(jié)構(gòu)還能起到對驅(qū)動陶瓷(金屬陶瓷熱擠壓模的產(chǎn)品說明)的安裝預(yù)緊和保護作用。 
  轉(zhuǎn)子與定子配合的表面精度要求較高,因此在原始狀態(tài)下轉(zhuǎn)子能自由轉(zhuǎn)動的前提下力求其與定子箝位體之間的間隙最小。轉(zhuǎn)子是驅(qū)動電機的運動部件柔性鉸鏈上轉(zhuǎn)子體驅(qū)動連接體下轉(zhuǎn)子體和動力輸出裝置,其運動參數(shù)包括步距角參數(shù)?θ、有效推力參數(shù)F e和頻率參數(shù)ωn。 
  步距角和結(jié)構(gòu)尺寸、鉸鏈剛度、壓電陶瓷的變形量有關(guān)。其步距角大小可按下式計算:2 B 180( / 2)l t l(5)式中:?θ為距角,(°);?l為壓電陶瓷伸長量,m;t為陶瓷長度,m;l B為陶瓷中心到鉸鏈中心距離,m. 
  上、下轉(zhuǎn)子體是否繞轉(zhuǎn)子中心軸進行微角度旋轉(zhuǎn)運動是該系統(tǒng)能否進行步進旋轉(zhuǎn)運動的關(guān)鍵因素和前提條件,通過對轉(zhuǎn)子進行靜力學有限元分析可以進行驗證。對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行分析的模型結(jié)果圖。在分析過程中,以所示的下轉(zhuǎn)子體為固定側(cè)進行約束,對驅(qū)動壓電陶瓷的左側(cè)接觸面施加力F,從圖中可以清楚地看到驅(qū)動后的薄壁柔性鉸鏈的變形效果及上轉(zhuǎn)子體旋轉(zhuǎn)位移δ。另外通過對分布在轉(zhuǎn)子圓周上的多個點有限元分析得出:變形后各點仍以較高的精度分布在變形前所在的圓周上,這充分說明轉(zhuǎn)子體結(jié)構(gòu)的變形是繞著轉(zhuǎn)子中心軸進行的。在有限元分析中,施加不同的力F,得到了不同的旋轉(zhuǎn)位移量δ。 
  各參數(shù)之間關(guān)系為e w s R()F F F K(6)式中:F為壓電陶瓷產(chǎn)生的推力;F w為有效輸出載荷;K S為連接體薄壁鉸鏈的當量彈性系數(shù);K R為轉(zhuǎn)子薄壁鉸鏈的當量彈性系數(shù);δ為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)變形位移量。 
  步進旋轉(zhuǎn)驅(qū)動過程是一個較復(fù)雜的過程,涉及到壓電陶瓷的響應(yīng)時間,輸出載荷的加速度變化,內(nèi)部能量損耗等,所以這里采用了當量彈性系數(shù)K s、K R、有效推力F e、有效輸出載荷F w等對系統(tǒng)進行有效地描述。轉(zhuǎn)子運動時,驅(qū)動壓電陶瓷應(yīng)具有與箝位部分相同的運動頻率,所以,為了提高整體系統(tǒng)的頻率,應(yīng)盡可能的提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)本身的固有頻率。但轉(zhuǎn)子部分與定子箝位體部分是不同的,定子箝位系統(tǒng)的固有頻率一旦設(shè)計完成,是一個固定不變的量,而直線動子系統(tǒng)的固有頻率則隨著輸出載荷的變化而變化,是一個變化的量。由材料力學和振動力學知識可以得出:s R 0 w 2()n K F M M M M e(7)式中:M為上轉(zhuǎn)子體和連接體的有效質(zhì)量;M w為外部載荷物體質(zhì)量;F 0為施加在壓電陶瓷上的預(yù)緊力;e為轉(zhuǎn)子運動的振幅。 
  在轉(zhuǎn)子設(shè)計中,在滿足強度條件和步進位移量的前提下,應(yīng)盡量提高薄壁柔性鉸鏈的等效彈性系數(shù)K s和K R,減小轉(zhuǎn)子和連接體的質(zhì)量M,使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。 
  3壓電步進旋轉(zhuǎn)電機控制系統(tǒng)壓電步進電機的整體控制系統(tǒng)。PC機作為整個系統(tǒng)的和核心來控制其運動狀態(tài)。PC發(fā)出的數(shù)字信號經(jīng)3路D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號并通過3路放大裝置進行放大。3路經(jīng)放大的電源按給定的時序?qū)?個箝位壓電疊堆和1個驅(qū)動壓電疊堆進行協(xié)調(diào)控制。在整個控制系統(tǒng)中,由于壓電疊堆為電容性器件,為使其達到能完全伸縮的性能特點,必須對壓電疊堆設(shè)計高頻完全放電回路,使壓電疊堆在斷電時其內(nèi)部存儲的電量能夠徹底放掉。另外,系統(tǒng)中安裝了精密位移測量裝置,對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移進行準確的測量,并送入PC進行詳細處理。 
  驅(qū)動所用的電源信號時序關(guān)系對整個系統(tǒng)的動作至關(guān)重要,它直接影響系統(tǒng)的運動效果。3路時序信號的相位關(guān)系如所示,1、3路為鉗位壓電疊堆通電信號,2路為驅(qū)動壓電疊堆通電信號。 
  時序信號為梯形信號,這樣可消除電源信號的上升沿和下降沿由于突變而產(chǎn)生的沖擊噪聲,并且對壓電驅(qū)動元件起到保護作用,提高壓電疊堆的使用壽放大D/A 1放電回路箝位壓電疊堆1放大D/A 1放電回路箝位壓電疊堆2放大D/A 1放電回路箝位壓電疊堆3數(shù)據(jù)處理精密測微儀PC控制t t t t上箝位驅(qū)動下箝位T命。在控制信號的設(shè)計方面,應(yīng)充分考慮各部分的時序分配和分布,如所示:把一個周期T分為6等分,每等分t=T/6,電源信號的上升沿和下降沿分別占?t,?t≈t/4.箝位電壓信號的平均低電平(斷電)時間為2t=T/3,平均高電平(通電)時間為4t=2T/3,驅(qū)動電壓信號的高電平和低電平時間是相等的,分別占T/2,左右箝位電壓信號的時序相差3t. 
  4試驗與測量4.1實驗裝置為研制的壓電精密步進旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實物照片。在試驗測量中用到的儀器有:JPC型集成精密信號發(fā)生放大器,LC2400A型非接觸精密激光測微儀,HPC系列壓電陶瓷驅(qū)動電源,精密氣浮隔振臺等。測量中將激光測微儀的激光焦點照射到運動體的表面上并調(diào)到穩(wěn)定狀態(tài),通過屏幕上顯示的數(shù)據(jù)可得到旋轉(zhuǎn)位移的大小。 
  4.2步進分辨率測量分辨率是指步進運動時每一步所能達到的最小步長,分辨率是精密驅(qū)動電機的一個重要指標。對該驅(qū)動電機進行分辨率測量的曲線圖,可以看出,驅(qū)動電壓5V時得到其分辨率值大約為1μrad。而大于5V時分辨率值增大,低于5V時,無角位移輸出。因此在驅(qū)動電壓5V時得到的數(shù)值即為該驅(qū)動的最大分辨率,5V驅(qū)動電壓就稱為截止驅(qū)動電壓。 
  4.3箝位力及箝位穩(wěn)定性測量為箝位力N f的測量曲線。通過測量得出系統(tǒng)的最大箝位扭矩N f達到2.3Nm.另外,最大箝位扭矩與箝位電壓成近似線性關(guān)系。在實際工作中,箝位電壓70V所達到的1.5Nm,箝位扭矩已基本滿足超精密定位領(lǐng)域的使用需求。 
  2.5 1.5 0.5 0 40 80 100 60 20箝位電壓/V最大箝位矩/(N)箝位誤差是箝位動作對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的影響,用箝位過程對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的微小位移來描述。1是驅(qū)動電機的箝位誤差測量結(jié)果。圖中每個電壓點的測定值都是從100個測量值中所取得的平均值。從圖中可以看出,箝位過程中最大箝位誤差值在個別測量點,達到最大的0.01μrad.另外,隨著箝位電壓值的增大,箝位誤差值有增大的趨勢,但從整體來看,該箝位過程對轉(zhuǎn)子的影響非常微弱。因此該箝位過程是穩(wěn)定的。 
  4.4步進轉(zhuǎn)速測量內(nèi)箝位/外驅(qū)動型壓電精密步進旋轉(zhuǎn)電機的速度由驅(qū)動電壓和步進頻率決定。其關(guān)系如2所示。圖中給出了幾種典型頻率的速度曲線,該速度是在空載狀態(tài)下測得的。從圖中可以看出,步進頻率40Hz時速度達到325μrad/s,根據(jù)需要可適當調(diào)節(jié)頻率和驅(qū)動電壓來滿足各種速度要求。另外,壓電陶瓷閉環(huán)曲線的上升過程,其斜率是增大的,而圖中速度-電壓曲線的斜率隨電壓的升高逐漸減小,這是因為當電壓升高時,壓電疊堆位移量和驅(qū)動力增大導致柔性鉸鏈的變形增大或出現(xiàn)微小塑性變形,從而產(chǎn)生附加載荷所致。 
  4.5連續(xù)步進轉(zhuǎn)矩測量連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩是衡量壓電精密步進旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機的一個重要指標。3為輸出角位移量大小和輸出扭矩以及驅(qū)動電壓之間的關(guān)系圖,從圖中可以看出,在同一電壓下,在一定的載荷范圍內(nèi),力對位移的影響不明顯,超過一定的外載荷,則位移有輕微的下降趨勢。實驗中,在100V電壓下,外載荷M<30N?cm的情況下,載荷變化對位移的影響不明顯,但超過一定載荷后,輸出位移急速下降,這是因為當達到一定的輸出載荷時,箝位力不足以承擔驅(qū)動壓電陶瓷對箝位端產(chǎn)生的反作用力,這時出現(xiàn)步進紊亂。由圖中曲線可以看出,100V電壓下,在M<30N?cm時,角位移輸出是比較穩(wěn)定的。 
  壓電精密步進旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機的工作頻率主要取決于驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)的如下因素:①箝位體雙薄壁柔性鉸鏈的彎曲剛度;②箝位塊的質(zhì)量;③轉(zhuǎn)子上4個扭轉(zhuǎn)彎曲組合薄壁柔性鉸鏈的剛度;④上下轉(zhuǎn)子體的質(zhì)量;⑤驅(qū)動連接體柔性鉸鏈的剛度。其中,1和2決定定子箝位體的固有頻率;③、④和⑤決定轉(zhuǎn)子的固有頻率。通過實驗,得出系統(tǒng)的最大工作頻率為40Hz,即在40Hz時驅(qū)動電機系統(tǒng)獲得最大步進旋轉(zhuǎn)速率,當頻率大于40Hz時,旋轉(zhuǎn)速度扭矩迅速下降。 
  5結(jié)論(1)新型壓電精密步進旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機具有具有高頻率(40Hz)、高的分辨率(1μrad)、有效驅(qū)動轉(zhuǎn)矩(30N?cm)、較高驅(qū)動速度(325μrad/s)、任意角度旋轉(zhuǎn)的特性。 
 。2)薄壁柔性鉸鏈定子箝位體結(jié)構(gòu)工作頻率高、箝位牢固、工作可靠,解決了高頻和箝位牢固之間的矛盾。 
 。3)利用定子內(nèi)箝位/轉(zhuǎn)子外驅(qū)動方式和薄壁柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)實現(xiàn)步進旋轉(zhuǎn)驅(qū)動為壓電驅(qū)動電機的設(shè)計提供了一種可借鑒的方法。
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  電機在當今世界中的應(yīng)用非常廣泛,甚至可以說有運動的地方就可能有電機的存在。作為高性能電機系統(tǒng)的靈魂,控制芯片和驅(qū)動技術(shù)將扮演越來越重要的作用。富士通半導體(上海)有限公司經(jīng)理鐘成寶表示,富士通一直把電機控制領(lǐng)域做為主要發(fā)展方向之一,致力于單片機和控制方案的研發(fā)和推廣。
國內(nèi)電機行業(yè)發(fā)展出路。
  然而,笨重大型的電機并不受歐美等發(fā)達國家所歡迎。國外的電機都朝著輕便、簡約化發(fā)展,我國的大型高效電機出口是沒有優(yōu)勢的。中國的電機企業(yè)應(yīng)該增加電機制造的國際競爭力。
2013年中國電機產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究。
  電機產(chǎn)品種類繁多,根據(jù)型號、規(guī)格、功率、軸伸、絕緣、編碼器、轉(zhuǎn)速開關(guān)、熱敏元件、加熱帶等參數(shù)的不同可劃分出各種各樣電機。為了簡單的劃分電機產(chǎn)品,一方面,按照行業(yè)慣例,將電機分為大型電機、中小型電機和微型電機;另一方面,按照電機專用性將電機分為普通標準電機和特殊專用電機。
我國電機行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析。
  近幾年來,我國的電機行業(yè)也涌現(xiàn)了一批產(chǎn)量規(guī)模大,產(chǎn)品水平、質(zhì)量好,技術(shù)裝備先進的企業(yè)。但是,還沒有哪一家的產(chǎn)品份額能在國內(nèi)市場上占到統(tǒng)治地位。中小電機至今還沒有形成具有國際影響力的品牌。電機行業(yè)亟需重新整合、優(yōu)勝劣汰,這已成為電機行業(yè)的發(fā)展趨勢。
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