基于压电陶瓷平面内应变的多自由度超声波电机驱动电路研究

介绍了一种新型基于压电陶瓷平面内应变特性的多自由度超声波电机,该电机通过两个平面内的弯曲振动模态的叠加实现转子绕Z轴的转动;并利用伸缩振动模态分别与上述弯曲振动模态叠加实现转子绕X轴和绕Y轴的转动。设计了一种基于直接数字频率合成器(DDS)原理的电机驱动电路,该电路利用在FPGA元件实现的DDS阵列产生四路正弦激励信号,并采用高压运算放大器进行功率放大。该驱动电路的特点是各路驱动信号幅值和频率及驱动信号之间的相位差均可以独立调整。电机样机的机械特性实验以及调节特性实验结果表明该驱动电路满足驱动基于压电陶瓷平面内应变的多自由度超声波电机的要求。

新型单振子多自由度超声波电机

提出一种基于压电陶瓷平面内应变的多自由度超声波电机。该电机的定子由中空金属圆柱加工而成,圆柱的四周加工成4个互相垂直的平面,上面分别粘贴四片沿厚度方向极化的钛锆酸铅(lead zirconate titanate,PZT)压电陶瓷。利用压电陶瓷在垂直极化方向平面内的变形,激励定子绕Z轴的扭转振动模态,实现转子绕Z轴的转动;激励在定子中固有频率接近、振动方向相垂直的伸缩振动模态和弯曲振动模态,并通过振动的叠加使定子末端质点产生绕X轴或者Y轴的椭圆运动,实现转子绕水平轴的转动。采用有限元方法对电机的定子进行分析设计,建立电机样机实验系统并测定样机的振动特性及输出机械特性。实验结果表明基于压电陶瓷平面内应变的电机可以实现绕3个互相垂直轴的多自由度转动。