本發(fā)明涉及一種空間調相環(huán)形行波電機結構誤差在線校正方法。

背景技術：

環(huán)形行波超聲波電機的兩相壓電陶瓷在定子上產生兩相時間相位互差的駐波，當電機結構完全對稱時，兩相駐波幅值相等，空間相位也相差其在定子中合成一個“純”行波。但電機結構總存在誤差，這將使兩相駐波波幅不相等，空間相位差也偏離定子中的合成波形不是理想的行波，而是一個包含行波分量和駐波分量的復合波。相較于理想情況，行波分量下降，從而降低電機運行效率。

現(xiàn)對結構誤差導致的兩相駐波幅值偏離Δc和空間相位差偏離Δx進行校正的方案各有兩種。對B3相和B4相電壓幅值進行相反方向的調節(jié)可以實現(xiàn)對Δx消除校正，或對A1相和A2相電壓幅值進行相反方向的調節(jié)可以實現(xiàn)對Δx補償校正。在完成對Δx的校正后，同比例調節(jié)B3相和B4相電壓幅值可以實現(xiàn)對Δc的消除校正，或同比例調節(jié)A1相和A2相電壓幅值可以實現(xiàn)對Δc的補償校正。因此，無論Δx還是Δc的校正方式均有兩種校正方式可選。為了保證工業(yè)上的一致性，應從電機輸入輸出等要求出發(fā)對其進行優(yōu)化。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種空間調相環(huán)形行波電機結構誤差在線校正方法，通過合理選擇Δc的校正方式和Δx的校正方式，使空間調相環(huán)形行波超聲波電機結構誤差校正后輸出盡可能大，并且電機四相的最大電壓幅值盡量小；能夠在保證校正后輸出特性的一致性基礎上，降低校正方案對電機陶瓷耐壓的要求，解決現(xiàn)有技術中存在的上述問題。

本發(fā)明的技術解決方案是：

一種空間調相環(huán)形行波電機結構誤差在線校正方法，在檢測得到空間調相環(huán)形行波電機由于結構誤差導致的波幅偏差和空間相位偏差的基礎上，利用空間調相環(huán)形行波超聲波電機具有產生不同空間相位、不同幅值的駐波的能力，分別對波幅偏差和空間相位偏差進行消除校正或補償校正，以校正定子中由于結構誤差導致的駐波分量。

進一步地，對空間相位偏差進行校正，具體為：當α₁位置的振幅大于β₁位置的振幅時，在B相對Δx進行消除校正；當α₁位置的振幅小于β₁位置的振幅時，在A相對Δx進行補償校正。

進一步地，當α₁位置的振幅大于β₁位置的振幅，α₃位置的振幅大于β₃位置的振幅時，增加B3相電壓幅值，減少B4相電壓幅值，直至當α₃位置的振幅等于β₃位置的振幅時為止，完成B相駐波空間相位差偏離Δx的在線消除校正。

進一步地，當α₁位置的振幅大于β₁位置的振幅，α₃位置的振幅小于β₃位置的振幅時，減少B3相電壓幅值，增加B4相電壓幅值，直至當α₃位置的振幅等于β₃位置的振幅時為止，完成B相駐波空間相位差偏離Δx的在線消除校正。

進一步地，當α₁位置的振幅小于β₁位置的振幅，α₃位置的振幅大于β₃位置的振幅時，減少A1相電壓幅值，增加A2相電壓幅值，直至當α₃位置的振幅等于β₃位置的振幅時為止，完成B相駐波空間相位差偏離Δx的在線補償校正。

進一步地，當α₁位置的振幅小于β₁位置的振幅，α₃位置的振幅小于β₃位置的振幅時，增加A1相電壓幅值，減少A2相電壓幅值，直至當α₃位置的振幅等于β₃位置的振幅時為止，完成B相駐波空間相位差偏離Δx的在線補償校正。

進一步地，α₁位置位于A相駐波波節(jié)位置，β₁位置位于A相駐波波幅位置。

進一步地，α₃位置在空間逆時針滯后于A相駐波波節(jié)位置八分之一行波波長，β₃位置在空間逆時針滯后于A相駐波波幅位置八分之一行波波長。

進一步地，對兩相駐波空間相位差偏離Δx進行校正后再對兩相駐波幅值偏離Δc進行校正。

進一步地，對波幅偏差進行校正，具體為：當α₁位置的振幅大于β₁位置的振幅時，同比例提高A1相和A2相電壓幅值，對Δc進行補償校正；當α₁位置的振幅小于β₁位置的振幅時，同比例提高B3相和B4相電壓幅值，對Δc進行消除校正。

進一步地，孤極p1的中心線或等效中性線位于α₁位置，孤極p2的中心線或等效中性線位于β₁位置將孤極p1和孤極p2短路，構成新的復合孤極p5，孤極p5的中心線或等效中性線位于α³位置；將孤極p2和孤極p3短路，構成新的復合孤極p6，孤極p6的中心線或等效中性線位于β₃位置。

本發(fā)明的有益效果是：

一、該種空間調相環(huán)形行波電機結構誤差在線校正方法，能夠提高空間調相環(huán)形行波超聲波電機結構誤差校正后輸出特性的一致性。

二、本發(fā)明通過合理選擇Δc的校正方式和Δx的校正方式，使空間調相環(huán)形行波超聲波電機結構誤差校正后輸出盡可能大，并且電機四相的最大電壓幅值盡量小，降低校正方案對電機陶瓷耐壓的要求。

三、本發(fā)明能夠實時在線對空間調相環(huán)形行波超聲波電機結構誤差導致的定子中結構誤差駐波分量進行消除校正或補償矯正。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所使用的環(huán)形行波超聲波電機壓電陶瓷分區(qū)及電源示意圖。

圖2是本發(fā)明復合孤極p5分區(qū)的示意圖。

圖3是本發(fā)明復合孤極p6分區(qū)的示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。

實施例

一種空間調相環(huán)形行波電機結構誤差在線校正方法，在檢測得到空間調相環(huán)形行波電機由于結構誤差導致的波幅偏差和空間相位偏差的基礎上，利用空間調相環(huán)形行波超聲波電機具有產生不同空間相位、不同幅值的駐波的能力，分別對波幅偏差和空間相位偏差進行消除校正或補償校正，以校正定子中由于結構誤差導致的駐波分量。

如圖1所示，電機工作時，在定子圓周上分布有九個波長的空間行波，如每個行波波長計為空間相位2π，整個圓周可計為空間相位18π。按逆時針方向，定義A1區(qū)壓電陶瓷的起始位置為起始位置，則4π處為A1區(qū)壓電陶瓷的結束位置，4π為孤極p1的起始位置，4.5π為孤極p1的結束位置，4.5π為孤極p2的起始位置，5π為孤極p2的結束位置，5π為孤極p3的起始位置，5.5π為孤極p3的結束位置，5.5π處為B3區(qū)壓電陶瓷的起始位置為起始位置，9.5π處為B3區(qū)壓電陶瓷的結束位置，9.5π處為A2區(qū)壓電陶瓷的起始位置為起始位置，13.5π處為A2區(qū)壓電陶瓷的結束位置，13.5π為孤極p4的起始位置，14π為孤極p4的結束位置，14π處為B4區(qū)壓電陶瓷的起始位置為起始位置，18π處為B4區(qū)壓電陶瓷的結束位置。

空間調相環(huán)形行波超聲波電機的壓電陶瓷包括A1區(qū)壓電陶瓷、A2區(qū)壓電陶瓷、B3區(qū)壓電陶瓷和B4區(qū)壓電陶瓷，A1區(qū)壓電陶瓷、A2區(qū)壓電陶瓷、B3區(qū)壓電陶瓷和B4區(qū)壓電陶瓷中各含有四個壓電陶瓷極化分區(qū)，極化分區(qū)的寬度為空間位長度均是二分之一基波波長。A1區(qū)壓電陶瓷、A2區(qū)壓電陶瓷、B3區(qū)壓電陶瓷和B4區(qū)壓電陶瓷中內部的極化分區(qū)沿逆時針方向均是按“+－+－”方向進行極化的，孤極p1、孤極p2、孤極p3和孤極p4按同按“+”或同按“－”方向極化。“+”表示正向極化，“－”表示反向極化，對極化的正方向可自由定義，僅要求其垂直于陶瓷平面即可。

如圖2所示，4π為孤極p5的起始位置，5π為孤極p5的結束位置，孤極p5是由孤極p1孤極p2短路而成。

如圖3所示，4.5π為孤極p5的起始位置，5.5π為孤極p6的結束位置，孤極p6是由孤極p2孤極p3短路而成。

電源表達式描述為電源一1為acosωt、電源二2為-acosωt、電源三3為asinωt、電源四4為asinωt；a為所有電源的電壓幅值大小，為標么值。

理想情況下四個電源在定子上激發(fā)四個駐波，其表達式為：

空間調相環(huán)形行波超聲波電機A相駐波有A1相駐波和A2相駐波合成，B相駐波由B1相駐波和B2相駐波合成，時間相位相同的兩個駐波兩兩合成新的駐波，A相駐波和B相駐波的表達式為：

但如果電機存在結構誤差，A相駐波和B相駐波實際表達式應為

定子中的波形為：

其中：ar為駐波橫向振動振幅，r是駐波幅值相對于電壓幅值的系數(shù)，x為空間位置角度，ω為振動角頻率，n＝l/λ是沿定子圓周的波數(shù)，l是定子周長，λ為彈性波長，t為時間，Δc反應了B相駐波相對于A相駐波的幅值偏離，Δx₁，Δx₂表示A相駐和B相駐波空間相位相對于理想值的偏離大小，Δx＝Δx₁-Δx₂為B相駐波相對于A相駐波的空間相位差偏離。說明書中相同符號表示相同的含義。

一、Δc和Δx的檢測

當Δc＝0，Δx＝0時，上述兩個駐波的合成波形為一個純行波，電機結構誤差的影響將不存在，因此實施例首先需要檢測出Δc和Δx。

1、將定子波形分解到α₁位置和β₁位置：

此時孤極p1和孤極p2的輸出電壓為：

式中w_α1，w_β1為定子波在α₁方向和β₁方向的分量，h₁是在單個孤極上電壓相對于振幅的系數(shù)，U_α1，U_β1，η₁，η₂分別為孤極p1和孤極p2電壓的幅值和時間相位。說明書中相同符號表示相同的含義。比較孤極p1和孤極p2電壓的幅值，在電機結構誤差不過于巨大時：

因為：cos2Δx₁＞0

所以，兩相駐波波幅差異的檢測方案為：

U_α1＞U_β1時，Δc＞0，說明A相駐波波幅小于B相駐波波幅；

U_α1＜U_β1時，Δc＜0，說明A相駐波波幅大于B相駐波波幅；

U_α1＝U_β1時，Δc＝0，說明A相駐波波幅等于B相駐波波幅。

2、將定子波形分解到α₃位置和β₃位置：

此時孤極p5和孤極p6的輸出電壓為：

式中，U_α3，U_β3，η₃，η₄分別為孤極p5和孤極p6電壓的幅值和時間相位。說明書中相同符號表示相同的含義。

比較孤極p5和孤極p6電壓的幅值，在電機結構誤差不過于巨大時：

因此，空間相位誤差的檢測方案為：

U_α3＞U_β3時，Δx＜0，說明A相駐波與B相駐波的空間相位差小于

U_α3＜U_β3時，Δx＞0，說明A相駐波與B相駐波的空間相位差大于

U_α3＝U_β3時，Δx＝0，說明A相駐波與B相駐波的空間相位差等于

實施例中，利用多孤極以及孤極復用技術檢測定子不同圓周位置的振幅，通過孤極上的電壓幅值的差異，比較圓周上不同位置振幅差異，對電機結構誤差導致的定子中兩相駐波的幅值偏離信息和空間相位差偏離信息進行了識別。復合孤極技術可以在有限空間內，為更多位置提供振幅比較方案。多次的關鍵位置振幅比較，可以近似解耦的定性分析環(huán)形行波超聲波電機兩相駐波的振幅差和空間相位差受結構誤差影響而偏離的方向。

二、Δc和Δx的校正

在獲知B相駐波空間相位差偏離Δx和幅值偏離Δc信息后可以有兩種方法對Δx和Δc進行校正。

一種是在B相進行的消除校正，其步驟如下：

1、B相駐波空間相位差偏離的消除校正

對B3相電壓幅值和B4相電壓幅值進行大小相等，方向不同的調節(jié)，電壓幅值調節(jié)的大小均為q₁。此時B3相和B4相電源為：

假設，B3相和B4相激發(fā)的駐波是理想的，則B相合成駐波表達式為：

其中，

調節(jié)電壓大小q₁的影響為：

(1)當q₁＞0時，B相合成駐波的幅值位置向B4相駐波的幅值位置發(fā)生“移動”，減少了A相駐波和B相駐波的空間相位差。

(2)當q₁＜0時，B相合成駐波的幅值位置向B3相駐波的幅值位置發(fā)生“移動”，增加了A相駐波和B相駐波的空間相位差。

該結論是在假設B3相駐波和B4相駐波理想情況下獲得的，實際情況要更復雜，但是q₁的變化對γ_B的影響趨勢仍然是相同的，因此上述結論仍然成立。

綜合上述結論和B相駐波空間相位差偏離檢測方案可得B相駐波空間相位差偏離消除校正的原則：

(1)當α₃位置的振幅大于β₃位置的振幅時，則Δx＜0，說明A相駐波與B相駐波的空間相位差小于此時應增加兩相駐波的相位差，可使q₁＜0，即增加B3相電壓幅值，減少B4相電壓幅值，直至當α₃位置的振幅等于β₃位置的振幅時為止；

(2)當α₃位置的振幅小于β₃位置的振幅時，則Δx＞0，說明A相駐波與B相駐波的空間相位差大于此時應減少兩相駐波的相位差，可使q₁＞0，即減少B3相電壓幅值，增加B4相電壓幅值，直至當α₃位置的振幅等于β₃位置的振幅時為止。

2、B相駐波幅值偏離的消除校正

在完成B相駐波空間相位差偏離的校正的基礎上，對B3相電壓幅值和B4相電壓幅值進行方向相同的同比例調節(jié)，電壓幅值調節(jié)的比例為k₁。此時B3相合B4相電源為：

k₁為一個大于0的B區(qū)電壓調節(jié)系數(shù)，其影響為：

(1)當k₁＞1時，B相駐波的波幅增加；

(2)當k₁＜1時，B相駐波的波幅減少。

結合B相駐波幅值偏離檢測方案可得B相駐波幅值偏離消除校正的原則：

(1)當α₁位置的振幅大于β₁位置的振幅時，則Δc＞0，說明A相駐波波幅小于B相駐波波幅，此時應減少B相駐波波幅，可使k₁＜1，即同時同比例減少B3相和B4相電壓幅值，直到α₁位置的振幅等于β₁位置的振幅時為止；

(2)當α₁位置的振幅小于β₁位置的振幅時，則Δc＜0，說明A相駐波波幅大于B相駐波波幅，此時應增加B相駐波波幅，可使k₁＞1，即同時同比例增加B3相和B4相電壓幅值，直到α₁位置的振幅等于β₁位置的振幅時為止。

另一種是在A相進行的補償校正，其步驟如下：

1、B相駐波空間相位差偏離的補償校正

對A1相電壓幅值和A2相電壓幅值進行大小相等，方向不同的調節(jié)，電壓幅值調節(jié)的大小均為q₂。此時A1相和A2相電源為：

假設，A1相和A2相激發(fā)的駐波是理想的，則A相合成駐波表達式為：

其中，

調節(jié)電壓大小q₂的影響為：

(1)當q₂＞0時，A相合成駐波的幅值位置向A2相駐波的幅值位置發(fā)生“移動”，增加了A相駐波和B相駐波的空間相位差。

(3)當q₂＜0時，A相合成駐波的幅值位置向A1相駐波的幅值位置發(fā)生“移動”，減少了A相駐波和B相駐波的空間相位差。

該結論是在假設A1相駐波和A2相駐波理想情況下獲得的，實際情況要更復雜，但是q₂的變化對γ_B的影響趨勢仍然是相同的，因此上述結論仍然成立。

綜合上述結論和B相駐波空間相位差偏離檢測方案可得，相對于A相駐波的B相駐波空間相位差偏離補償校正的原則：

(1)當α₃位置的振幅大于β₃位置的振幅時，則Δx＜0，說明A相駐波與B相駐波的空間相位差小于此時應增加兩相駐波的相位差，可使q₂＞0，即減少A1相電壓幅值，增加A2相電壓幅值，直至當α₃位置的振幅等于β₃位置的振幅時為止；

(2)當α₃位置的振幅小于β₃位置的振幅時，則Δx＞0，說明A相駐波與B相駐波的空間相位差大于此時應減少兩相駐波的相位差，可使q₂＜0，即增加A1相電壓幅值，減少A2相電壓幅值，直至當α₃位置的振幅等于β₃位置的振幅時為止。

2、B相駐波幅值偏離的補償校正

在完成B相駐波空間相位差偏離的校正的基礎上，對A1相電壓幅值和A2相電壓幅值進行方向相同的同比例調節(jié)，電壓幅值調節(jié)的比例為k₂。此時A1相合A2相電源為：

k₂為一個大于0的B區(qū)電壓調節(jié)系數(shù)，其影響為：

(1)當k₂＞1時，A相駐波的波幅增加；

(2)當k₂＜1時，A相駐波的波幅減少。

結合B相駐波幅值偏離的檢測方案，可得相對于A相駐波的B相駐波幅值偏離補償校正的原則：

(1)當α₁位置的振幅大于β₁位置的振幅時，則Δc＞0，說明A相駐波波幅小于B相駐波波幅，此時應增加A相駐波波幅，可使k₂＞1，即同時同比例增加A1相和A2相電壓幅值，直到α₁位置的振幅等于β₁位置的振幅時為止；

(2)當α₁位置的振幅小于β₁位置的振幅時，則Δc＜0，說明A相駐波波幅大于B相駐波波幅，此時應減少A相駐波波幅，可使k₂＜1，即同時同比例減少A1相和A2相電壓幅值，直到α₁位置的振幅等于β₁位置的振幅時為止。

三、Δc和Δx的校正方式的選擇

無論是Δc還是Δx都有兩種校正方式可選擇，為了保證工業(yè)一致性且達到最佳效果，本發(fā)明對Δc和Δx校正方式分別進行選擇。其步驟如下：

1、Δc的校正方案選擇

(1)當α₁位置的振幅大于β₁位置的振幅時，則Δc＞0，說明A相駐波波幅小于B相駐波波幅，此時應增加A相駐波的波幅，即在完成Δx校正后，通過同比例提高A1相和A2相電壓幅值，對Δc進行補償校正；

(2)當α₁位置的振幅小于β₁位置的振幅時，則Δc＜0，說明A相駐波波幅大于B相駐波波幅，此時應增加B相駐波的波幅，即在完成Δx校正后，通過同比例提高B3相和B4相電壓幅值，對Δc進行消除校正。

2、Δx的校正方案選擇

(1)當α₁位置的振幅大于β₁位置的振幅時，是在A相對Δc進行補償校正的，因此應通過對B3相和B4相的電壓幅值進行不同方向調節(jié)，在B相對Δx進行消除校正；

(2)當α₁位置的振幅小于β₁位置的振幅時，是在B相對Δc進行補償校正的，因此應通過對A1相和A2相的電壓幅值進行不同方向調節(jié)，在A相對Δx進行補償校正。

原理說明如下：

調節(jié)B3相電壓幅值和B4相電壓幅值，進行消除校正后，A相和B相駐波為：

其合成波形是行波，為：

調節(jié)A1相電壓幅值和A2相電壓幅值，進行補償校正后，A相和B相駐波為：

其合成波形是行波，為：

比較上述兩種校正方案的行波波幅，從提高輸出的因素出發(fā)有：

1、如果Δc＞0，在A相補償校正后定子中的行波波幅較大，因此Δc的校正方式應選擇補償校正方案，其通過整體提高A1相和A2相電壓幅值實現(xiàn)；

2、如果Δc＜0，在B相補償校正后定子中的行波波幅較大，因此Δc的校正方式應選擇消除校正方案，其通過整體提高B3相和B4相電壓幅值實現(xiàn)。

在對Δc進行校正之前應先對Δx進行校正，由于Δx的校正是通過A1相和A2相電壓幅值向不同方向調節(jié)，或是通過B3相和B4相電壓幅值向不同方向調節(jié)實現(xiàn)的，因此其中總有一個相電壓的幅值必須增加，進而會對該相壓電陶瓷的耐壓性提出額外要求，不期望該電壓幅值太高，故在Δc的校正方案的基礎上，Δx的選擇方案設計為：

1、如果Δc是通過A相電壓調節(jié)進行補償校正的，則Δx應該通過B相電壓調節(jié)進行消除校正；

2、如果Δc是通過B相電壓調節(jié)進行消除校正的，則Δx應該通過A相電壓調節(jié)進行補償校正。