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市場(chǎng)分析
電機設備的結構及其運行原理簡(jiǎn)述。
內容簡(jiǎn)介:壓電步進(jìn)旋轉電機控制系統壓電步進(jìn)電機的整體控制系統。PC機作為整個(gè)系統的和核心來(lái)控制其運動(dòng)狀態(tài)。PC發(fā)出的數字信號經(jīng)3路D/A轉換成模擬信號并通過(guò)3路放大裝置進(jìn)行放大。壓電精密步進(jìn)旋轉驅動(dòng)電機的工作頻率主要取決于驅動(dòng)電機結構。
  近年來(lái),隨著(zhù)微/納米技術(shù)的迅猛發(fā)展,對驅動(dòng)精度的要求在納米級的水平。在光學(xué)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、醫學(xué)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/納米級的超精密驅動(dòng),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動(dòng)電機具有高的驅動(dòng)特性,在國內外得到了較為廣泛的研究。 
  壓電材料在驅動(dòng)時(shí)具有納米級的穩定輸出位移精度,并且壓電驅動(dòng)線(xiàn)性好、控制方便、分辨率高、頻率響應好、不發(fā)熱、無(wú)磁干擾、無(wú)噪聲等,同時(shí),壓電驅動(dòng)電機能實(shí)現體積小、重量輕、大功率密度的特點(diǎn)。因此采用壓電驅動(dòng)能較好的實(shí)現超精密驅動(dòng)的性能。 
  采用定子內側箝位結構實(shí)現步進(jìn)旋轉運動(dòng)是一種新的嘗試,采用4片無(wú)間隙薄壁柔性鉸鏈結構精確地將壓電陶瓷的直線(xiàn)運動(dòng)轉化為旋轉運動(dòng),在箝位和驅動(dòng)的作用下實(shí)現高精度步進(jìn)旋轉運動(dòng),該運動(dòng)是一種“箝位步進(jìn)箝位”方式的仿生型運動(dòng),該結構對進(jìn)一步了解和研究壓電精密旋轉驅動(dòng)電機提供了一種新的方法和借鑒。 
  1總體結構及其工作原理內箝位壓電精密步進(jìn)旋轉驅動(dòng)電機的總體結構,主要有定子箝位體、轉子、驅動(dòng)壓電陶瓷連接體、箝位壓電陶瓷和驅動(dòng)壓電陶瓷組成。定子箝位體結構分上下兩部分,即上箝位塊和下箝位塊,上箝位塊和轉子上的上轉子體接觸,而下箝位塊和轉子上的下轉子體接觸。轉子體通過(guò)4片均勻分布的薄壁柔性鉸鏈把上、下轉子體連接為一體。 
  驅動(dòng)壓電陶瓷8安裝在驅動(dòng)壓電陶瓷連接體9上,連接體的一側和上轉子體接觸,另一側和下轉子體接觸,連接體上加工有可伸縮變形的柔性鉸鏈。該驅動(dòng)電機的結構及運動(dòng)原理如下:①初始狀態(tài)時(shí)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(dòng);②驅動(dòng)壓電陶瓷8通電伸長(cháng),由于下轉子體不動(dòng),所以在連接體9的柔性鉸鏈變形下推動(dòng)上轉子體10順時(shí)針旋轉一個(gè)角度θ;③上箝位壓電陶瓷2通電箝位,上箝位體3與上轉子體10箝位固定;④下箝位壓電陶瓷由箝位變?yōu)樗砷_(kāi),11與5分開(kāi);⑤驅動(dòng)壓電陶瓷8斷電松開(kāi),下轉子體11在鉸鏈回彈力的作用下沿順時(shí)針轉角度θ,然后下箝位壓電陶瓷重新開(kāi)始箝位。這樣完成了一個(gè)步進(jìn)旋轉動(dòng)作循環(huán),機構沿順時(shí)針?lè )较蜣D動(dòng)了一步。連續重復上述步驟,則精密驅動(dòng)電機可實(shí)現順時(shí)針連續步進(jìn)旋轉。同理可以實(shí)現機構的逆時(shí)針旋轉。 
  2運動(dòng)過(guò)程及分析2.1箝位運動(dòng)及其分析內箝位型壓電精密步進(jìn)旋轉驅動(dòng)電機的定子箝位體結構如所示。上下箝位塊均設計有雙側雙向薄壁柔性鉸鏈,既減小了箝位時(shí)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(shí)可能導致下箝位體與下轉子壓緊),又保證了箝位時(shí)柔性鉸鏈只沿壓電陶瓷伸長(cháng)的方向變形,而不產(chǎn)生其它方向的變形而導致對轉子產(chǎn)生附加轉矩。另外,箝位時(shí)上、下箝位體要保證分別只與上、下轉子體接觸,而不和其它部分接觸。在實(shí)際工作中,由于定子箝位體和轉子之間是接觸的,沒(méi)有間隙,或者說(shuō)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(jìn)驅動(dòng)中,箝位過(guò)程是影響步進(jìn)運動(dòng)效果關(guān)鍵因素,箝位性能參數主要包括箝位力參數F,箝位響應頻率參數f 1和箝位穩定性參數S 1。大的箝位力可使箝位牢靠;高的箝位響應頻率可以箝位靈敏,可以實(shí)現高頻高速步進(jìn)運動(dòng);箝位穩定性S 1是指箝位過(guò)程對步進(jìn)運動(dòng)的影響程度,即不會(huì )因箝位沖擊而產(chǎn)生附加轉矩,從而提高步進(jìn)重復性精度,可以用箝位誤差來(lái)表示。 
  對該箝位系統的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析中可作如下假定:假設單側箝位塊質(zhì)量為M,中間受一恒力F f(壓電陶瓷伸長(cháng)產(chǎn)生)作用,由材料力學(xué)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;M為箝位塊質(zhì)量。 
  因此在保證箝位牢靠、剛性滿(mǎn)足要求的前提下,最大限度的減小M的質(zhì)量,采用EI合適的材料和結構,將能顯著(zhù)提高系統的固有頻率。由于薄壁鉸鏈截面的影響,使系統的抗彎剛度系數EI引起的抗彎力F e <  采用有限元分析軟件Ansys8.1對該箝位結構進(jìn)行有限元分析的結果變形圖。分析中建立結構的有限元模型,采用三維四面體單元SOLID45對實(shí)體模型進(jìn)行單元劃分,有限元網(wǎng)格模型共有:50 221個(gè)節點(diǎn),36 118個(gè)單元,其中柔性鉸鏈與定子箝位體連接端簡(jiǎn)化成固支,箝位體采用具有高彈性模量的彈簧鋼材料。分析得到系統的一階固有頻率f b A到了與理論分析近似的結果。 
  2.2旋轉運動(dòng)及其分析轉子是由上轉子體、下轉子體及通過(guò)圓周均布的四片薄壁柔性鉸鏈連接為一起的整體結構,此鉸鏈結構能保證上、下轉子體繞轉子中心旋轉。驅動(dòng)壓電陶瓷連接體一側與上轉子體接觸,另一側與下轉子體接觸,連接體上有變形鉸鏈結構,當壓電陶瓷通電伸長(cháng)時(shí),則左側對上轉子體施加推力,右側對下轉子體施加推力。4片薄壁柔性鉸鏈和連接體上的柔性鉸鏈在驅動(dòng)壓電陶瓷回縮時(shí)起到彈性回復作用,除此之外連接體結構還能起到對驅動(dòng)陶瓷(金屬陶瓷熱擠壓模的產(chǎn)品說(shuō)明)的安裝預緊和保護作用。 
  轉子與定子配合的表面精度要求較高,因此在原始狀態(tài)下轉子能自由轉動(dòng)的前提下力求其與定子箝位體之間的間隙最小。轉子是驅動(dòng)電機的運動(dòng)部件柔性鉸鏈上轉子體驅動(dòng)連接體下轉子體和動(dòng)力輸出裝置,其運動(dòng)參數包括步距角參數?θ、有效推力參數F e和頻率參數ωn。 
  步距角和結構尺寸、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(cháng)量,m;t為陶瓷長(cháng)度,m;l B為陶瓷中心到鉸鏈中心距離,m. 
  上、下轉子體是否繞轉子中心軸進(jìn)行微角度旋轉運動(dòng)是該系統能否進(jìn)行步進(jìn)旋轉運動(dòng)的關(guān)鍵因素和前提條件,通過(guò)對轉子進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析可以進(jìn)行驗證。對轉子結構進(jìn)行分析的模型結果圖。在分析過(guò)程中,以所示的下轉子體為固定側進(jìn)行約束,對驅動(dòng)壓電陶瓷的左側接觸面施加力F,從圖中可以清楚地看到驅動(dòng)后的薄壁柔性鉸鏈的變形效果及上轉子體旋轉位移δ。另外通過(guò)對分布在轉子圓周上的多個(gè)點(diǎn)有限元分析得出:變形后各點(diǎn)仍以較高的精度分布在變形前所在的圓周上,這充分說(shuō)明轉子體結構的變形是繞著(zhù)轉子中心軸進(jìn)行的。在有限元分析中,施加不同的力F,得到了不同的旋轉位移量δ。 
  各參數之間關(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;K R為轉子薄壁鉸鏈的當量彈性系數;δ為轉子的旋轉變形位移量。 
  步進(jìn)旋轉驅動(dòng)過(guò)程是一個(gè)較復雜的過(guò)程,涉及到壓電陶瓷的響應時(shí)間,輸出載荷的加速度變化,內部能量損耗等,所以這里采用了當量彈性系數K s、K R、有效推力F e、有效輸出載荷F w等對系統進(jìn)行有效地描述。轉子運動(dòng)時(shí),驅動(dòng)壓電陶瓷應具有與箝位部分相同的運動(dòng)頻率,所以,為了提高整體系統的頻率,應盡可能的提高轉子系統本身的固有頻率。但轉子部分與定子箝位體部分是不同的,定子箝位系統的固有頻率一旦設計完成,是一個(gè)固定不變的量,而直線(xiàn)動(dòng)子系統的固有頻率則隨著(zhù)輸出載荷的變化而變化,是一個(gè)變化的量。由材料力學(xué)和振動(dòng)力學(xué)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緊力;e為轉子運動(dòng)的振幅。 
  在轉子設計中,在滿(mǎn)足強度條件和步進(jìn)位移量的前提下,應盡量提高薄壁柔性鉸鏈的等效彈性系數K s和K R,減小轉子和連接體的質(zhì)量M,使系統具有良好的動(dòng)態(tài)性能。 
  3壓電步進(jìn)旋轉電機控制系統壓電步進(jìn)電機的整體控制系統。PC機作為整個(gè)系統的和核心來(lái)控制其運動(dòng)狀態(tài)。PC發(fā)出的數字信號經(jīng)3路D/A轉換成模擬信號并通過(guò)3路放大裝置進(jìn)行放大。3路經(jīng)放大的電源按給定的時(shí)序對2個(gè)箝位壓電疊堆和1個(gè)驅動(dòng)壓電疊堆進(jìn)行協(xié)調控制。在整個(gè)控制系統中,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(diǎn),必須對壓電疊堆設計高頻完全放電回路,使壓電疊堆在斷電時(shí)其內部存儲的電量能夠徹底放掉。另外,系統中安裝了精密位移測量裝置,對系統結構產(chǎn)生的位移進(jìn)行準確的測量,并送入PC進(jìn)行詳細處理。 
  驅動(dòng)所用的電源信號時(shí)序關(guān)系對整個(gè)系統的動(dòng)作至關(guān)重要,它直接影響系統的運動(dòng)效果。3路時(shí)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路為驅動(dòng)壓電疊堆通電信號。 
  時(shí)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,并且對壓電驅動(dòng)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數據處理精密測微儀PC控制t t t t上箝位驅動(dòng)下箝位T命。在控制信號的設計方面,應充分考慮各部分的時(shí)序分配和分布,如所示:把一個(gè)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(shí)間為2t=T/3,平均高電平(通電)時(shí)間為4t=2T/3,驅動(dòng)電壓信號的高電平和低電平時(shí)間是相等的,分別占T/2,左右箝位電壓信號的時(shí)序相差3t. 
  4試驗與測量4.1實(shí)驗裝置為研制的壓電精密步進(jìn)旋轉驅動(dòng)電機內部結構的實(shí)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系列壓電陶瓷驅動(dòng)電源,精密氣浮隔振臺等。測量中將激光測微儀的激光焦點(diǎn)照射到運動(dòng)體的表面上并調到穩定狀態(tài),通過(guò)屏幕上顯示的數據可得到旋轉位移的大小。 
  4.2步進(jìn)分辨率測量分辨率是指步進(jìn)運動(dòng)時(shí)每一步所能達到的最小步長(cháng),分辨率是精密驅動(dòng)電機的一個(gè)重要指標。對該驅動(dòng)電機進(jìn)行分辨率測量的曲線(xiàn)圖,可以看出,驅動(dòng)電壓5V時(shí)得到其分辨率值大約為1μrad。而大于5V時(shí)分辨率值增大,低于5V時(shí),無(wú)角位移輸出。因此在驅動(dòng)電壓5V時(shí)得到的數值即為該驅動(dòng)的最大分辨率,5V驅動(dòng)電壓就稱(chēng)為截止驅動(dòng)電壓。 
  4.3箝位力及箝位穩定性測量為箝位力N f的測量曲線(xiàn)。通過(guò)測量得出系統的最大箝位扭矩N f達到2.3Nm.另外,最大箝位扭矩與箝位電壓成近似線(xiàn)性關(guān)系。在實(shí)際工作中,箝位電壓70V所達到的1.5Nm,箝位扭矩已基本滿(mǎn)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(dòng)作對轉子產(chǎn)生的影響,用箝位過(guò)程對轉子產(chǎn)生的微小位移來(lái)描述。1是驅動(dòng)電機的箝位誤差測量結果。圖中每個(gè)電壓點(diǎn)的測定值都是從100個(gè)測量值中所取得的平均值。從圖中可以看出,箝位過(guò)程中最大箝位誤差值在個(gè)別測量點(diǎn),達到最大的0.01μrad.另外,隨著(zhù)箝位電壓值的增大,箝位誤差值有增大的趨勢,但從整體來(lái)看,該箝位過(guò)程對轉子的影響非常微弱。因此該箝位過(guò)程是穩定的。 
  4.4步進(jìn)轉速測量?jì)润槲?外驅動(dòng)型壓電精密步進(jìn)旋轉電機的速度由驅動(dòng)電壓和步進(jìn)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(xiàn),該速度是在空載狀態(tài)下測得的。從圖中可以看出,步進(jìn)頻率40Hz時(shí)速度達到325μrad/s,根據需要可適當調節頻率和驅動(dòng)電壓來(lái)滿(mǎn)足各種速度要求。另外,壓電陶瓷閉環(huán)曲線(xiàn)的上升過(guò)程,其斜率是增大的,而圖中速度-電壓曲線(xiàn)的斜率隨電壓的升高逐漸減小,這是因為當電壓升高時(shí),壓電疊堆位移量和驅動(dòng)力增大導致柔性鉸鏈的變形增大或出現微小塑性變形,從而產(chǎn)生附加載荷所致。 
  4.5連續步進(jìn)轉矩測量連續輸出轉矩是衡量壓電精密步進(jìn)旋轉驅動(dòng)電機的一個(gè)重要指標。3為輸出角位移量大小和輸出扭矩以及驅動(dòng)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,力對位移的影響不明顯,超過(guò)一定的外載荷,則位移有輕微的下降趨勢。實(shí)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(guò)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(shí),箝位力不足以承擔驅動(dòng)壓電陶瓷對箝位端產(chǎn)生的反作用力,這時(shí)出現步進(jìn)紊亂。由圖中曲線(xiàn)可以看出,100V電壓下,在M<30N?cm時(shí),角位移輸出是比較穩定的。 
  壓電精密步進(jìn)旋轉驅動(dòng)電機的工作頻率主要取決于驅動(dòng)電機結構的如下因素: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轉子上4個(gè)扭轉彎曲組合薄壁柔性鉸鏈的剛度;④上下轉子體的質(zhì)量;⑤驅動(dòng)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決定轉子的固有頻率。通過(guò)實(shí)驗,得出系統的最大工作頻率為40Hz,即在40Hz時(shí)驅動(dòng)電機系統獲得最大步進(jìn)旋轉速率,當頻率大于40Hz時(shí),旋轉速度扭矩迅速下降。 
  5結論(1)新型壓電精密步進(jìn)旋轉驅動(dòng)電機具有具有高頻率(40Hz)、高的分辨率(1μrad)、有效驅動(dòng)轉矩(30N?cm)、較高驅動(dòng)速度(325μrad/s)、任意角度旋轉的特性。 
  (2)薄壁柔性鉸鏈定子箝位體結構工作頻率高、箝位牢固、工作可靠,解決了高頻和箝位牢固之間的矛盾。 
  (3)利用定子內箝位/轉子外驅動(dòng)方式和薄壁柔性鉸鏈結構實(shí)現步進(jìn)旋轉驅動(dòng)為壓電驅動(dòng)電機的設計提供了一種可借鑒的方法。
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  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(zhù)輕便、簡(jiǎn)約化發(fā)展,我國的大型高效電機出口是沒(méi)有優(yōu)勢的。中國的電機企業(yè)應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)展戰略研究。
  電機產(chǎn)品種類(lèi)繁多,根據型號、規格、功率、軸伸、絕緣、編碼器、轉速開(kāi)關(guān)、熱敏元件、加熱帶等參數的不同可劃分出各種各樣電機。為了簡(jiǎn)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(zhuān)用性將電機分為普通標準電機和特殊專(zhuān)用電機。
我國電機行業(yè)發(fā)展現狀分析。
  近幾年來(lái),我國的電機行業(yè)也涌現了一批產(chǎn)量規模大,產(chǎn)品水平、質(zhì)量好,技術(shù)裝備先進(jìn)的企業(yè)。但是,還沒(méi)有哪一家的產(chǎn)品份額能在國內市場(chǎng)上占到統治地位。中小電機至今還沒(méi)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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