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多相式步进超声电机
    本发明涉及的是利用压电效应和超声振动的步进超声电机。

    压电超声电机是利用压电陶瓷的逆压效应和超声振动，通过摩擦来驱动的新型电机。尽管它具有许多独特的优点，但由于摩擦驱动的过程中会伴随产生热量，使之不能长时间连续运行。因此，它作为间断工作的步进电机将有广阔的应用前景。由于压电材料的滞后效应和摩擦驱动的随机性，使之定位精度不高，必须使用位置传感器来进行反馈，形成闭环控制系统。这种控制方式使电机体积增大，控制系统变复杂。当前流行的超声步进电机是利用较简单的开环控制系统来代替复杂的控制系统，定位精度仍达不到要求，甚至有失步的现象。

    本发明的目的在于研制一种体积小，控制简单、定位精度高，在额定负载下不失步的多相式步进超声电机。

    流行的自校正步进超声电机基于这样一个地物理现象：固体颗粒放置在振动物体平面上，它们将会向驻波振动的节线聚集。

    本发明的步进电机在上述现象的基础上，通过驱动电路中步进时钟和多相计数器一相接一相地分别激励定子上相应的压电陶瓷片之扇形块，使定子上节线产生一次接一次的移动，进而驱动带凸齿的转子产生步进运动。这种多相驱动的方式下，电机所获的步进运动能够保证电机在额定负载下不会失步，且具有很高的定位精度。其电机结构由转子、摩擦材料、定子、压电陶瓷片、弹簧、轴承、螺母及底座所组成，特点是，在转子上带有均匀分布的凸起齿，没有开槽，而定子为平面形状。本发明的压电陶瓷片的极化形式，采用单向分区极化形式，即压电陶瓷片沿整个圆周被分成m=2n个区，其中n代表定子工作模态节径数，n≥1。每区里又分成p个扇形(p≥3)并标上序号。把所有序号相同的扇形用导线联接起来，接入电源的一相中。

    附图1多相式步进超声电机结构示意图。

    附图2压电陶瓷片单向分区极化形式示意图。

    附图3驱动电路的原理框图。

    本发明的多相式步进超声电机包括转子1、摩擦材料2、定子3、压电陶瓷片4、弹簧6、螺母7、轴承8及底座9所构成。摩擦材料2贴于转子1的凸起齿端，定子3通过螺钉5固定于底座9上，压电陶瓷片4贴于定子背面，转子1通过装于定子上的轴承8来定位，转子与定子之间的压力通过螺母7、调节弹簧6的松紧程度来调整。本电机结构与流行的自校正超声电机之差异在于：在转子上带有均匀分布的凸起齿，不开槽，而定子却为无齿的平面形状。定子通过驻波振动对转子产生指向节径的周向摩擦力，正是这种周向摩擦力推动着转子的凸起齿，使凸起齿移至节径位置，从而使转子转动并精确定位。转子的凸起齿移向节径位置的过程，也就是转子步进的过程，即为自动校正定位的过程。

    本发明用来激励定子驻波振动的压电陶瓷片分区极化形式异于流行的自校正步进电机所采用的“+、-”交替形式，而采用单向极化形式，即所有被单向极化的小扇形被分成m区，(m=2n,n≥1,n为定子工作驻波振动的节径数目)，每区里又分成P个扇形，(P≥3)，并标上序号，把所有序号相同的扇形用导线联接起来，接入电源的一相中。附图2所示的是驱动电源为五相的单向极化形式示意图。若定子工作振型为B08，即定子在此共振状态下有八个波峰，八个波谷。于是每走一周的步数N=2n×P=16×5=80步，步长=360/80=4.5°，同样原理可做成120步，168步……。多相式自校正超声电机，可形成旋转步进超声电机(RSUM)多相式步进电机系列。

    多相式步进超声电机的驱动电路的原理框图如附图3所示：由正、反转设定1、步进时钟2、零位设定3、多相计数器4、驱动信号5、锁定输出信号6、功放D1-D5所组成。标号1-5为电源的1-5相。步进时钟2的出口与多相计数器4的输入端相连接，多相计数器4的各相输出端与相应的驱动信号5的输入端相连，驱动信号的功放D1-D5输出端再与相应位置的压电陶瓷片的扇形块1-5相连接；多相计数器的相数及驱动信号的相数与每个区域中的压电陶瓷片的扇形块数目相同。驱动控制线路按照压电陶瓷片上扇形的序号的次序依次分别激励着定子，从而使转子按每步4.5°的步长产生步进运动。所以，本发明中步进电机每转一圈需走80步。根据上述原理，进一步研制了每转一圈需走120步和每转一圈需走168步的多相式步进超声电机。