Recently, the demand for high precision and large stroke in linear positioning systems is increasing in industry. A coarse-fine position control system composed of a linear motor and a piezoelectric actuator has such characteristics. Many optimal control laws have been applied to the position control of coarse-fine actuators but most of them did not take account into constraints. In this study, model predictive control (MPC) method with constraints is applied to the position control of the coarse-fine actuator and the performance of MPC is compared with those of conventional control laws.
In this paper the bending vibration analysis of stator for a ring type ultrasonic motor is described. Considering the electromechanical coupling effect, the concepts of generalized stress and strain are explained in detail using the generalized piezoelectric equations, which is the relationship between generalized stress and strain, the differential motion equation were derived. The vibration modes and resonance frequencies of the stator were calculated using the finite element code ATILA.
Journal of international Conference on Electrical Machines and Systems
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제3권1호
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pp.32-39
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2014
Traveling wave generation in a ring type stator has been studied. The basic working principle to create traveling wave has been modelled by the superposition of two orthogonal standing waves. Theoretical analysis shows that the length to radius ratio affects the frequency gap between two pseudo orthogonal modes used to create traveling wave. FEM simulation is then discussed and applied to validate the analytical model. At last, a possible optimal solution is reported with FEM verification.
This Paper describes for vibration characteristic analysis by mode variation of ring type ultrasonic motor. Design for piezoelectric ceramic and elastic body of stator was calculated by Atila using the finite element method(FEM) that considers the resonance frequency, vibration mode and coupling efficiency etc. The propriety of this paper was established through simulation and experiment results of ring type ultrasonic motor.
A piezoelectric ring type plate, which vibrates in flexural vibration mode, is used for the stator of ultrasonic motor. To design the stator adequately, the force factor of the stator should be estimated in advance. The theoretically calculated force factors for the flexural vibration mode are compared with the measured ones to obtain good agreement. In order to study how to control the force factor, the relation between the shape of the stator and force factor is also considered.
The USM uses friction between a mobile part (rotor) and a vibration part(stator), which is different from the principle of the conventional motor based on the interaction of electric and magnetic fields. In this thesis, a flat-type $L_1-B_8$ mode USM was designed and fabricated the characteristics of an ultrasonic vibration. The results of fabricated USM are as follows: (1) In case of ultrasonic motor with elastic-body of stainless, when applied voltage, frequency, pressing force of rotor were 50 [V], 27.9 [kHz], 1.5 [N], 5.0[mN m] respectively, the speed of revolution could be presented up to 0 [cm/s]. (2) In case of ultrasonic motor with elastic-body of brass, when applied voltage, frequency, pressing force of rotor were 50 [V], 21.4 [kHz], 1.5 [N], 1.4[mN m]respectively, the speed of rotor revolution was presented up to 0 [cm/s]. (3) The USM of elastic-body of stainless showing 1.17[%], somewhat low, in the maximum efficiency according to torque was superior to the USM of elastic-body of brass showing 0.34 [%]. The Flat-type $L_1-B_8$ mode USM had characteristics of typical drooping torque-speed, large torque and high speed, and operating in both directions by phase reversal.
In contrast to conventional electromagnetic motor, USM(Ultrasonic Motor), as piezoelectric ceramic applying ultrasonic mechanical vibration and as frictional-movement type motor, get rotational torque by elastic friction between stator and rotator, The USM, which is small motor without iron cores and coil as a simple structure, has little load weight, has character of high torque at low speed, and can apply a direct drive type without deceleration gear as low speed type. A response of USM from control input is satisfactory, and also generates much torque in low speed driving, and holding torque is much without supplying power. In this study, I designed and made Ultrasonic motor-digital multi controller(USM- DMC) using FPGA chip, A54SX72A made in Actel Corporation. By the minute, USM-DMC can control frequency, duty ratio, and phase difference of USM by llbit digital input from Pc. Therefore, when we use this controller, we can apply to typical parameter, frequency, phase difference, and voltage parameter, to control as well as we can do mixing control like phase-frequency, phase-voltage, frequency-voltage, frequency-phase-voltage, What is more, the strongest point is that it can trace frequency based on optimized frequency because we can input optimized resonant frequency while in motoring.
초음파 모터(ultrasonic motor : USM)는 압전 세라믹소자(piezoelectric ceramics)의 초음파 진동을 이용한 마찰 구동형 모터이다. 기존의 전자식 모터와는 달리 자기화로 즉 철심과 코일이 없는 단순 구조를 갖는 특수 소형 모터로서 저속 고토오크의 특성을 지니고 있으므로 다이랙트 드라이브 방식의 액츄에이터로 활용이 가능하다. 그리고 자장이 강한 특수 환경에서도 외란의 영향을 받지 않아도 산업계 전바에 걸쳐 제어용 모터로서 높이 평가받고 있다. 따라서 실용화를 위한 여러 가지 파라미터에 대한 특성 실험과 그에 따른 제어법 개발이 시급하다. 본 논문에서는 2상 입력 전원의 전압차 제어(voltags)를 제안한다. 먼저 전압차 제어에 의하여 이론적으로 고찰하고 초음파 모터의 구동원이 되는 고정자의 한 질점에서 발생하는 타원 궤적을 시뮬레이션을 통하여 알아봄으로써 초음파 모터의 속도와 토오크 특성을 예측하였다. 그리고 입력 전압워 전압차를 조절하여 초음파 모터의 속도와 토오트 특성을 실험하였다. 그 결과를 토대로 전압차 제어가 초음파 모터의 새로운 구동 방식이 될 수 있음을 밝혔다.
Recently, developments of device using characteristics of ceramics as a new technical material is in progress. While doing so, Ultrasonic motor which is a part of research & development of piezo-actuator by piezo-effects is being used in the various applications. So, we fabricated a flat-type $L_{1}-B_{8}$ mode Ultrasonic motor and measured the operation characteristics of its. The size of USM is 80*20*1.5[$mm^{3}$](length*width*thickness) and is constructed with stator by piezo-ceramics and stainless elastic body and rotator by bearings. As results of experiments, the fastest speed of revolution(v), the maximum torque(T) and the efficiency( $\eta$ ) were 37.5[cm/sec], 5.0[ $mN{\cdot}m$ ] and 1.17[%] respectively when 27.9[kHz], 150[gf], 50[V] were applied. So, we think this $flat-type_{1}-B_{8}$ mode Ultrasonic motor is able to be used for applications in forwarding device of a paper or electric card and so on.
In this study, ultrasonic rotary motors using a bolted langevin type ultrasonic vibrator were designed and fabricated. The stator vibrator has a longitudinal transducer section composed of two metal blocks and two piezoelectric ceramic elements (thickness-polarized) and a mode conversion metal block section called a torsion coupler. And, three kinds of motors were studied by finite element analysis and experiments. So, as material of torsion coupler which generate mode conversion of vibration copper, brass, and phosphor bronze were used. As a result, speed and torque were changed in proportion to the electrical input Voltage, but it was saturated in high voltage. And bad efficiency which was different from a expectation was measured in this motors. So, various problems should be improved for practical use. Finally, The motor which has 1 [cm] diameter was fabricated to present a possibility of miniaturization of this type motors.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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