超声波电机介绍及其应用_百度文库
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超声波电机介绍及其应用
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&&超声波电机
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超声波模块受电机干扰严重怎么办？
Arduino接四脚超声波模块测试正常，但接入电机驱动模块当直流电机开始运转的时候超声波模块返回的数据一点都不准了，跳动非常严重，有人遇到过同样的问题吗？是不是电机干扰了超声波模块，还是因为电源问题？
const int EchoPin = 2; //超声波信号输入
const int TrigPin = 3; //超声波控制信号输出
const int leftmotorpin1 = 4; // 直流电机信号输出
const int leftmotorpin2 = 5;
const int rightmotorpin1 = 6;
const int rightmotorpin2 = 7;
..........................
//测量距离 单位厘米
long MeasuringDistance() {
&&//pinMode(TrigPin, OUTPUT);
&&digitalWrite(TrigPin, LOW);
&&delayMicroseconds(2);
&&digitalWrite(TrigPin, HIGH);
&&delayMicroseconds(5);
&&digitalWrite(TrigPin, LOW);
&&//pinMode(EchoPin, INPUT);
&&duration = pulseIn(EchoPin, HIGH);
&&return duration / 29 / 2;
测试了下，电机驱动单独供电仍然干扰厉害，应该排除电源问题了。
电机也加了滤波电容还是不行，头大，不知道换个好一些的电机驱动模块会不会解决这个问题
超声波抗干扰这么差？
供电是怎样的供电方式？
如果是用电池供电，arduino与超声波模块，都是LDO降压供电的话，应该不会这么厉害。
如果没有经过LDO降压供电，电机驱动和超声波，arduino共用一个电源，中间完全无隔离的话，是很容易出现严重干扰。
我刚用arduino uno做了一个小车，是超声波避障的，电机和超声波的电源都是直接从uno上获得，没有出现这种情况啊。如果出现你这种情况，我建议你用万用表测试一下电机驱动部分的电路，看一看电机驱动部分是不是对ARDUINO产生了很大干扰。或者会不会是编程问题哦。本人纯性菜鸟，回复仅供参考，不对的话请指教或者直接无视！
弘毅 发表于
供电是怎样的供电方式？
如果是用电池供电，arduino与超声波模块，都是LDO降压供电的话，应该不会这么厉 ...
我在电脑上测试的，arduino、超声波模块使用电脑USB供电，电机驱动使用单独锂电池供电
电机驱动模块用的是很便宜的这种：
1.jpg (21.95 KB, 下载次数: 1)
14:17 上传
我在猜想可能是电机驱动模块太差的缘故，想换个带光耦隔离的L298N电机驱动模块试试，可是手头上还没有，只能现淘然后等快递，呵。
红外、超声波、电机驱动、舵机等每个模块我单独调试都没问题，原本以为安装完就OK了，谁知道这些模块在一起就不能好好配合，以前没玩过，第一次做小车还有很多要学习的地方呀～～
(48.87 KB, 下载次数: 2)
14:18 上传
プ汏坏疍 发表于
我刚用arduino uno做了一个小车，是超声波避障的，电机和超声波的电源都是直接从uno上获得，没有出现这种 ...
我也觉得是电机驱动模块的问题，不知道用万用表怎么测？
没有光耦隔离的电机驱动模块。。。。。好吧。。果断换掉
弘毅 发表于
没有光耦隔离的电机驱动模块。。。。。好吧。。果断换掉
呵。换～～
可惜那个电机驱动我还买了两个，浪费了。
relaxlife 发表于
呵。换～～
可惜那个电机驱动我还买了两个，浪费了。
买两个光耦回来。自己洞洞板改造~
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超声波电动机的工作原理
超声波电动机的工作原理
&一、逆压电效应简介& 压电效应是在1880年由法国的居里兄弟首先发现的。一般在电场作用下，可以引起电介质中带电粒子的相对运动而发生极化，但是某些电介质晶体也可以在纯机械应力作用下发生极化，并导致介质两端表面内出现极性相反的束缚电荷，其电荷密度与外力成正比。这种由于机械应力的作用而使晶体发生极化的现象，称为正压电效应；反之，将一块晶体置于外电场中，在电场的作用下，晶体内部正负电荷的重心会发生位移．这一极化位移又会导致晶体发生形变。这种由于外电场的作用而使晶体发生形变的现象，称为逆压电效应，也称为电致伸缩效应。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。&&& 超声波电动机就是利用逆压电效应进行工作的，图9 2所示为逆压电效应示意图，进一步说明了逆压电效应的作用。压电体的极化方向如图9-2中箭头所示．当在压电体的上、下表面施加正向电压．
&& 即在压电体表面形成上正、下负的电场时，压电体在长度方向便会伸张；反之，若在压电体上、下表面施加反向电场．则压电体在长度方向就会收缩。当对压电体施加交变电场时，在压电体中就会激发出某种模态的弹性振动。当外电场的交变频率与压电体的机械谐振频率一致时，压电体就进入机械谐振状态。成为压电振子。当振动频率在20kHz以上时，就属于超声振动。&&& 二、椭圆运动及其作用&&& 超声振动是超声波电动机工作的最基本条件，起驱动源的作用。但是．并不是任意超声振动都具有驱动作用，它必须具备一定的形态．即振动位移的轨迹是一椭圆时，才具有连续的定向驱动作用。&&& 图9-3所示质点的椭圆运动示意图，设定子(振子)在静止状态下与转子表面有一微小间隙．当定子产生超声振动时，其上的接触摩擦点(质点)A做周期运动．轨迹为一椭圆。当A点运动到椭圆的上半圆时，将与转子表面接触．并通过摩擦作用拨动转子旋转；当A点运动到椭圆的下半圆时，将与转子表面脱离，并反向回程。如果这种椭圆运动连续不断地进行下去．则对转子具有连续的定向拨动作用。从而使转子连续不断地旋转。因此，超声波电动机定子的任务就是采用合理的结构，通过各种振动的组合来形成椭圆运动。&&& 那么，怎样才能形成椭圆运动呢?设有两个空间相互垂直的振动位移ux和uy，均是由简谐振动形成，振动角频率为ω0，振幅分别为ξx和ξy，时间相位差为ψ即有&&& 从中消去时间t，则有
&&& 式(9-2)中,当ψ=nπ(n=0,±l，±2．…)时，两个位移为同向运动，合成轨迹为一条直线；当ψ≠nπ时，其轨迹为一椭圆，并且在ψ=nπ±π／2时为一规则椭圆。不同相位差时的椭圆形态如图9 -4所示。
&由此可见，相位差ψ的取值就决定了椭圆运动的旋转方向．当ψ&O时．椭圆运动为顺时针方向，当ψ&O时，椭圆运动为逆时针方向。由于椭圆运动的旋转方向决定了定子对转子的拨动方向，因此也就决定了超声波电动机的转子转向。& 三、行波的形成及特点& 上面讨论的是一个质点椭圆运动的作用。单靠一个质点的椭圆运动还不足以推动转子并驱动一定的负载，而应该依靠一系列质点的连续椭圆运动来推动转子旋转，也就是说这些质点需要进行行波眭质的运动。根据波动学理论，两路幅值相等、频率相同、时间和空问均相差π／2的两相驻波叠加后．将形成一个合成行波。&&& 如图9 5(a)所示，将极化方向相反的压电体依次粘结在弹性体上．当在压电体极化方向施加交变电压时，压电体在长度方向将产生交替伸缩形变，在一定的激振电压频率ω0下，弹性体上将产生如图9-5(b)所示的驻波．其数学表达式为
& 式中：χ为横向坐标；y为纵向坐标；ξ为驻波波幅：λ为驻波波长。
&&& 设在弹性体上同时存在两相驻波A和B，它们的频率同为ω0．波幅同为ξ．波长同为λ并且在时间和空间上均相差π／2，即
其合成为&& 这是一个频率为ω0、波幅为ξ、波长为λ的行波。&&& 在环形行波型超声波电动机中，定子上的压电陶瓷环是行波形成的核心，它的电极配置如图9—6所示，其中。＋”、－”表示极化方向。压电陶瓷片按照一定规律分割极化后分为A、B两相区，两相空间排列相差π／2(1／4波长)，并且分别施加在时间上也相差π／2的高频交流电(E1和E2)A、B两相分别在弹性体上激起驻波。两相驻波叠加后，将形成一个沿定子圆周方向的合成行波，推动转子旋转。&&& 压电陶瓷片的厚度决定了在一定电压下是否能够起振，如果压电陶瓷片太厚(大于1．5mm)，则在通常情况下不易起振；如果压电陶瓷片太薄(小于O．3mm)，则在高频谐振条件下，由于形变过大而容易发生断裂，并且加工难度也会增大。另外，压电陶瓷片的厚度对压电振子的固有谐振频率影响较大，通常取其厚度为0．5～0．8mm。&&& 由上可见．由两个驻波叠加而形成行波，这在机理上与电机学中的旋转磁场理论有诸多相似之处。由本书第四章知道，当在单相绕组中通人单相交流电流时产生的是脉振磁场，如果有两个匝数相同、空间互差90°电角度的绕组，当在其中通人幅值相等、时间相位互差90°的对称交流电流时，所产生的两个脉振磁场的合成就是一个圆形的旋转磁场，旋转磁场的转向取决于电流的相序。在这里．弹性体中的驻波与单相脉振磁场相对应．而合成行波与旋转磁场相对应。将超声波电动机的行波与交流电机的旋转磁场联系起来，有助于对行波型超声波电动机工作原理的理解。&&& 四、转子运动速度&&& 下面通过分析弹性体表面上任意一点的运动轨迹，来确定转子运动的速度。&&& 根据式(9-5)，在任意时刻f，弹性体表面上某点P的纵向振动位移为
&&&&&&& 设弹性体的厚度为H，则P点的横向振动位移为& &&& 由式(9 6)和式(9—7)，得& &&& 由此可见，弹性体表面上任意一点的运动轨迹为椭圆形，这种椭圆运动使得弹性体表面质点对转子产生连续的定向拨动作用．且转子的运动方向与行波方向相反，如图9-7所示(图9—7中小箭头表示弹性体表面质点的瞬时速度)。显然，如果改变激振电源的电压极性，便可以改变转子的运动方向。
根据式(9 7)，弹性体表面质点的横向运动速度为
&横向速度的最大值应出现在行波的波峰或波谷处。此时的表面质点没有纵向速度，耳．横向速度与行波方向相反(见图9-7)。若定、转子接触面之间没有滑动，则转子的运动速度与波峰处质点的横向速度相等，其值为&&& 式中：负号表示转子的运动方向与行波方向相反。&&& 实际上，定、转子接触面之间的滑动是难免的，因此超声波电动机转子的实际运动速度总是低于式(9-10)的值。&&& 设行波在定子弹性体中的传播速度为υ由行波的基本特性可知&& 这样，转子运动速度又可写为&&&&&&& 可见，在行波传播速度υ为恒值的情况下，改变激振电压的频率f0可以快速改变转速但存在一定的非线性。而改变激振电压的大小，即改变行波的振幅ξ，也可以改变转速。如果忽略压电体逆压电效应的非线性，则转速可以随激振电压做线性变化，这就是超声波电动机变压调速的特点。& 五、工作特性& 一般而言，超声波电动机的工作特性与电磁式直流伺服电动机类似，电动机的转速随着转矩的增大而下降，并且呈现一定的非线性。而超声波电动机的效率则与电磁式电机不同，最大效率出现在低速、大转矩区域，图9-8所示为超声波电动机的工作特性。
因此，超声波电动机非常适合低速运行。总体而言，超声波电动机的效率较低．这是它的一个缺点。目前。环形行波型超声波电动机的效率一般不超过50％。
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超声波电机的分类
有才橢躿洢
根据驱动电路的相数分类：　　驱动电路按相数分类可以分为单相、二相与三相.目前超声波电动机多采用两相输入.超声波电动机驱动的基本原理就是产生行波,两相驱动直接满足了产生行波的要求,原理简单,因此使用最为广泛.但相对单相驱动,其电路复杂,体积较大,难以微型化,同时为了提高电机的稳定性,还需有频率跟踪电路,进一步增加了驱动电路的复杂性.　　三相驱动的性能与两相驱动相仿,只是它的多相驱动类型类似于电磁电动机的多磁极配置关系,有一定的参考意义¨ .因此三相驱动的应用比较少见.　　单相驱动结构简单,有利于实现微型化.特别是基于自激振荡原理的单相驱动器,在压电振子共振频率漂移时,可以自动调节信号的频率,大大简化了驱动控制电路 .　　日本学者将此技术应用到手表中,分别制作出8 mm直径的振动闹钟和直径4．5 mm日历机芯.驱动电路为采用单相信号,仅包括两个电容、一个压电元件和一个放大电路,而通过改变接人驱动信号的电极即可改变电机转动的方向.需要指出的是基于自激振荡原理的单相驱动器对电机的特性有较高要求,电机导纳扫频曲线在共振点和反共振点之间相位突变要较明显,否则无法应用自激振荡.[编辑本段]根据采用恒压源或者恒流源分类：　　超声波电动机工作的原理是通过超声频段的交流电,激发附在定子上的两相压电陶瓷环产生振动,使定子发生较大机械变形并产生驱动力.因此,驱动器工作方式和超声工作频段的选择对电机的稳定性和系统效率等问题起着重要作用.作为能量传输的方法,无论是恒压源还是恒流源,它们的驱动效果应该是相近的,应该都能使定子较好的振动.超声波电动机驱动当前常采用恒压源方式且工作在定子共振频率附近.而近年来国内外学者研究表明,压电材料工作在反共振频率附近或采用恒流源 驱动具有驱动电流较小,发热较少,稳定性好,驱动效率高等优点.因此恒流源的驱动方式正在成为研究的热点.　　研究表明较小功率输出时,超声波电动机适宜工作在共振点(最大导纳)附近且采用恒压驱动方式；而较大功率输出时,超声波电动机适宜工作在反共振点(最小导纳)附近并采用恒流驱动方式.在实际的设计中,应按照设计要求合理选择驱动方式.
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