基于超声辐射力矩的非接触式微尺度旋转马达制造技术

本发明专利技术公布了一种基于超声辐射力矩的非接触式微尺度旋转马达系统。它由PXI总线结构的工控机、多通道参数程控可调超声信号发生卡、多通道高频线性功率放大器、多通道负载自动匹配器以及超声换能器组构成。工控机提供交互界面，允许用户设置马达系统的转速和负载。多通道参数程控可调超声信号发生卡与上位机相连，依据上位机命令产生相应的初始驱动电压信号。初始驱动电压信号经多通道高频线性功率放大器和多通道负载自动匹配器处理，直接驱动超声换能器组产生相应超声波信号，并经声波合成形成预期的超声辐射力及辐射力矩场。本发明专利技术提出了一种微尺度下的非接触式旋转马达，突破了以往基于材料特性的微型马达只能实现线性运动的缺陷。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公布了一种基于超声辐射力矩的非接触式微尺度旋转马达系统。它由PXI总线结构的工控机、多通道参数程控可调超声信号发生卡、多通道高频线性功率放大器、多通道负载自动匹配器以及超声换能器组构成。工控机提供交互界面，允许用户设置马达系统的转速和负载。多通道参数程控可调超声信号发生卡与上位机相连，依据上位机命令产生相应的初始驱动电压信号。初始驱动电压信号经多通道高频线性功率放大器和多通道负载自动匹配器处理，直接驱动超声换能器组产生相应超声波信号，并经声波合成形成预期的超声辐射力及辐射力矩场。本专利技术提出了一种微尺度下的非接触式旋转马达，突破了以往基于材料特性的微型马达只能实现线性运动的缺陷。【专利说明】基于超声辐射力矩的非接触式微尺度旋转马达
本专利技术涉及的是一套基于超声辐射力矩的非接触式微尺度旋转马达系统，具体地说，它涉及一种基于超声波声场合成技术，通过调整各路超声信号的幅值、相位，获得一个可旋转的超声辐射力及辐射力矩场，从而实现俘获在该辐射力及力矩场中的非球对称转子非接触式微尺度旋转的马达系统。
技术介绍
随着科学技术的快速发展，人类对微观世界进行探索的需求日益强烈。近些年，微观领域已经逐渐地成为了科学研究的热点。微机电系统作为更好地研究微观世界的重要工具，逐渐发展成前沿的研究热点。对于机电系统而言，驱动源是实现运动必不可少的部件。综观目前微机电系统的研究现状，所采用的驱动力源主要基于材料的磁致伸缩特性、压电效应特性以及热变形特性。如《超细型双向驱动型直线微电机》(专利申请号为200310108399)，《一种电热驱动微结构的制作方法》(专利申请号为201010149262)和《气冷温控型超磁致伸缩微位移驱动器》(专利申请号为200720110894)等都是基于材料物理特性研发的微型驱动器。《基于相控阵技术的多模式微驱动力源》(专利申请号200910099520.1)提出了一种基于超声辐射力的驱动力源。但是，所述微型驱动器实现的运动均为线性运动，无法直接实现旋转运动。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一套基于超声辐射力矩的非接触式微尺度旋转马达系统。本专利技术的技术问题通过以下的技术方案予以解决: 基于超声辐射力矩的非接触式微尺度旋转马达，由PXI总线结构的工控机、多通道参数程控可调超声信号发生卡、多通道高频线性功率放大器、多通道负载自动匹配器和超声换能器组构成，工控机通过PXI总线插槽与多通道参数程控可调超声信号发生卡相连，多通道参数程控可调超声信号发生卡与多通道高频线性功率放大器相连，多通道高频线性功率放大器与多通道负载自动匹配器相连，多通道负载自动匹配器与超声换能器组相连；多通道参数程控可调超声信号发生卡，依据旋转功能的需求，循环依次产生多组幅值变化的正弦电压信号。该正弦电压信号经多通道高频线性功率放大器后，放大为大功率正弦驱动电压信号，再经多通道负载自动匹配器做负载匹配后输入超声换能器组。超声换能器组产生一个无半径连续旋转的辐射力及力矩场，其产生的辐射力矩场也跟随旋转，并带动非球对称转子作同步旋转运动。本专利技术的有益效果主要表现在: 1.本专利技术基于超声辐射力矩，利用声波合成的原理合成预期的旋转辐射力及力矩场，带动非球对称转子旋转。超声辐射力及力矩场的势阱尺度与波长一致，故其俘获的转子尺寸也是微米级。2.本专利技术提出了一种微尺度下的非接触式旋转马达，突破了以往基于材料特性的微型马达只能实现线性运动的缺陷。3.非球对称转子的旋转是围绕其几何中心的无半径运动。4.本系统具有很好的扩展性，易于升级。5.本系统具备交互能力，用户可以通过上位机软件交互界面方便地调节马达旋转速度和负载能力。【专利附图】【附图说明】图1为一种基于超声辐射力矩的非接触式微尺度旋转马达系统的总体结构图。其中，I为PXI总线结构的工控机，2为六通道参数程控可调超声信号发生卡，3为六通道高频线性功率放大器，4为六通道负载自动匹配器，5-10为超声换能器组。图2为基于超声辐射力矩的非接触式微尺度旋转马达系统的基本原理。图3为多通道参数程控可调超声信号发生卡的结构图。其中，11为控制单元，12为存储器，13为通讯控制单元，14为触发控制单元，15为DDS单元，16为数模转换单元。【具体实施方式】以下结合附图对本专利技术作进一步说明。如图1所示，本专利技术的基于超声辐射力矩的非接触式微尺度旋转马达系统包括PXI总线结构的工控机1、六通道参数程控可调超声信号发生卡2、六通道高频线性功率放大器3、六通道负载自动匹配器4以及超声换能器组5、6、7、8、9、10。多通道参数程控可调超声信号发生卡安装于PXI机箱中，依据旋转功能的需求，循环依次产生多组幅值变化的正弦电压信号。该正弦电压信号经多通道高频线性功率放大器后，放大为大功率正弦驱动电压信号，再经多通道负载自动匹配器做负载匹配后输入各换能器。超声换能器组产生一个无半径连续旋转的辐射力及力矩场，其产生的辐射力矩场也跟随旋转，并带动非球对称转子作同步旋转运动。基于PXI总线的工控机:工控机作为系统的工控机，运行上位机软件，负责人机交互。用户可以通过上位机软件交互界面，设置非接触式微尺度旋转马达的旋转速度以及负载力矩大小。软件计算最优的驱动电压幅值以及模式切换频率，并通过PXI总线将相应声参数发送至多通道参数程控可调超声信号发生卡。多通道参数程控可调超声信号发生卡:多通道参数程控可调超声信号发生卡基于DDS技术，可以产生频率、幅值和相位等参数均程控可调的低能量初始正弦电压信号。该发生卡包含三大部分，即控制单元、DDS单元以及数模转换单元。其中，控制单元和DDS单元集成于同一片FPGA芯片上。控制单元包含通讯控制单元和触发控制单元。通讯控制单元基于ALTERA公司的PCI软核，承担与上位机的通讯任务，控制声参数命令的存储和读取，并将声参数命令转换为DDS单元可接收的参数。触发控制单元在对DDS单元配置参数完成后，触发DDS单元同时产生多路归一化幅值的离散正弦电压信号。DDS单元包含6个DDS模块，可以单独输出6路离散正弦电压信号和6路幅值控制信号。数模转换单元包含D/A转换电路和集成运放电路。D/A转换电路将DDS单元输出的离散正弦电压信号转换成模拟信号，幅值控制信号决定模拟电压信号的幅值。集成运放电路对正弦模拟电压信号作一级放大及平滑。多通道高频线性功率放大器:多通道高频线性功率放大器主要由PA19运算放大芯片及其外围电路组成，实现高频正弦电压信号的二级放大。多通道负载自动匹配器:多通道负载自动匹配器负责驱动电路和超声换能器之间的阻抗匹配，使得换能器工作在最佳状态，有效地提高电声转换效率。超声换能器组:超声换能器组由6个平面活塞换能器组成，呈周向对称分布，每两个换能器的声轴方向成60°夹角，所有换能器的声轴交汇于中心点。本专利技术采用多通道声波合成的原理，固定各路超声波的相位，依据矢量控制技术调整各路超声波信号的幅值，实现超声辐射力及力矩场的空间旋转，同时带动俘获于辐射力及力矩场中的转子跟随旋转。如附图1所示，6个超声换能器成等角度对称分布，每两个换能器的声轴夹角为60° ,所有声束交汇于中心点。根据施加的驱动电压信号初始相位不同，6个换能器被分成两组。第一组驱动电压信号(施加于换能器本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于超声辐射力矩的非接触式微尺度旋转马达，由PXI总线结构的工控机、多通道参数程控可调超声信号发生卡、多通道高频线性功率放大器、多通道负载自动匹配器和超声换能器组构成，其特征在于：工控机通过PXI总线插槽与多通道参数程控可调超声信号发生卡相连，多通道参数程控可调超声信号发生卡与多通道高频线性功率放大器相连，多通道高频线性功率放大器与多通道负载自动匹配器相连，多通道负载自动匹配器与超声换能器组相连；多通道参数程控可调超声信号发生卡，依据旋转功能的需求，循环依次产生多组幅值变化的正弦电压信号；该正弦电压信号经多通道高频线性功率放大器后，放大为大功率正弦驱动电压信号，再经多通道负载自动匹配器做负载匹配后输入超声换能器组；超声换能器组产生一个无半径连续旋转的辐射力及力矩场，其产生的辐射力矩场也跟随旋转，并带动非球对称转子作同步旋转运动。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孟坚鑫，杨克己，邓双，范宗尉，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33