Development of a Standing Wave Tube Rotary Ultrasonic Piezoelectric Motor for LiDAR Systems

Ultrasonic motors (USMs) are increasingly being developed for their potential to replace electromagnetic motors due to their high torque density, low power consumption, and their ability to be miniaturized. Ultrasonic motors have been used in different applications including autonomous vehicles, mobile robots, and autofocus systems in digital cameras. One potential application for USMs is LiDAR systems, which are key components in autonomous vehicles in the near future. This thesis presents a novel design of a compact standing-wave rotary USM based on a coupled axial-tangential mode, one power source, and a bulk piezoelectric actuator of a tube form. The excitation wave type and the actuator shape are the only two fixed parameters in this study. The other parameters investigated in this thesis are electrode configuration parameters, such as the number of electrodes, active electrode length, active electrode location, and applied voltage; geometrical parameters, such as tube height, wall thickness, and outer radius; drive-tip location, and stator-housing mounting. Both radially-polarized and axially-polarized piezoelectric PZT tubes are investigated in this thesis. A finite element model (FEM) is developed for the piezoelectric stator only and for a stator-rotor connection. Furthermore, the USM electric circuit model is studied based on an experimental assessment of the piezoelectric tube. In conclusion, the coupled axial-tangential mode can successfully be utilized for USM design, and can achieve no-load speeds up to 500 rpm. In addition, axially-polarized PZT tubes are capable of producing a symmetrical axial-tangential mode compared to the radially-polarized ones. To check the validity of the developed design and the FEM model, capacitance testing, impedance testing, and axial-displacement testing are conducted. The results show an agreement between both simulation and experimental results but with a noticeable error. Sources of error such as mechanical damping of the system are discussed and a power consumption analysis is presented. تشهد المحركات الفوق صوتية تطوراً ملحوظاً لإمكانية احلالهم محل المحركات الكهرومغناطيسية التقليدية، وذلك نتيجة لما تتحلى به هذه المحركات من مميزات مثل كثافة العزم العالية، الاستهلاك المنخفض للطاقة، و قدرتهم الفائقة على التصغير. تستخدم المحركات الفوق صوتية حالياً في المركبات الذاتية، الروبوتات المتحركة، وأنظمة التركيز البؤري التلقائي في الكاميرات الرقمية. أحد التطبيقات المحتملة للمحركات الفوق صوتية هو منظومات الكشف والاستشعار عن بعد الليزرية أو ما يسمى بمنظومات اللايدار. هذه المنظومات ستصبح جزءاً لا يتجزء في كل المركبات الذاتية في المستقبل القريب. هذه الأطروحة تقدم تصميماً جديداً لمحرك دوراني فوق صوتي مدمج يعمل بنظام الموجة القائمة ويعتمد على اهتزازات رأسية مماسية مقترنة، ومصدر كهربي واحد، وعضو ثابت على هيئة مشغل بيزوكهربي انبوبي الشكل. في هذا التصميم، نوع موجة الإثارة وهيئة المشغل هما العاملان الثابتان الوحيدان في هذه الدراسة. عوامل التصميم الأخرى التي تمت دراستها والتدقيق فيها في هذه الأطروحة تشمل عوامل هيئة الأقطاب الكهربائية، مثل: عدد الأقطاب الكهربائية، طول القطب الكهربائي النشط، موضع القطب الكهربائي، وقيمة الجهد الكهربي المطبق؛ والعوامل الهندسية، مثل: ارتفاع مشغل البيزو الانبوبي، وسمك جداره، ونصف قطره؛ والموضع الهندسي لنقاط القيادة؛ وطريقة تثبيت العضو الثابت مع جسم المحرك. تم دراسة أيضاً كلاً من مشغلات البيزو الانبوبية ذات الاستقطاب الرأسي والنصف قطري في هذه الأطروحة، وتم تطوير نموذج العناصر المجمع للعضو الثابت البيزوكهربي وأيضاً لتركيب العضوي الثابت والمتحرك في المحرك. بالإضافة إلى ذلك، تم دراسة نموذج الدائرة المكافئة الكهربية للمحرك الفوق صوتي بناءاً على الاختبار والتقييم المعملي لمشغل البيزوكهربي الانبوبي. في ختام هذه الأطروحة، تم عرض استنتجات البحث والدراسة وأهمها ما يلي: نجاح اعتماد الاهتزازت الرأسية المماسية المقترنة في تصميم المحرك فوق الصوتي مع إمكانية الوصول إلى سرعات تصل إلى ٥٠٠ لفة دورانية في الدقيقة الواحدة. أيضاً، ثبت أن مشغلات البيزوكهربية الانبوبية ذات الاستقطاب الرأسي أكثر قدرة وكفاءة في توليد الاهتزازات الرأسية المماسية المقترنة بشكل متماثل مقارنة بالمشغلات ذات الاستقطاب النصف قطري. للتأكد من فعالية التصميم وجودة النموذج المقترح، تم إجراء ثلاثة تجارب معملية وهم: اختبار السعة الكهربية واختبار المعاوقة الكهربية للمشغلات ذات الاستقطابين الرأسي والنصف قطري، بالإضافة إلى اختبار الإزاحة الرأسية للمشغل ذو الاستقطاب الرأسي. وقد أثبتت النتائج موافقة بين النتائج المعملية ونتائج المحاكاة لنموذج العناصر المجمع مع وجود نسبة خطأ ملحوظة. في النهاية تم تقديم ومناقشة بعض مصادر الخطأ بين النتائج مع بعض النقاط للأعمال المستقبلية.

Keywords: Actuators
ANSYS
LiDAR
Mechatronics
Piezoelectric
Ultrasonic motors
Advisor: Ben Mrad, Ridha