（机械设计及理论专业论文）超声电机的驱动技术及其实验平台的研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 f 【超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应使定子表面质点产生椭圆运动，通过定子 和转子之间的摩擦力驱动转子运动。这种新型的电机与传统电磁电机相比，具有响应 快、不受磁场影响、结构紧凑、低速、大扭矩、断电自锁等优点，因而，在微型机械、 机器人、精密仪器、家用电器、航天嚣、汽车等方面显示出广泛的应用前景。 随着超声电机技术的迅速的发展，对超声电机的驱动和控制技术的研究就非常必 电机的驱动电路、超声电机实验平台等一些关键技术进行了系统和深入的研究。本文 的主要的研究内容和成果综述如下： 1 综述了国内外超声电机及其驱动控制技术的发展概况。f 测定了行波型超声电 l 机驱动信号相位与转速的关系，对比了方波与正弦波驱动的不同，测试了温 度对超声电机驱动频率的影响等。) 一 2 阐述了各种超声电机驱动电路功率器件的特点，详细介绍了驱动电路主电路 的各种形式及其特点，详细阐述了超声电机用变压器的制作方法。 3 设计并制作了一台用2 2 0 v 交流电供电的超声电机驱动电源，并对其进行了 小型化设计该电源驱动本中心研制的超声电机工作稳定。 4 设计并制作了一台超声电机驱动信号发生器，该信号发生器提供两相正弦信 号的输出，信号频率、相位差均可调。该信号发生器工作稳定，在超声电机 的测试、控制中起到了重要的作用。 5 设计并制作了块基于d s p 的超声电机数据采集及处理卡，该卡可同时采集 4 路信号，最高采集速率为6 m h z 。对超声电机的测试与控制手段的提高有着 重要意义。 关键词超声电机驱动电路实验平台信号发生器数据采集卡 南京航空航天大学硕士学位论文 a b s t r a c t u t i l i z i n gt h es t a t o rs u r f a c ep a r t i c l ee l l i p t i c a lm o t i o ne x c i t e db yp i e z o c e m m i c s ，t h e u l t r a s o n i cm o t o ri sd r i v e n b yf r i c t i o nf o r c eb e t w e e n t h es t a t o ra n d r o t o r c o m p a r e d w i t ht h e c o n v e n t i o n a le l e c t r o m a g n e t i cm o t o r , t h eu l t r a s o n i cm o t o rp o s s e s s e df o l l o w i n gf e a t u r e s ： l l i g hs p e e dr e s p o n s e ，n oe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，c o m p a c t n e s si ns i z e ，h i 曲t o r q u ea t l o w s p e e d ，h i g hh o l d i n gt o r q u ew h e np o w e r i so f fa n ds oo n b e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r i s t i c s ， t h eu l t r a s o n i cm o t o rh a v eo b t a i n e ds o m ew i d e s p r e a d a p p l i c a t i o ni nm i c r o m e c h a n i s m ， r o b o t s ，p r e c i s ei n s t r u m e n t ，h o u s e e l e c t r i c a la p p l i a n c e ，s p a c e c r a f ta n da u t o m o b i l e w i t ht h er a p i dp r o g r e s so ft h eu l t r a s o n i cm o t o r t e c h n i q u e s ，i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c h o ns m a l l ，m g he f f i c i e n c yd r i v i n gc i r c u i ta n de x p e r i m e n t a ld e v i c e s ，w h i c hh a v eb e c o m ea h o t s p o ta th o m e a n da b r o a d t h i st h e s i ss y s t e m a t i c a l l ya n d d e e p l yr e s e a r c h e s0 1 1s o m ek e yt e c h n o l o g i e si nd r i v i n g a n d e x p e r i m e n t a ld e v i c eo f u l t r a s o n i cm o t o r t h em a i nw o r k a c c o m p l i s h e di ss u m m a r i z e d a sf o l l o w s ： 1 n 地r e l a t i o n s h i pb e t w e e np h a s ed i f f e r e n c e so fd r i v i n gs i g n a la n dr o t a t es p e e do f t r a v e l i n gw a v eu l t r a s o n i cm o t o ri sd e t e r m i n e d t h ed i f f e r e n tp e r f o r m a n c e so f t h e u l t r a s o n i cm o t o rw h e n d r i v i n gb ys i n u s o i d a lw a v ea n ds q u a r ew a v e a r ec o m p a r e d t h ee f f e c tt ot h ew o r k i n g f r e q u e n c yi n d u c e db yt e m p e r a t u r ei st e s t e d 2 n l e p e c u l i a r i t i e so f a l lk i n d so fd r i v e ra r es t u d i e d s e v e r a lk i n d so fm a i nc i r c u i to f t h ed r i v e ra n dt h e i rp e c u l i a r i t i e sa r ei n t r o d u c e d t h em e t h o do ft r a n s f o r m e rd e s i g n i ss t u d i e di nd e t a i l 3 a n e w t y p eo f d r i v e r i s m a d e w h i c h t a k e s i t s p o w e r f r o m2 2 0 v a c 4 at w o p h a s es i g n a lg e n e r a t o r f o rt h eu l t r a s o n i cm o t o ri sm a n u f a c t u r e d , t h ef r e q u e n c y a n d p h a s e d i f f e r e n c e so f w h i c hc a na l lb e a d j u s t e d 5 a6 m h z ，4c h a n n e l s ，1 2 b i t sd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gc a r db a s e dd s pi s m a n u f a c t u r e d k e yw o r d s u l t r a s o n i cm o t o r d r i v i n gp o w e re x p e r i m e a l tp l a t f o r m s i g n a l g e n e r a t o r d a t aa c q u i s i t i o nc a r d 【i 一一 塑塞堕至塾垂盔堂婴主堂焦堡塞 第一章绪论 1 1 超声电机的发展“：m ， 超声电机( u l t r a s o n i cm o t o r ) 是近二十年来出现的一种全新概念的新型驱动装 置。它利用压电材料的逆压电效应，通过弹性体的谐振作用把电能转换为定子的超声 振动，通过定子和动子之间的摩擦转换为动子的回转运动或直线运动。 在5 0 年代人们就已经认识了超声电机的基本原理，但由于当时材料的缺乏、技 术落后，实用化的超声电机没有得到实现。8 0 年代以来，随着材料科学、非线性动 力学和电力电子技术的发展，压电超声电机从理论到应用都有了长足的发展。并在 航空航天、微型机械、机器人、精密仪器仪表、伺服机构、医疗器械、办公自动化设 备等领域展示了广阔的前景。 最原始的超声电机出现在1 9 6 1 年，当时b u l o v aw a t c hl t d 公司首次利用弹性体 振动，来驱动钟表齿轮，工作频率为3 6 0 h z 。这种钟表走时准确，每月的误差只有一 分钟，打破了那个时代的纪录，引起了轰动。大约1 0 年以后，人们利用压电效应制 造出直线驱动装置和步进电机，并于1 9 7 0 1 9 7 2 年，由s i e m e n s 公司和m a t s u s h i t a 电 子工业公司研制出具有实际应用前景的压电超声电机。但由于压电材料在几十千赫兹 甚至更高的驱动频率下工作，振动件( 也称振子) 的振幅太小，不能获得大扭矩，因 此没有得到推广应用。1 9 7 3 年。i b m 公司的h v tb a r t h 提出了利用超声振动来设计、 制造电机。它用压电元件使一种具有牛角尖型结构产生振动，通过结构与转子表面接 触、摩擦来驱使转子运动。可惜的是，它也没有得到实际应用。与此同时，前苏联的 v v l a v r i n e n k o 等人研究了几种相同原理的超声电机，并指出了压电超声电机结构简 单、成本低、低速大扭矩、单位体积能量密度大、运动精确、能量转换效率高等特性。 1 9 7 8 年，前苏联v a s i l i c v 成功地构造了一种能够驱动较大负载能力的压电超声电机， 这种电机使用由在两个金属块之间的压电元件所组成的超声换能器，将该换能器激振 与转子接触的振动片的纵向振动，通过此振动片与转子间的摩擦来驱动转子转动。这 种结构的优点在于不仅能降低共振频率，而且能放大振幅。遗憾的是，这种电机在运 转条件下，由于温度的升高、摩擦及磨损等原因，很难保持振动片的恒幅振动，或许 是由于复杂的结构而未达到预期的目的，至今未见其实际应用的报到。日本的t s a s h i d a 在v a s i l i e v 的研究基础上，于1 9 8 0 年提出并成功地制造了驻波型压电超声电 机。该电机使用1 a n g e v i n 激振器，驱动频率为2 7 8 k h z ，电输入功率为9 0 w ，机械 超声电机的驱动技术及其实验平台的研究 输出功率为5 0 w ，输出扭矩为0 2 5 n m 。可以说，s a s h i d a 研制的这个压电超声电机， 在性能上是第一次能够满足实际使用的要求，但由于振动片与转予的接触是固定在一 个位置上，仍存在着接触表面上摩擦和磨损很严重的问题。为了解决这个问题，接着 s a s h i d a 又于1 9 8 2 年提出并制造了另一台压电超声电机一行波型压电超声电机，实现 了由驻波定点、定期推动转子变换成由行波连续不断地推动转子，大大地降低了定子 与转子接触面上的摩擦和磨损。这种电机能够运转的实质就是定子表面的质点形成了 椭圆运动。之后，在日本掀起了利用各种振动模态的研究热潮，如利用纵向、弯曲、 扭转等振动来获得椭圆运动。这种电机的研究成功，为压电超声电机走向实用阶段开 辟了道路。1 9 8 7 年，这种行波超声电机终于达到了商业应用，此后许多压电超声电 机新产品不断地研制出来并推向市场。到了8 0 年代中期日本已形成三个系统的超声 电机：即日立马克赛尔公司的熊田先生设计的驻波扭转耦合器系统；松下电器公司的 行波系统和新生公司左七田先生设计的弯曲波模态系统。到了8 0 年代末9 0 年代初， 西方先进的国家如美国、德国等也都有超声电机研究的报道。进入9 0 年代以后，有 关压电超声电机的研究已趋向多元化，即大型和微型电机。目前大型超声电机的扭矩 已达4 0 0 n m 而微型超声电机的直径仅为2 m m 。 超声电机是一个机电耦合系统，它涉及到振动学、摩擦学、波动理论、材料科学、 计算科学、电力电子技术、自动控制技术和实验技术等，是一项跨学科的高新技术。 目前，日本处于超声电机技术的世界领先地位，它拥有大部分的压电超声电机的专利。 晟近几年，美国和西欧各国也正掀起压电超声电机的研究热潮。尤其是美国，已有一 批公司和大学从事超声电机的研究，m 1 t ( 麻省理工学院) 的航空航天学院空间工程 研究中心可电子科学系的人工智能研究中心都在从事这方面的研究。美国 p e n n s y l v a n i a 州立大学在1 9 9 4 , - - 1 9 9 8 年投资上亿美元从事超声电机的开发。 我国是在二十世纪八十年代中后期开始研究压电超声电机。从九十年代初期开 始，在国内一些高校和科研所中，如南京航空航天大学、清华大学、浙江大学、哈尔 滨工业大学、吉林工业大学、东南大学、华中理工大学等，逐步开展了压电超声电机 的研究。包括对压电超声电机的运动机理、控制方法以及原形样机的研制和试验。随 着我国对压电超声电机的研究的不断深入，也研制出一些性能较好的压电超声电机， 已经接近商业应用的水平。但和国际水平，特别是和日本相比，还有不少差距，尚需 努力。 1 2 超声电机的特点及应用m ” 1 2 1 超声电机的特点 与传统的电磁式电机相比，超声电机有许多特点 2 一 堕室塾皇堕垂奎堂堡主堂垡笙塞 ( 1 ) 不受磁场的影响 因为压电超声电机不用磁性材料和线圈，所以它不受磁场的影响并且也不产生电 磁波。 ( 2 ) 低速、大力矩和无噪声 超声电机结构简单紧凑，其功率密度为电磁型电机的1 0 倍左右。电机低速、大 力矩，无需减速机构，可直接驱动负载。另外，由于超声电机工作在超声频域，人耳 听不到，所以没有噪声是超声电机的一大优点。 ( 3 ) 响应快 超声电机从启动到稳定运行或从运行到停止都仅需要几毫秒到几十毫秒。这就使 超声电机的速度和位置很容易控制。 ( 4 ) 结构简单而且灵活 超声电机结构很简单，只需要几个零件。而且超声电机可以做成各种形状，如空 心的和球形的等等。 ( 5 ) 良好的断电自锁能力 由于超声电机动子和定子之间有很大的摩擦力，超声电机在断电后能够保持自锁 状态。 1 2 2 超声电机的应用 正是由于上述的种种特点，超声电机已成为国内外近几年在微型机械和电机工程 方面的前沿研究热点之一。在照相机、医疗、汽车、机器人、航空、航天以及计算机 外设等领域都有成功的应用。 c a n o n 公司研制照相机自动调焦装置是压电超声电机应用最成功的典型例子之 一，它充分利用了压电超声电机的特点。m i t 的人工智能中心已研制出直径仅为2 m m 的超声电机构成的行走机器人，日本s c i k o 公司也已研制出的超声电机用于手表的驱 动或报警。另外超声电机还成功地应用在x y 绘图仪、光盘、轿车座椅等的驱动装 置。 据日本新生工业公司的统计，到现在为止日本已生产的超声电机产品：用于照 相机等光学设备的达5 0 0 万台，用于轿车中座椅等的达2 0 万台，用于手表等精密装 置的达3 0 万台。 1 3 超声电机的常见结构 由于压电超声电机结构简单、形式多样，人们已经研制出了各种各样的压电超 声电机，如环型或盘型、直线型、弯扭耦台型、纵扭复合型、非接触型及自校正型等。 3 - 超声电机的驱动技术及其实验平台的研究 详细情况可参见本中心魏守水博士等的论文。 1 4 超声电机控制技术的发展【， 超声电机的控制具有很强的非线性。超声电机利用摩擦驱动。定转子之间滑动率 很难完全确定，而且其定子谐振频率又会随温度的变化而变化，同时由于压力和摩擦 驱动转矩沿定子环的分布性，超声电机本身具有复杂的非线性。随着驱动条件的变化 ( 温度、负载转矩、控制输入的变化) 。超声电机的特性也会发生变化。其次，由于 超声电机的基本结构及工作原理完全不同于传统的电磁电机，理论上的动态及静态数 学建模非常困难，目前还没有基于超声电机传递函数的同时表示超声电机动静态性能 的数学模型，因而传统的控制策略在超声电机控制上遇到了挑战。另外，因为摩擦特 性的不稳定，超声电机很难像电磁步进电机那样可以在开环状态下受脉冲序列所控 制，而只能采用闭环控制。在对位置、速度、力矩有要求时则更要求采用闭环控制方 式。以下是进入9 0 年代后日本在超声电机定位及速度跟踪控制方面研究的概况。1 9 8 6 年日本学者t h a t s u z a w a 系统的研究了环形行波型超声电机的速度控制特性，得到了 超声电机速度与驱动电压、驱动频率、相位差及正反转切换频率之间的关系。1 9 8 9 年，日本的k t a k a h a s h i 设计了具有温度补偿特性的电路。1 9 9 0 年y j i s l z u n o 等人实 现了超声电机的负载自适应跟踪控制的两相谐振逆变器，次年实现了基于模糊推理的 高性能速度、位置控制策略。1 9 9 4 年分别进行了使用软件变增益p i 控制器和改进模 糊控制器的超声电机驱动伺服系统的定位控制的研究。1 9 9 0 年y o s h i mt o m i k a w a 的 研究小组开始进行了消除超声电机残余振动及避免超声电机金属噪声的驱动脉冲串 波形的研究。1 9 9 1 年，a k a t o 等人实现了环形行波型超声电机的柔顺控制，并于2 年后实现了超声电机直接驱动机械臂的柔顺控制。同年日本的s m o r i m o t o 等人第一 次把锁相稳速原理用于超声电机的控制，并申请了美国专利。1 9 9 4 年t s e n j y u 等人 实现了自适应控制下的超声电机自适应速度控制，1 9 9 5 年实现了同时控制频率及相 位差的双模控制的超声电机精密定位控制，1 9 9 6 年实现了应用混合控制的精密快速 的超声电机定位控制，并进行了应用神经元网络技术进行超声电机位置控制的研究。 1 9 9 4 年，s a o a g n 等人应用相移输入及电压输入与一个模糊控制器，实现了超声电机 的快速精密定位控制。1 9 9 5 年，k m a k o t o 等人通过双自由度的p w m 控制，实现了 动态控制超声电机的自锁特性。1 9 9 5 年，t k a m a n o 等人实现了超声电机定位系统的 前馈控制。 综合以上日本学者的研究情况，可以了解到目前超声电机控制技术研究的一些特 点及结果。 对于行波型超声电机，在直接驱动控制系统中，控制变量的选择一般选用相位差 南京航空航天大学硕士学位论文 或者驱动频率作为控制变量。在精密快速定位及速度跟踪控制时，常常将二者都选作 控制变量，通过定的控制策略进行实际的控制应用。 超声电机伺服控制系统一般由商业化的超声电机、机械负载、高频斩波器、两 相高频( 使用串联压电负载谐振参数) 谐振逆变器、脉冲编码器、信号处理接口和控 制器。其中控制器决定对控制变量的选取。而如何控制，则根据不同的控制策略而有 所不同。 1 5 本论文的研究内容安排 本论文主要研究超声电机的驱动技术，研制高效率的驱动电源。同时设计适合超 声电机研究需要的高性能实验平台，为测试超声电机的性能，研究超声电机的控制技 术，设计良好的超声电机控制器作出贡献。 第一部分( 第一章、第二章) 总结目前超声电机的驱动及控制技术，论述超声电机的驱动和控制机理。 第二部分( 第三章) 测定了行波型电机在正弦波和方波驱动下的不同表现，介绍了各种驱动电路功率 器件及其驱动电路，阐述了超声电机驱动电源主电路的各种形式及其特点，详述了超 声电机用高频变压器的设计制作方法，设计并制作了一台2 2 0 伏交流供电的驱动电 源。 第三部分( 第四章) 设计并制作了一台两相正弦信号发生器，其频率、相位差均可调，并分析了信号 发生器的性能。以此信号发生器为基础，初步构成了超声电机综合实验平台，利用该 实验台畏4 试了本中心研制的行波超声电机速度与驱动信号相位的关系。设计并研制了 一台超声电机用数据采集及处理卡，迸一步完成超声电机实验平台的研制。 第四部分( 第五章) 对本论文内容进行总结，并展望超声电机驱动控制技术及实验研究的发展方向。 塑! 苎皇塑塑矍垫垫查墨茎塞墼兰鱼塑堑塞 第二章超声电机的驱动及其调速机理 2 1 压电振子的电学等效模型r ： 把交变电场加到压电陶瓷上，压电陶瓷将产生逆压电效应在陶瓷内激发出弹性 波。当外加电场的频率与弹性波在压电陶瓷内传播的振动固有频率一致时，压电陶瓷 进入机械谐振状态，成为压电振子。 图2 1 压电振子的等效电路 压电振子可用图2 一l 所示的等效电路来表示，其中右边支路表示压电效应部分， 该支路用电场能和磁场能的相互转换模型反映了压电振子中通过正、逆压电效应所产 生的电场能与弹性8 b 之间的相互转换。 在该等效电路中，o 表示压电振子的静态电容；r 。表示介电损失，在超声电机 应用的频率范围可忽略；c 。为等效电容，q = a 2 k ，a 为力系数，x 为压电陶瓷 的弹簧常数；工，为等效电感，表示了振子质量m 的影响，l ，= m a 2 ，r o 表示机械 阻尼。 一 亘室墼窒塾墨查堂堡主堂垡堡壅 2 2 超声电机的驱动原理 行波型超声马达是依靠弹性体内行坡，通过定转子之间的摩擦而获得转动力矩 的新型马达，是对电磁马达能量传输形式的一种突破。为了从本质上理解超声马达的 运动机理。就必须分析行波的形成，知道了行波形成的原理，行波电机所需的驱动信 号就显而易见了。 设有两个振幅相同的驻波a 、b 在时间上和空间上分别相差9 0 0 ，其方程分别 为 2 玎 n 2 8 i n 丁川i i l ( 2 一1 ) 2 z y 日2 8 0 。0 5 了工啪8 在弹性体中，这两个驻波的合成为 r 2 z2 z y2 儿q 一引。l 8 m 了x - s i l l ) 0 1 + c o s 了”姐 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 2 e 0 c o s l 百卜 在圆环型弹性体中，产生两个时间和空间上相差9 0 0 的驻波可以有以下几种方法。 ( 1 ) 将圆环展成一根梁，如图2 - 2 ( a ) 所示，将两片压电陶瓷和弹性体粘 接在一起，两个压电陶瓷的电极在空间上相互错开必。在两片压电陶瓷上施加相 位差为9 0 0 的交流电压，这样两个驻波合成为行波。图中压电陶瓷号表示极化方 向，压电陶瓷的变形和图2 - 2 ( a ) 、( b ) 中方向相同： ( 2 )如图2 - 2 ( b ) 所示，在一片压电陶瓷上借助于极化方法的不同将压电 陶瓷分成两个部分，两部分在空间上相差。在两部分分别施加时间上相差9 0 0 的交流电压，这样两个部分分别产生的驻波同样可以叠加成行波； 塑苎皇i ! 堕矍垫垫查墨基塞堕! 鱼塑堕塞 ( a ) ( b ) ( c ) s m u t 弹性体 压电陶瓷 s l u c o o t 图2 - 2 产生行波的结构原理 性体 电陶瓷 c o s c o o t c o s c o o t 行波的前进方向+ 图2 - 3 弹性体中的行波 8 南京航空航天大学硕士学位论文 在一片压电陶瓷上还可以将压电陶瓷按图2 - 2 ( c ) 所示的方式极化、接线，也可 以形成时间上和空间上分别相差9 0 0 的驻波信号，从而在弹性体的表面形成行波。 从以上的分析可以看出，驱动行波型超声电机所需的信号为两相相位差为9 0o 的 正弦信号，并且该信号要有一定的幅度和功率，能够激发出压电振子的共振。 2 3 行波超声电机的调速机理 在很多应用场合，我们都需要能够调节电机的转速，所以，研究超声电机的调速 机理及方法，有着重要的意义。不仅如此，当超声电机在持续运转的时候，由于摩擦 等原因会发热，导致电机温度上升，电机阻抗特性改变，电机转速明显下降，这是我 们不希望的，需要实时调节转速，使之恢复到原来的状态。 本文用本中心研制的4 5 型行波超声电机，在本文研制的实验台上( 见第四章) 做 了如下实验，图2 4 为实验框图，实验过程为，首先让电机在某一频率持续运转，在 运转过程中测试电机转速及一相驱动信号的电压与电流相位差，此相位差用一数字示 波器测得，相位差可以体现出电机在温度升高过程中其阻抗的变化，随着电机运转的 持续，电机不断发热，转速下降。最后调节驱动频率，使电机恢复到一开始的转速， 测出此时的相位差。 图2 4 实验框图 超声电机的驱动技术及其实验平台的研究 实验结果如表2 一l 所示，随着电机工作时间的延长，电机温度的上升，相位变大， 即电机阻抗变化，当最后调节电机频率使电机恢复到原来的转速时，相位也基本恢复 到原来的值，电机又回到一开始的工作点。从这个实验可以看出，随着电机温度的升 高，转速变化是相当大的，必须要进行调速。同时我们也可以通过检测驱动信号的电 压和电流相位，作为反馈信号控制驱动电源，进行频率跟踪。 表2 1 电机连续工作实验结果 温度冷温热热热 频率( k h z ) 4 4 44 4 44 4 44 4 i 5 转速( r m ) 1 1 71 0 09 01 1 6 相位( 度) 7 0 3 47 3 5 37 6 7 36 9 3 0 2 3 1 调频调速 图2 5 压电振子典型导纳图 图2 5 为压电振子的典型导纳图，图中f m 和f n 分别为谐振频率和反谐振频率， 在谐振频率点，流过振子的电流最大，振子呈现的阻抗最小，机械振动振幅最大，电 机转速很高。当驱动频率向反谐振点变化时，电流逐渐变小，机械振幅也变小，电机 1 0 查塞塾窒塾墨奎堂堡主堂壁堡奎： 转速下降。可见改变驱动电源的频率，可以直接影响电机的转速，且响应很快，所以 调频调速是目前最常用的调速方法。当然这种调速方法存在一定的非线性。 2 3 2 调压调速 为了进一步分析行波如何推动其上移动体的运动，分析一下弹性体表面质点的运 动。如图2 - 3 所示，设弹性体的厚度为_ j l ，行波波长为兄，挠曲行波振幅为y o , 角频 率为吐b ，则行波方程可表示为 y ；n 降吲 ( 2 4 ) 现设弹性体表面的任一点为p ，未挠曲时的位置为p o ，则p 0 到p 在y 方向的位 移v 为 。= 讪降吲 _ 1 - c o s 8 ， 沼， 由于行波振幅岛要比行波的波长五小得多，所以挠角醍非常小的值，则y 方向 的位移s 近似于 铲喇n ( 等工吲) 而从p o 到p 的并向位移矗为 ，= 一生s i n 口一生目 。 22 因为挠角阿以用下式表示 则j 向位移最可近似为 口= 五d y 一_ _ c 0 2 石s 隆吲 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 塑要皇坐堕翌垫垫查墨基塞墅鱼堕婴塞 一确i - c o s 阵石吲 一确 【了卜叫 因此，y 方向的位移昂和z 向位移最的关系为 盼 彘 2 = 1 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 由( 2 一l o ) 式可以看出弹性体表面上任意一点p 点的位移是按照椭圆轨迹运动的。 由于这种运动，弹性体表面质点会对移动体产生一种驱动力，并且移动体的运动方向 与行波方向相反，如图2 3 所示。从质点的椭圆轨迹方程( 2 1 0 ) 可见：当压电陶瓷 的激励信号在时间和空间上相差9 0 0 ，并且两相驻波的波幅相等时，在定子中质点的 椭圆运动，长短轴之比为霉。假设，五：4 0 埘m ，h ：2 m m ，则长短轴之比为o 1 5 7 。 当y 向振幅e 0 = lz a n 时，工向振幅= 0 1 5 7 ，删，即定子的每一个椭圆运动将使转子 移动0 1 5 7 p m ，时间为驱动频率的周期。由此可以预言：考虑马达的启动时间等因 素，超声马达的理想步进精度达到1 j 删是比较困难的。 由于横向运动速度可以表示为 v = 鲁一删舸i h 如隆吲 ( 2 一1 1 ) 因为该速度v 在与移动体接触的挠曲顶点时为最大，当移动体和弹性体之间无滑 动时，其最大速度为 v o2 一, t 。 e 0 0 e 0 i( 2 1 2 ) 式中，负号表示移动体朝行波前进相反的方向运动。由式( 2 1 1 ) 可以发现在某一时刻 弹性体表面各点的z 向运动速度的大小呈正弦分布。 上面椭圆运动的分析是在理想状态下进行的，即定子中两相驻波的振幅相等、相 位差为9 0 。的情况下合成。下面分别讨论两相振幅不同或相位差不是9 0 0 的行波情况。 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 设行波在定子中的传播速度为常数，由2 1 2 得 h = 一2 刀2 靠岛拿 尤 ( 2 1 3 ) 其中而是马达的激振频率，调节激振频率可以调节马达的转速，但有非线性。从上式 可以看出，在保持两相驻波等幅的前提下，改变驻波的振幅s 。，即调节压电陶瓷的 激振电压，着忽略压电陶瓷的应变随激励电压的非线性，可以做到线性调速，这是调 压调速的一大优点。 2 3 3 调相调速 当两相信号相位差不为9 0 。时，设定子中两相驻波的相位差为，这时的行波方程 为 y ：s 。s i n 三罢工g i n o x + 占o c o s _ 2 r 工s i n ( 埘+ 妒) ( 2 t 4 ) y 2 8 m 百了m 埘+ 妒) 2 定子表面质点在z 方向的位移h 为 ，：一要罢：一譬如 c o s 竿圳i n o j r s i n 莩圳m + 妒) (215)y ，一i 言一了钿了”8 1 n _ 8n 了”8 m + 删 忆一 速度为 v ；：一华 c o s 了2 x z c o s 甜一s l n 车z c 。s ( 耐+ 庐) 】 ( 2 1 6 ) 5 2 aa 、 在波峰，有孚：o ，则 出 c o s 婴i n 出t - s i n 孥z s i n ( o x + 庐) 】：o ( 2 1 7 ) 8 了1n 了” + 删。 “一 由此得 c o s 丝z ：； ! ! 呈丝兰! ! r = 。；= = = = = = = = j = = = = ；= = = = = 一 五 s i n 2o j r + s i n 2 ( 国r + 庐) 2 t r s i n 耐 s l n 一工= = = = = = = = ；= = = = = = 一 a s i n 2 耐+ s i n 2 ( 耐+ 妒) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 韭坠垦! 堕矍垫堇查墨苎塞墼兰鱼塑堑窒 所以，波峰处的z 向速度为 ( 2 - 2 0 ) 由上式可见，定子上质点的运动速度是两相驻波相位差的函数，因此，在固定激 励电压和频率的情况下，调节两相激励电压的相位差也可以调节马达的转速。但这种 方法也有非线性调节的问题。 从以上的分析中，我们可以得到行波型超声电机的调速方法，即调驱动信号的频 率，驱动信号的电压，以及驱动信号的相位差。 2 4 本章小结 阐述了压电振子的等效电路，分析了行波型超声电机的驱动机理，以此为依据， 在本文第三章中，对超声电机的驱动电源进行了一些研究；阐述了电机调速的意义并 分析了各种调速方式的原理。为了从实验中验证各种调速原理并测试各种方法的实际 效果，我们就需要有一台能够同时实现调频，调相，调压的实验装置，本文就这方面 做了一部分工作。 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章行波型超声电机的驱动器研究 3 1 超声电机的驱动信号 3 1 1 概述 超声电机的驱动信号与超声电机本身的工作原理紧密关联。对应各种不同的超声 电机可能有不同的驱动信号。有些电机采用单相信号驱动，有些采用两相相差9 0 度 的信号驱动，还有的采用4 相相位两两间隔9 0 度的信号，等等。当然，这些信号有 一定的共同点，最好是采用正弦波，在过去我们为了方便起见，常采用方波来驱动电 机，其优点是电路实现简单，而要产生可调频率的多相正弦波则较为麻烦。方波驱动 电机的晟大缺点是电机效率低，损耗严重。以下本文采用本中心研制的4 5 型行波超 声电机做了一个对比实验，分别用两相正弦波和两相方波驱动它。实验结果如表3 1 所示。 表3 1 方波和正弦波驱动对比 电机转速驱动电压电流 发热情况 ( 转每分钟)v p p ( v )有效值( m a ) 方波 1 1 21 5 05 0 0严重 正弦波 1 1 l2 0 08 0不明显 可见在达到相同的转速下，方波的有效驱动电压，即基频分量电压为1 9 1 v ，与 正弦电压大致相同，而方波驱动时，其谐波信号的能量损失严重，导致电机电流很大， 发热严重。因此晟好采用正弦波驱动，这就是经常在电机与驱动电路间加一个匹配电 感的原因，此电感可以与容性的电机谐振，产生正弦波。 3 2 超声电机驱动主电路的各种形式及其特点m 删 3 2 1 概述 超声电机驱动主电路指驱动电源中将信号发生器产生的低压高频信号转换为高 压高频的功率信号的电路。驱动主电路有多种形式，分为线性放大器和非线性放大器 一1 5 - 超声电机的驱动技术及其实验平台的研究 两大类。线性放大器通常工作在甲类或乙类。非线性放大器通常工作在丙类，丁类工 作状态，甚至工作在开关状态。 主电路的研制主要包括功率器件的选择和主电路形式的选择。下面分别就这些问 题展开讨论。 3 2 2 功率器件及其驱动电路 由于功放主电路的主要组成部分是功率器件，他们对功率放大器的性能起着决定 性的作用。所以，对功率器件的基本了解是有必要的。目前应用较多的功率器件有双 极型晶体管( b i t ) 、金属氧化物功率场效应管( m o s f e t ) 、隔离栅双极型晶体管( i g b t ) 、 可控硅管( s c r ) 等。 3 2 2 1 双极型功率晶体管 双极型功率晶体管有n p n 管和p n p 管之分其基本符号和电压极性如图3 1 所示 b ；p n b p n p n p np n p v c e v b e 图3 1晶体管符号和电压极性 晶体管按材料分可分为硅管和锗管，由于功率电路中的晶体管一般要承受较高的 电压和电流，所以较多的采用硅n p n 管，且电源用的功率晶体管一般都工作在开关状 态。 一、晶体管的开关过程 晶体管并非理想的开关元件。它从断态变为通态时有开通过程需要一定时问： 在通态变为断态时有关断过程，也需要时间。通态时通过的电流由外接负载所限定， 管本身有饱和压降。、断态时发射结和集电结在反偏状态，集、射极在高电压有穿 透电流，。一般要求，饱和压降k 。要小，穿透电流0 。要小。过渡的过程，用图 3 2 所标的几个时间段来标志。 1 晶体管开关时间的定义 在图3 2 中给出了n p n 型晶体管驱动负载时的开通与关断的波形。计有基极 南京航空航天大学硕士学位论文 脉冲电流j 。，基极一发射极和集电极一发射极电压波形，波形中关于时间的定义如下： ( 1 ) 延迟时间从有基极驱动电流开始到比降到其初始值9 0 之间的时 间间隔。 ( 2 ) 管压降下降时间r ，一吃从其初始值的9 0 降到1 0 的时间间隔。 ( 3 ) 存储时间t 。一从基极电流，。：反向时刻开始到吃为其关断终止值的1 0 的时间间隔。 ( 4 ) 管压降上升时间，一从其关断值的1 0 上升到9 0 之间的时间间隔。 常把0 + r ，称为开通时间，f m + r 称为关断时间。 h i ih l 1 m 一 ， t vh 口s 、 、 一 t e 十一 td t f _ i _+ ， 、 f 6 l l 一 旦型+ t t 图3 2 双极型晶体管开通关断的波形及时间定义图 2 晶体管的损耗 ( 1 ) 截止时的损耗。 p 疆= l j 毒堪| 1 ( 2 ) 导通时的损耗 p 。= l ：v 。，。| t ( 3 1 ) ( 3 2 ) 超声电机的驱动技术及其实验平台的研究 ( 3 ) 开通过程的损耗p 上升电流按线性近似方程 i 。= ，。，上( 略去，。值) r 端压下降 。e 一( k t “) p = j 7 。出= l l c ( v ( + 2 ) r ， ( 4 ) 关断过程的损耗只 电流下降方程o = ( 1 一) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 端压上升= k + ( k ，一吃) ( 3 - - 7 ) f ， o = 亭1 7 0 吃，斫2 吉，c ( k - + 2 v , 。) f ， ( 3 8 ) 开关工作一次的损耗为上述四项损耗之和。 由上可知，晶体管作为开关应用，不但要求具有开关作用，而且要求具有良好的 开关性能，这应该具备以下几个条件： ( 1 ) 晶体管导通的饱和压降k ，要小； ( 2 ) 晶体管截止时的反向漏电流，。要小； ( 3 ) 开关转换时间，即开启、关断时间要短： ( 4 ) 驱动功率管的驱动电路功率要小。 二、基极驱动电路 在设计电子功率开关电路中常遇到的一个问题是如何有效地关断功率晶体管 开关，为了保证功率开关电路的有效和可靠地工作，晶体管必须在它应该关断的时候 迅速关断，并在整个关断期间。维持关。功率晶体管关闭存储时间和下降时间，是限 制工作频率提高的主要因素下降时间的开关损耗是管子的主要损耗、晶体管的关断特 性不仅取决于晶体管固有的特性、关断瞬时的饱和程度和负载条件，而且也取决于基 极驱动的方法。因此由控制电路产生的控制信号，有时还需要经过驱动电路产生较为 理想的电压或者电流波形，来保证变换器电路安全、可靠地工作。 1 理想的驱动波形 驱动电路提供的电流波形的形状和幅度直接影响功率晶体管开关工作的性能和 南京航空航天大学硕士学位论文 可靠性。 由图3 3 ( a ) 可以看出，在晶体管导通瞬间集电极电流迅速上升，集电极电压迅 速下降，经过一段时间后，电流上升和电压下降的速率减慢，直到集电极电流尖峰过 后，集电极电压才降到由集电极负载和基极驱动电流所决定的电压上。这时，晶体管 的功率损耗较大，为此基极电流应前沿腱峭并带有过冲的上升沿，以便使晶体管迅速 开启，并保证在最大集电极电流时也能进入接近饱和状态，在电流尖峰过后，只要维 持晶体管适当地接近饱和状态就可以了。如果仍保持过大的基极驱动电流不仅增加了 不必要的基极驱动损耗，而且由于晶体管过深地进入饱和区，在关断时会增大关闭存 储时间、一般我们取正向导通时的基极电流为： 小专( 3 - - 9 ) 厂 其中口为晶体管放大倍数。 ( a ) i b ( b ) 图3 3 理想的基极驱动波形 在晶体管关断瞬间，要求驱动电路能提供低内阻的反向偏置电压，快速地抽出基 区存储的少数载流子，以便缩短关断时间，降低关断损耗。在关断结束以后，也就没 有必要在晶体管的整个截止时间都维持过高的基极反向偏置。也有人希望仍然维持一 定的反偏电压以提高电路抗干扰的能力，防止误动作。我们一般取反向关断时的基极 电流，。，为正向导通电流的1 5 到2 倍。综上所述我们对驱动电路电流波形的要求是 正向驱动边沿陡、幅值大；在整个正向驱动期间保证晶体管处在饱和导通状态，以便 减小正向导通损耗；正向驱动结束前正向驱动幅度减小以便使晶体管很快脱离饱和 区，减小关闭存储时间：反向驱动瞬间边沿陡、幅值大，以便减小关断存储和下降时 间。较为理想的基极驱动波形如图3 - 3 ( b ) 所示。这就是通常人们所采用的将反偏 超声电机的驱动技术及其实验平台的研究 电压加到晶体管的基极一发射极使功率晶体管关闭的方法。这种基极反偏法固然能提 高晶体管的关闭速度，但也存在反偏二次击穿的潜在危险，尤其在集电极负载是感性 的情况下更容易发生。 2 典型的驱动电路 驱动方式有直接式和隔离式。直接式指驱动电路直接与主电路相接，图3 4 为 二个简单的驱动方式。( a ) 图线路，为了有反向偏压，以便基极存储电荷尽快释放， 采用了 ，双电源供电。( 如果开关速度不高，也可改用单电源方式) 。当控制端电 压k 为一时，辅助管t a 导通，主管r 导通。当为+ 时，辅助管t 。a 关断，在一匕作 用下，主功率管0 也快速关断。由于匹配t 基极工作电流，分压电阻蜀和丑：损耗功 率可观。图( b ) 是在( a ) 的基础上增加了推挽电路和加速电容c ，性能有所改进。 电阻r 按r 的稳态驱动电流确定。已充电的电容与一k 叠加使关断r 时抽走存储电荷 有更快的作用，但驱动损耗有下降。 ( a ) v u 图3 4 直接连接的基极驱动电路 ( b ) 图3 5 隔离式基极驱动电路图3 - 6 隔离式带电容c 的基极驱动电路 n 耋 南京航空航天大学硕七学位论文 图3 - - 5 为隔离式简单电路，采用脉冲变压器隔离。c ，导通时，主功率管基一 发极有双向稳压管限幅的正脉冲使t 转为导通。 。关断时脉冲变压器t 励磁电流反 向流过z 的发一基极，( d z 限幅) 达到快速关断。 图3 6 示出了浮动开关晶体管基极驱动电路及其波形其工作过程如下：当变压 器副边出现正的脉冲电压