（电力电子与电力传动专业论文）超声波电机仿真及其测试系统.pdf

a b s t r a c t b e e a t l s eo f t h en o v e l t yo f p r i n c i p l ea n dc o n s t r u c t i o no f u i t r a s o n i cm o t o r ( a b h r u s m ) a n di t s c h a r a c t e r i s t i c so fd i r e c t l yd r i v e n ，m u l t i f o r m i t yc o n s t r u c t i o n ，n o n e 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 ， n o n - i n f l u e n c e db ye 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 ，i t st r e n di st or e p l a c ee l e c t r o m a g n e t i cm o t o ri n s o m es p e c i a ls i t u a t i o n si n l t a l e ，w b _ i i ea tp r e s e n ti tc a n tr e p l a c ee l e c t r o m a g n e t i cm o t o re n t i r e l y , i nr e s e a r c h i n gu s m , e s s e n t i a lm a t h e m a t i cm o d e la n da n a l y t i c a lm e t h o da r et h ef o u n d a t i o n s t or e s e a r c ht h ec o n t r o lc h a r a c t e 由t i eo f s y s t e ma n da n a l y s em o t o r _ p e r f o r m a n c e t k e ya r ee f f e c t i v e t o o l st 0o p t i m i z et h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fu s m i nt h i sp a p e r , w ed e d u c et h eo p e r a t i o n p r i n c i p l eo f r i n g - t y p et r a v e l l i n g - w a v eu l t r a s o n i cm o t o r s ( a b b r r t w u s m ) b ym a t h e m a t i c s t h e c o n t a c tb e t w e e nr o t o ra n ds t a t o ri ss i m p l i f i e dt oat w o d i m e n s i o ne l a s t i cc o n t a c t t h u sw eg a j nt h e c o n t a c tm o d e la n di t sm a t h e m a t i c a lr e p r c s e m a t i o n n ”s t a t i cr u n n i n gs t a t eo fr t w u s mc a l lb e m o r ec o r r e c t l ys i m u l a t e di ns h o r t - t e r mb yt l s h a gt h i sc o n t a c tm o d e l b e c a u s eo f t h eq u i c kr e s p o r k ec h a r a c t e r i s t i co f r t w u s m ，t h et r a d i t i o n a lm e a s u r i n gm e t h o d a n dd e v i c e su s e di ne l e c t r o m a g n e t i cm o t o ra r en e v e rs u i t a b l yu s e dt om e a s u t er t 、u s m s s t a r t - s t o pc h a r a c t e r i s t i c s os p e c i a lm e a s u r i n gm e t h o da n dd e v i c e ss h o u l db eu s e dt om e a s h r e r t w u s m st r a n s i e n ts t a t ea n ds t a t i cs t a t ec h a r a c t e r i s t i c s t oa c h i e v et h i sg o a l ，t h i sp a p e rd e s i g n e s as y s t e mt ot e s tr u n n i n gc h a r a c t e r i s t i c sa g a i n s tr t w u s me x t e n s i v eu s e da tp r e s e n t t m sp a p e r d e s c r i b e st h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e mu s e dm o d u l a r i z e dd e s i g n t h ed i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n ga n dt h es o a r ei n t e r f a c eb e t w e e nm a 廿a ba n dv c + + h a v eb e e nw e l lt e s e a r c h e d t 1 1 i st h e s i sd e s c r i b e st h ep r o c e s s i n gf l o wo fs o f t w a r em o d u e l sa n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s b e t w e e nd s pa n dp cc a r e f u l l y k e y w o r d ：r t w u s m ，c o n t a c tm o d u e ls i m u l m i o n ，t e s t i n gs y s t e m ，d s p ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：选二章日期：2 芝之：篁：生2 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查 阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：蝉导师签名：之l 雌日期：碴盟7 第一章绪论 第一章绪论 1 1 超声波电机的概述及分类 1 1 1 超声波电机的概述 1 】 1 0 】 电磁电机已经存在一百多年了。虽然这种电机在工业中仍占主体，但它的庞大体积限制 了系统设计的进一步改进。要缩小电磁电机的体积，这就要依赖于新磁性和超导材料的发展， 因此很难制造小于1 c m 的高效电磁电机。例如，用在手表里的小于l m m 的电磁电机需要直 径约为l c m 的永磁体。于是人们纷纷把目光投入到超声波电机这种新兴微特电机。 超声波电机( u l t r a s o n i cm o t o r 简称u s m ) 是国外八十年代发展起来的一种新型微电机。 它是利用压电陶瓷逆压电效应激发的微观振动作为驱动力，通过多种振动模式的转换与耦 合，将电能转变成机械能的驱动装置。【1 1 而且超声波电机的效率不依赖它的大小，因此在微 型电机的应用中得到很大发展，图1 - 1 是i b m 的h v b a r t h 于1 9 7 3 年提出的第一个实用型 超声波电机。 图1 - l 第一台实用型超声波电机 本文的研究对象是环形行波型超声波电机。其基本工作原理是：通过在定子中激励出两 个时间和空间上都相差9 0 度的驻波，在定子表面合成出一个行波波动，可以数学证明此时 定子表面质点的运动轨迹里椭圆状，虽然质点的振动幅度很小( 一般几个微米) ，但由于振 动频率很高( 4 0 k h z 左右) ，因此对紧压在定子表面的转子产生摩擦驱动力，使转子产生宏 观上的旋转运动。 根据这个基本原理，可以推出实现环形行波型超声波电机运动的两个必要条件：1 、定 子表面上要能激励出稳态的质点椭圆运动轨迹；2 、定子表面的微观运动需转换成转子的宏 观运动。实现方法是：1 、质点的椭圆运动轨迹可以利用与电机定子相对应的振动模式和特 征振动频率进行激励；2 、电机定子与转子之间的宏观运动可通过摩擦来实现， 1 l 】为了提高 输出力、降低定、转子金属材料的磨损和减少金属摩擦可能造成的机械噪声，转子表面需贴 上一片摩擦材料。 东南大学硕士学位论文 1 1 2 超声波电机的分类【2 】 与传统的电磁型电机相比，超声波电机没有绕组和磁极，它是一种全新的自动驱动控制 器，是对传统电磁型电机的突破和有力补充。近二十多年出现了各种原理、形式和结构的 超声波电机。虽然结构形式多样，但超声波电机工作原理相似：都是利用压电陶瓷的逆压电 效应。接触式与非接触式超声波电机的区别仅在于：接触式超声波电机将定子的振动通过摩 擦传递给转子。而非接触式超声波电机是将定子的振动通过气体或液体传递给转子，因而致 使传递媒质的不同。但不同结构形式超声波电机之间比较大的区别就是：定子振动所使用的 驱动方式和振动模态有所不同。根据这些不同，可以用不同的分类方法将超声电机分成不同 的类，这对进一步了解和认识超声波电机的一些特点很有意义。1 1 o 】 按电机工作模态分类，超声电机可以分成以下三类： 1 、行波型超声电机 2 、驻波型超声电机 3 、混合型超声电机 按机械振动获取方式分类，超声电机则可以分成咀下两类； 1 、谐振驱动式超声电机 2 、非谐振驱动式超声电机 按定子表面椭圆运动获取的方式，超声电机可以分成以f 两类： l 、单振动模式 2 、双振动模式 按定、转子接触方式不同，超声电机可以分成以下三类： 1 、摩擦驱动式超声电机 2 、非摩擦驱动式超声电机 3 、非接触式超声电机 但需要指出的是，以上分类并不能涵盖当前所有的超声电机，而且随着科学技术的发展， 更多各种形式的超声电机将涌现而出。 1 2 超声波电机的特点和应用 1 2 1 超声波电机的特点【3 ( 1 ) 超声波电机的优点 超声波电机是一种新型的直接驱动型微电机，由于其工作原理完全不同于传统的电磁电 机，这使得超声波电机与其它传统电机相比具有许多独到之处： 1 、响应速度快、控制精度高 电机能否用于定位控制系统在很大程度上取决于电机起停时的瞬态响应特性。应用闭环 位置和速度反馈能够将定位最终控制在纳米级精度范围内。但响应时间和频率限制却取决于 电机和传动机构的动态特性，一般由输出转矩和转动惯量表示。 电磁电机转速高、转矩小、转子惯量大，响应时间常大于1 0 r e s ，且随着减速箱的增加 而增大。而且由于响应慢，电机的起停角度很大，通常是转动的一部分。 接触式超声波电机由于转矩大、空载转速低、转子惯量小，与转子的惯性力相比，其定、 转子之间的摩擦力相当大，所以其响应时间通常小于l o m s 。如c r a n f i e l d 的模型u s m 由静 2 第一章绪论 止加速到全速仅需0 5 m s ，能在o 1 m s 内停止”1 。 2 、无需齿轮机构 超声电机可实现直接驱动。这样就在最大程度上减小了由变速齿轮箱所带来的体积、振 动、噪声、能量损耗和传动误差等各种问题。 3 、微位移特性 超声波电机振动体的表面振幅一般为微米、亚微米，甚至纳米数量级。在直接反馈系统 中，位置分辨率高，较容易实现微米、亚微米级、纳米级的微位移步进定位精度。 4 、无输入自锁 超声波电机断电对由于定、转子间静摩擦力的作用，使电机具有较大的静态保持力矩， 实现自锁，省去制动闸保持力矩，简化定位控制。 5 、无电磁污染 超声波电机由于运行时不通过电磁场传递能量，对外界电磁场的抗干扰能力强；而且本 身也不产生电磁场，对外界也不产生电磁干扰。 6 、运行无噪声 超声波电动机的运行是通过超声振动传递能量的、人耳听不到声频范围外的声音。同时 系统工作在低速状态，超声波电机无需齿轮减速机构，运行非常安静。 7 、耐低温，真空，适合太空环境 超声波电机及其驱动控制装置的耐低温、真空的特性，可将其作为宇航机械系统和控制 系统的驱动装置。由于超声波电机是一种可以直接驱动的结构，不仅解决了减速机构带来的 机械噪声问题，传统电机的润滑等引起的一系列问题也不复存在。如定、转子间不需润滑系 统，不仅可以保证电机的正常运行，还可以减少使用润滑油或润滑脂给环境带来的污染。在 太空环境中，避免了润滑油泄漏与挥发在外层空间带来的麻烦。 8 、形状多样化 根据实际需要，超声电机可以做成各种形状，如球形、直线形、环形等。 ( 2 ) 超声波电机的缺点 1 、价格高 由于电机构成材料、加工工艺的高精度要求以及超声波电机控制器的研发，使得超声波 电机在应用中的性价比不高，在市场上还无法同早已成熟的电磁微电机进行竞争。 2 、需高频电源供电 由于超声波电机工作在超声频率状态，因此要求有专门的高频激励电源。一般需要能够 输出两相或多相交变高频电压，并且每相电压的相位必须有可调的相位差。这些高频电源使 得电机的驱动控制部分与电机本身相比显得庞大臃肿。 3 、效率较低 由于超声波电机在高频激励下的运行过程中，存在两种能量转换，即一种是压电陶瓷的 逆压电效应产生的电能转换为机械能，另一种是定子的振动转换为转子的轴向输出，中间能 量传递环节过多使得能量的最终转换效率比较低。 4 、寿命低 超声波电机及其驱动控制装置的寿命与电机材料有着很大的关系，如摩擦材料的磨损会 直接影响超声波电机的寿命。 5 、输出功率小 相比电磁电机来说，超声波电机的输出功率都很小。目前，环形行波型超声波电机的最 大输出功率不大于5 0 w 。 6 、电机特性软 超声波电机的转速随着负载的加载会迅速降低，基本上以一次曲线的形式下降，这和电 3 查堕奎堂堡主兰焦堡苎一 磁电机的硬特性有明显区别。 1 2 2 超声波电机的应用 由于超声波电机具有结构简单、体积小、低速大转矩、响应速度快、定位精度高、无电 磁干扰、可步进、伺服工作、容易同计算机实现机电一体化等特点，超声波电机被认为在工 业、国防、宇航、机器人、汽车、办公设备等领域有广阔的应用前景，有些领域已有成功应 用。 近几年，美国在超声电机的研制开发工作取得了迅猛发展，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，设在美国宾州州立大学材料研究所的国 际换能器及驱动器研究中心，得到军方及美国著名航天公司的支持，正加速这方面的研制及 应用开发。图1 - 2 是宾州州立大学的研究人员研制的由两个金属管超声电机构成的 7 7 7 m m 3 四轮机器人。目前，我国研究超声电机的单位逐年增加，但仅限于理论研究和原 型机的开发，总体上还处于追随国外领先水平的状况。“ 图1 - 2由两个金属管超声电机构成的四轮机器人( 7 + 7 4 7 m m 3 ) 1 照相机调焦 日本佳能公司从1 9 8 2 年起开始研究将超声波电机应用到照相机的镜头调焦中，至1 9 8 7 年，成功地将超声波电机应用到e o s 系列照相机配用的e f 5 0 m m f l 0 l 、e f 3 0 0 m m f 2 8 l 、 e f 2 8 8 0 m m f 2 8 l - 4 l 等镜头中【4 】，该系列超声波电机数据见表l 一1 。 二十世纪九十年代中期，佳能公司又研制了一种直径8 m m 、长2 4 m m 的柱体行波型超 声波电机用于照相机的调焦。该电机采用l a n g e v i n 振子结构，便于生产，降低了成本，同 时提高了可靠性。除佳能公司外，尼康公司的相机也采用了超声波电机，西格玛公司也将超 声波电机应用到大口径望远镜上。与采用电磁型电机的镜头相比使用超声波电机的镜头有 如下特点：静音、定位精度高、调焦时间短、无齿轮减速机构等，因而结构简单、重量轻。 表1 - 1 佳能公司照相机用超声波电机数据【4 】 镜头型号 e f 5 0 m m f l o le f 3 0 0 m m f 28 le f 2 8 8 0 m m f 28 l 4 l 外径m m7 77 77 3 内径m m6 76 76 3 4 第一章绪论 厚n l m 1 1 21 01 0 6 重量g 4 04 54 5 频率k k l z 2 92 93 1 输入功率w 1l1 空载转速r m i n 4 04 04 0 起动转矩n m 0 1 60 1 60 1 4 效率 4 53 53 5 角度分辨率 5 1 2 5 5 2 太空机器人中的应用 美国国家航空宇航局( n a s a ) 承担着探测火星的任务，为了满足太空机器人对电机的 特殊要求：轻重量、大转矩、能在超低温环境正常工作等，其属下的喷气推进实验室( j e t p r o p u l s i o n l a b o r a t o r y ) 开发了壹径分别为1 1 、2 5 和2 8 英寸的环形行波型超声波电机用于 太空行走微型机器人的微型仪器机械臂( m i a m i c r oi n s t r u m e n ta r m ) 和微型桅杆式机械臂 ( m m a - m i c r om a s t a r m ) ( 用于全景观察和自我校正) 等。口j 6 1 3 精密定位装置和随动系统中的应用【l j 超声波电机还可用于精密定位装置，如坐标平台的驱动源。由于超声波电机响应快，当 位置传感器检测到目标位置信号瞬间，切断电源，电机立即停止，定位精度准确，只要开环 控制即可实现较高精度的定位。其起、停响应快的特点很适合在随动系统，如导弹导引头装 置中应用。 4 民用装置中的应用【7 1 日本东京都府窗子上的窗帘机采用超声波电机作为驱动元件，由于超声波电机噪音很 低，因此适合于办公场所、医院、宾馆、剧院、图书馆等对噪音低有特别要求的场合。图 1 - 3 是用于机械手表内的振动报警器。【1 4 1 图1 - 3 机械表内的超声波振动报警器 5 阀门控制 由于超声波电机无需减速机构即可实现低速运行，因而在各种阀门中有其广阔的应用前 景。尤其是它的自锁特性和快速响应特性，可用于阀门的精确流量控制。 5 查壹盔兰堡主兰垡兰苎一 6 扫描电子显微镜试料架的驱动9 】 扫描电子显微镜( s e m ) 的真空试料室内的试料架位置需要人为调整，这一部分正好处 在电子柬的下方，不能使用电磁式电机，过去用手动控制，现在采用超声波电机驱动，不仅 省掉了复杂的传动机构，减少了故障和手动的误差，而且可实现自动驱动。 7 机器人关节驱动 随着人工智能开始进入人类的日常生活，机器人的关节要求采用小型轻量的电机驱动， 机器人手臂亦日益向低刚度、柔性化、轻型化和定向定位的高精度化方向发展，以实现其手 脚的自由活动。通常使用的电磁型电机由于其速度很高，必须采用减速传动机构，这样势必 要增加复杂的机械部件，也就增加了机器人的重量。超声波电机在低速度、大转矩和非连续 的运转中具有比电磁电机更为优越的功能，非常适合机器人关节的直接驱动。 8 核磁共振装置中的应用纠 西门子旭医疗器械公司( 东京) 把三个超声波电机用在核磁共振装置( m r i c t ) 的线 圈调整装置上，微调附属于线圈上的调整用电容器容量。m r i c t 使用2 特斯拉以上的强磁 场，普通电动机在这种强磁场中无法运转，所以不能使用，而且在调整中要计测线圈周围的 磁场，不能使扰乱磁场的磁性体接近装置。可见，在这种场合下，使用不产生磁场也不受磁 场干扰的超声波电机是最合适的。 9 汽车专用电器中的应用 由于超声波电机可以做得很薄，而且转矩很大，德国奔驰汽车公司准备将其应用在奔驰 汽车车窗的驱动装置中。此外，超声波电机还可用在雨刮器、车灯转向和汽车座椅调整等的 驱动装置中。 1 0 微位移超声波电机 微位移超声波电机适用于微小位移运动。它能以纳米级位移驱动。可用于电子显微镜或 扫描隧道显微镜，以及用来做光栅衍射刻线、干涉光谱仪扫描、天体星座图像分析和检测、 高精度位移检测及分子测量设备中。例如，管状超声电机适用于各种精确的微机械应用，如 血管显微手术。表1 - 2 列出了三种管状超声电机及管状电磁电机的性能指标。图1 - 4 显示的 是一种超小型超声波电机。4 1 表1 - 2 三种不同管状电机的性能指标 m o t o r o l a 微型电磁电机s i e k o 超声波电机p s u i m r e 超声波电机 外直径( n l i n ) 782 2 长度( r a m ) 1 64 58 输入功率( 、，) 1 51 5 3 5 3 - 6 输入电流( m a ) 1 2 66 0 1 22 5 空载速度( 平m ) 5 0 0 01 2 0 01 0 0 0 - 2 0 0 0 起始转矩( m n m ) 0 0 7 50 0 5 0 10 1 采用升压式驱动电路 图1 4 一种超小型超声波电机 6 箜二皇堕笙 一 超声电机从发明至今己显示出强大的生命力和巨大的市场开发潜力。以日本为例，现在 就有四十多家公司开展超声电机和驱动器方面的研究，并率先实现超声电机的产业化。1 9 9 4 年日本各类超声电机的产量约为z 1 0 0 6 0 0 万台。1 9 9 8 年，全世界已获1 5 亿的市场，有关专 家预言：2 1 世纪将是超声电机大放光芒的时代，将有可能取代微、小型的电磁电机。f 1 3 】 1 3 当前超声波电机研究的主要内容口0 l 由于超声波电机原理和结构的新颖性及拥有的直接驱动、结构多样性、无宅磁干扰及不 受电磁干扰影响的特性，虽然目前还不能完全替代传统的电磁电机，但在一些特定的应用场 合取代电磁电机是未来微特电机的发展趋势。为早日填补我国超声波电机产业化的空白，跟 上世界研究的技术潮流根据目前东南大学超声波电机研究小组的分析，我国超声波电机的 研究内容侧重于以下几个方面： 1 、数学模型和理论基础的完善 必要的数学模型和分析方法是研究系统控制特性和性能分析的基础，是电机结构参数优 化设计的有效工具。针对各种结构超声波电机的数学模型和分析方法一直是国内外超声波电 机探索的热点。如大力矩超声波电机、无接触式超声波电机、微型超声渡电机等的模型建立 和分析理论。这也是本文的主要研究工作之一。 2 、专用超声波电机测试装置的研究 超声波电机压电体的机械振动在超声频率、压电材料在高电压激励下特征参数( 如谐振 频率、阻抗值、相位角等) 的测量、电机整体等效电路外参数的测量等。由于超声波电机的 快速响应特性。传统的电磁电机的测量方法和装置不再适用于超声波电机起停特性的测量， 应用专门的测量方法和装置进行瞬态和静态运行特性测量。这也是本文的主要研究工作之 一o 3 、超声波电机产业化应用技术的研究 环形行波型和柱体棒形超声波电机产业化和批量生产技术的要求，对超声波电机所用的 功能材料，如压电陶瓷、摩擦材料、胶粘剂等制作工艺及金属材料的精加工工艺的研究十分 迫切。 4 、驱动控制技术的研究 针对不同原理和结构的超声波电机，分别进行有效的控制策略的研究，如p i d 控制、 自适应频率跟踪控制、模糊控制、稗经元网络控制技术等。由于超声波电机输入输出参数的 非线性，建议采用模糊控制技术加神经网络在线训练模式进行闭环控制。 5 、专用趣声波电机驱动控制装置芯片的研究 由于超声波电机驱动控制需要专门的高频电源，国内还没有专用超声波电机驱动控制装 置芯片，对超声波电机驱动电源的小型化和集成化问题需要进行专门的研究，如利用集成电 路的e o a 技术可作仿真和模拟流片的生产。 6 、c a d 软件的开发和u s m 的优化设计 超声波电机结构和形式的变化来自于特定场合的大力矩、人输出功率或者微小体积和重 量的要求。目前，国内还没有一套象电磁电机那样的通用的计算机辅助设计( c a d ) 和优 化软件。如根据定子振动模式、横向位移分布、定转子接触状况等进行定量化分析后，来确 定确定电机转速、输出转矩、工作效率等，或者根据用户的转速、输出转矩、转换效率等要 求，可以通过软件仿真来初步确定超声波电机的结构和一些其他的本征参数。 查童盔堂堡主堂垡望兰 1 4 本论文的主要研究工作 根据超声波电机的研究内容与前景，本文针对我国研究技术相对比较成熟并有产业化前 景的环形行波型超声波电机的接触模型作了初步研究，对超声波电机的专用测试设备的二次 开发和装置进行了较为全面的研究。 当前环形行波型超声波电机的一个研究热点是定转子的接触问题。本文以6 0 m m 环形行 波型超声波电机为对象，通过把电机的定转子接触简化为一个二维弹性接触问题来解决。该 仿真模型简洁，计算时间短，能够较为准确的反应电机的稳态时的运行状态。但是由于做了 较多的简化，给计算精度带来一些影响。 由于超声波电机的快速响应特性，传统的电磁电机的测量方法和装置不再适用于超声波 电机起停特性及转矩特性和频率特性的测量，本文设计了基于c a n 总线的超声波电机运行 特性数据采集和处理的测量方法和装置。 本论文的主要内容安排如下： 第一章绪论 介绍了超声波电机的原理、分类、特点、应用以及超声波电机研究的内容与前景。给出 了本文的主要研究内容。 第二章环形行波型超声波电机理论及仿真模型 本章首先对环形行波型超声波电机的结构进行分析说明：对超声波电机的工作原理进行 数学推导：将电机的定转子接触简化为二维弹性接触，推导出其接触模型及数学表达式；以 m a 廿a b 中的s i m u l i n k 工具箱为平台，根据数学模型搭建出仿真模型，并将仿真值与电机实 澳i 值进行比较，说明该模型的特点。 第三章钡l 试系统硬件平台设计 本章根据超声波电机的速度特性、转矩特性和频率特性，设计了测试系统的硬件框架， 并介绍了各个钡4 试模块的功能，对整个系统的运行进行了说明，为下一步的软件编写打下基 础。 第四章测试软件的开发 根据第三章给出的测试系统的硬件框架以及整个系统的运行说明，制定了软件的总体功 能和软件模块；对采集数据的数字信号处理和m a t l a b 的二次开发进行了深入研究；制定 了各个通讯模块之间的通讯规约：最后对软件进行调试。 第五章总结与展望 本章对全文内容进行总结，并根据超声波电机仿真模型的不足和测试系统开发的经验与 发展方向，提出了超声波电机数学模型和测试系统需要改进与完善之处。 参考文献 1 t o s h i i k us a s h i d a , t a k a s h i k o n j o ，”a n i n t r o d u t i o n t o u l t r a s o n i c m o t o r s m 】，c l a r e n d o n p r e s s ，1 9 9 3 2 莫岳平，“行波型超声波电机振动分析与实验研究”田 ，南京，东南大学电气工程系，2 0 0 3 ，l o 3 h o n gjk p a r kch l e ejs ，吐a 1 ，t h et r i a lf a b r i c a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so fl i n e a ru l t r a s o n i cm o t o rf o r a p p l i c a t i o n t o x - y t a b l e l 9 9 9 ，u l t r a s o n i cs y m p o s i u m ：6 8 3 6 8 6 4 w w w n a s 艮c o m 5 上羽贞行，富川义郎著，杨志刚，郑学伦译，超声波马达理论与应用，上海科学技术出版社，1 9 9 8 年 6 ，金龙，旋转型压电行波超声马达的研究，南京航空航天大学博士学位论文，1 9 9 7 年1 0 月 7 y o s h i r ot o m i k a w a , t a k e h i r ot a k a n o ，c h i h a r uk u s a k a b ee ta i 。d e v e l o p m e n to fu l t r a s o n i cm o t o r s , 9 t hs m a r t 8 第一章绪论 a c l u m o rs y m p o s i u ma t i c a t t h e p e n n s y l y a n i as t a t eu n i v e r s i t y f 4 1 ：1 - 1 1 刘一声，压电超声波电机及其应用，压电与声光，1 9 8 8 1 0 ( 6 ) ，6 0 - 7 1 y o s 印h b a r c o h e n ，h a g o o d n e s b i t tw ，o l i v a r s a r g e l i o m ，e ta 1 d e v e l o p m e n to f a r tu l t r a s o n i cs o l i ds t a t e m o t o r f o rs p a c ea p p l i c a t i o n s ，a p r o p o s a l t o t h ej p l d i r e c t o r sd i s c r e t i o n s r y f i r e d ，f y 9 4 ，m i t ：1 - 1 i 顾菊平，“圆柱定于超声波电机及快速定位控制系统”【d 】，南京，东南大学电气工程系，2 0 0 3 ，1 0 杨志刚，程光明，吴博达，“压电超声行波马达的运动形成理论研究”，压电与声光，v o l1 8 n o 1 , f e b 1 9 9 6 ，p 3 2 - 3 5 赵向东，“旋转型行波超声电机” d ，南京，南京航空航天大学，2 0 0 0 ，1 0 k u c h i n o ：s o l i ds t a t ep h y s ，s p e c i a li s s u e “f e r r o e l e c t f i c s 2 3 ( 8 ) ，6 3 2 ( 1 9 8 8 ) k e n j i nu c h i n o ，j a y n erg i n i e w i c z , m a r c e ld e k k e r , “m i e r o m e c h a t r o n i c s ”2 0 0 2 5 9 礼钆 m 挖n h 东南大学硕士学位论文 第二章环形行波型超声波电机接触机理的仿真 必要的数学模型和分析方法是研究系统控制特性和性能分析的基础，是电机结构参数优 化设计的有效工具。针对各种结构超声波电机的数学模型和分析方法一直是国内外超声波电 机探索的热点。如大力矩超声波电机、无接触式超声波电机、微型超声波电机等的模型建立 和分析理论。 有很多因素影响超声波电机的接触模型，如：定、转子结构，摩擦材料的特性，压电陶 瓷的性能，电机预压力，装配误差等等。但把每个细节都考虑进去是不现实也是没有必要的。 因此，本文对超声波电机模型的研究，所用的方法为通过电机的结构参数来计算电机转矩、 转速特性。 本文通过把环形行波型超声波电机的定转子接触简化为一个二维弹性接触问题来解决， 该仿真模型能够较为准确的反应电机的稳态时的运行状态。 2 1 环形行波型超声波电机的结构 超声波电机一般都是通过放大和重复激励材料的微小位移来产生机械运动，这种激励材 料就是压电陶瓷。行波型超声波电机系统的各部分的功能如图2 - 1 所示”j 。高频驱动电源产 生电机所需的两相高频驱动电压。由于压电陶瓷的逆压电效应，压电陶瓷会将电能转换成机 械能，使得在定子环内产生两个驻波。当两个驻波在时间和空间上相差r d 2 时，它们相叠加 就会在定子中合成一个弯曲行波，行波在定子内的传播形成定子表面的椭圆运动。转子与定 子相接触的一面涂有摩擦材料，定子和转子相接触就会产生摩擦力，转子在摩擦力矩的推动 下转动。 高频电源压电陶瓷定子接触模型转子和负载 图2 1 行波型超声波电机系统的功能图解1 1 图2 - 2 是环形行波型超声波电机的基本结构分解图，其核心部分是由压电陶瓷与弹性体 组成的定子和粘有摩擦材料的转子。环形行波型超声波电机外形最大的特点是：外形呈扁平 状。其中，定子上开有齿槽，转子同定子接触面覆有一层特殊的摩擦材料，依靠蝶簧变形所 产生的轴向压力紧压在一起。 图2 - 3 给出了直径6 0 r a m 环形行波型超声波电机用耳。弯曲振动模态对应的压电陶瓷极 化图。它由数段极化过的压电陶瓷片组成。图中的阴影区域为未敷银区( 或者对应部分的敷 银层被磨去) ，将压电陶瓷的上下极板分隔成不同的区域。图2 - 2 中相邻两个压电分区的极 化方向相反，分别以“+ ”“一表示，在电压激励下一段收缩，另一段伸长，构成一个波长的 弹性波。图中所示的极化分区可组成三个电极，其中a 区和b 区表示驱动环形行波型超声 波电机的两相电极( 利用压电陶瓷的逆压电效应) ，而孤极区是传感器区( 利用压电陶瓷的 正压电效应) ，用来反馈控制信号。图中，压电陶瓷环的周长为行波波长五的雕倍( 图中 胛= 9 ) ，a 区和b 区各分区所占的宽度为五2 ，孤极区宽度为2 4 ，用于将两驻波合成为 1 0 第二章环形行波型超声波电机接触机理的仿真 一个波长的行波，g n d 区为3 2 4 ，作为a 区和b 区的公共地。口删 图2 - 2 环形行波型超声波电机结构 2 2 电机的工作原理 2 】【4 】 图2 - 3 压电陶瓷电极结构图 定子是超声波电机结构的核心部分，在与转子接触的反面粘有压电材料，它们构成一个 复合结构，使定子能在某个特定模态下产生超声级别的共振变形。定子在压电陶瓷逆压电效 应的激励下产生变形的过程是很复杂的，具有很多不定因素。为了能更清楚地描述问题的主 要部分，我们对定子做一些基本假设： i 、假设定子为线性复合结构，满足线性叠加原理。这是两个驻波在一定条件下能够叠 加形成行波的基本前提。 2 、忽略定子齿的振动影响。因为齿的谐振频率远离于定子的谐振频率，所以当定子工 作在谐振频率附近时，可以不考虑定子齿的振动影响。 3 、定子与转子接触工作时，忽略转子对定子振动特性的影响。 4 、假设定子行波振幅径向稳定不变，而实际上。定子径向方向的振幅也是不同的。 1 1 东南大学硕士学位论文 当在超声波电机压电陶瓷的a 区或b 区施加超声频率正弦交流电源时，图2 - 3 中“+ ” 极化区产生伸张形变，而”极化区产生收缩形变，从而在圆周上形成一振动驻波。由于a 区和b 区在空间上差9 0 0 相位差，如果a 区和b 区施加的a 、b 两相交流电源在时间上亦 相差9 0 。，合成这两个弯曲驻波，将在定子环中形成一弯曲行波。行波在定子内的传播形成 定子表面质点的椭圆运动。 当分别在a 、b 两个极化过的压电陶瓷上施加高频电压时，定子中将会产生两个独立的 驻波，假设其方程如下： ，生_ ? j ：哆( 2 - 1 ) = 盖s i n ( 肼) s i n ( h w 2 ( x , t ) 2 屹( f ) s i n _ j ( x + d ) ( 2 - 2 ) = 最s i n ( c o t + # ) s i n d ( x - 4 - 口) 式中： 是输入电压的角频率； 卣、参分别为两相驻波的振幅，采用有限元( f e m ) 分析计算获得 七2 2 ，是波行系数； ， 五= = 为弹性波波长； 珂 三= 2 万r 为定子环圆周长 r 为定子环平均半径； 疗为周向行波波数； k = ”尺： 是由两相电激励的相位差引起驻波时间上的相位差 a 为两相的空间间隔； 若满足a = a 4 ( 即a 区振子与b 区振子间的空间间隔相差石2 ) ，阳以( 两相交流 电相位差柏) ，6 = 已= f ( 两相交流电信号的电压峰值相同) ，则将两列驻波线形叠加便可得 定子环表面质点的纵向振动位移； 以x ，0 = w 1 0 ：0 + w 2 0 ，f ) = 孝s i i 国r ) s i n ( h + 宇c o s ( 纠) c o s ( 船( 2 - 3 ) = 孝c o s o x 一耐、 上式表明，a 、b 两相同时激励时，在一定条件下，将在定子表面产生一弯曲行波振动。 如图2 - 4 所示。如果要求定子中的行波反向，则要求口= a 4 ，空= 2 ，6 = 已= f ，反向行 波为： i q ，t ) = w 1 0 ，f ) + w 2 ( x ，t ) = 善s 砥s i l l ( 缸+ 孝c o s ( 耐) c o s ( h ( 2 4 ) = 一手c o s ( 缸+ c o t ) 苎三兰! 兰堡鎏型塑兰丝皇垫鲎丝塑里竺堕墨 图2 - 4 定子变形产生行波振动 根据克希霍夫的薄板理论【”1 ，由式( 2 3 ) 可得到定子表面质点的横向位移方程： “ - ，力：山掣：错s i n 他。嘲( 2 - 5 ) 式中： h 为定子等效厚度的一半5 合并式( 2 3 ) 、( 2 5 ) 可得定子表面质点运动轨迹方程： 氅粤i - 粤磐：1 ( 2 - 6 ) r( 肋孝) 。 由式( 5 ) 可见，压电陶瓷在周期正弦电压的作用下，在满足一定条件时会在定子中激励出 弯曲行波，行波在定子内的传播形成定子表面质点的椭圆运动。从而对紧压在其表面的转子 产生于行波方向相反的摩擦力，转子在接触摩擦力矩的推动下转动7 】 8 1 。若定子内行波的运 动方向反向，则转子的转向也反向。 再将式( 2 5 ) 对时间t 求导，便可得到定子表面质点的横向振动速度： v o t ，o ：塑婴：一蚴c o s ( k x - 删) ( 2 - 7 ) 2 3 定转子之间接触【5 】， 9 1 影响超声波电机的接触情况的因素众多：定、转子结构，摩擦材料的特性，压电陶瓷的 性能，电机预压力，装配误差等等。但把每个细节都考虑进去既太复杂，而且结果误差也较 大。当前对超声波电机模型的研究，所用的方法为通过电机结构参数来计算电机转矩、转速 特性。在提出接触模型之前，对如何简单有效地描述定子与转子接触情况，有必要做一些假 设： 1 、假定定子振动特性为理想波形。 2 、忽略转子表面的变形，认为摩擦层是弹性体、转子是刚形体，并且在摩擦层中只存 在纵向形变。 3 、增加定子的等效厚度、改变定子的各种参数，以体现定子齿对接触模型的影响。 4 、忽略了不同预压力下电机整体谐响应特性的变化。理想化定子行波振幅稳定不变， 而实际上预压力变化时，振幅也会变化，并且同样情况下，定子径向方向的振幅也 是不同的，在本模型中都假设为相等。 要明确定转子的接触方式，必须确定观察坐标系，这是研究定转子接触的关键。式( 2 3 ) 、 东南大学硕士学位论文 ( 2 7 ) 都是基于静止的参考坐标系，因此它们都含有时间参数变量t ，这不利于研究定转子 间接触情况。如果将参考坐标系随行波旋转，使观察角度与定子行波相对静止，那么式( 2 3 ) 、 ( 2 7 ) 就可以转换成仅与位置有关，而与时间无关的方程式了。将关系式x = x 一詈f 代入 式( 3 ) 和式( 6 ) ，得： w ( x ) = f c o s ( k x )( 2 - 8 ) 式中：t = 一舭 h ( x ) = 一孵c o s ( h ) = t c o s ( k x )( 2 - 9 ) 图2 - 5 旋转坐标系下的定转子接触模型 图2 - 5 是旋转坐标系下定、转子的接触模型。如图建立一个平面坐标系x - y 。该图中， x o 是坐标系下表示接触区域的长度的一半。在- x i 和x l 这两个位置上，定子表面质点横向速 度等于转子速度的位置，由此这两个位置可以将接触区域分割成三个部分( 见图2 - 5 ) ：中 间黑色部分的定子横向速度大于转子转速，摩擦力带动转子转动，为驱动区域；两边浅黑色 部分的横向速度小于转子转速，摩擦力阻止转子转动，为劁动区域。w r 是转子底部和定子 中性层之间的距离。由图2 - 5 可以得出以下关系式： 土kc o s ( 宇) 竞h 西c o s ( ) = 。震 q 1 1 ) 在接触区域- x o 0 0工= 0 。 一1x 0 一个波峰产生摩擦力f ，那n 个波产生总的对转子的摩擦驱动力为n f ，则产生的总摩 擦转矩丁为： t t = n t f l j ( 2 1 5 ) 、 o 国r * ” 图2 - 6 转子受力分析 如图2 - 6 显示了电机工作时，转子的受力情况。切向方向，转子因受到摩擦转矩和负载 力矩的作用而旋转；轴向方向，转子园受到转子预压力和定子波峰对转子的轴向正压力而振 动。根据上面两个轴向的分析，可