（电力电子与电力传动专业论文）超声波电机控制系统的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t u l t r a s o n i cm o t o r ( a b b r u s m ) i sar e l a t i v e l yn e wt y p eo fd i r e c t - d r i v em o t o r , i t s o p e r a t i n gp r i n c i r i l ei sq u i t ed i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a le l e c t r o m a g n e t i cm o t o r s u s mu t i l i z e st h em e c h a n i c a lv i b r a t i o ni n 廿1 eu l t r a s o n i cf r e q u e n c ys c a l et h a tw a s g e n e r a t e db yt h ec o n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c to fp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s i th a st h e s t a t o ri nd i r e c tc o n t a c tw i t ht h er o t o rd r i v e nb yaf r i c t i o nc o n t a c t u s mh a sm a n y e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e sa n df e a t u r e ss u c ha sh i g ht o r q u ea tai o ws p e e d ，c o m p a c t n e s s i ns i z e ，h i r 曲h o l d i n gt o r q u ew h e np o w e ri so f f , i n s e n s i t i v et om a g n e t i cf i e l d s ，f a s t r e s p o n s e ，a n dn on o i s ea n ds oo n i th a sm o r ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c et h a nt h e e l e c t r o m a g n e t i cm o t o ri nt h ef i e l dn e e d i n gc o m p a c t e 茄c i e n t i n t e r m i t t e n tm o t i o n a n df i n ec o n t r o l s u s mh a ss e e nc o m m e r c i a la p p l i c 撕o na n dt h ea t t r a c t i v ep r o s p e c t s i na r e a ss u c ha sa u t o m o b i l e ，o f f i c ea u t o m a t i o n ，r o b o t s ，p r e c i s ep o s i t i o n i n gd e v i c e ， m i n i a t u r i z e dm a c h i n e s 。e t c i nr e c e n ty e a r s ，u s mh a sa t t r a c t e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n a san e wt y p eo fa c t u a t o ri ns e r v e s y s t e ma n dm u c hm o r er e s e a r c h e sw e r ec a r d e d o u t t h et h e s i so n e c ti sm a i n l yc o n c e n t r a t e do nt h er i n g - t y p eu l t r a s o n i cm o t o r s ( a b b r r t w u m ) a n di t sc o n t r o lp r i n c i p l e ，ad s p b a s e dc o n t r o l t e s ts y s t e mf o ru s m a n das p e e da n dp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e mo fu s ma r ea l s or e s e a r c h e d t h ec o n t e n t s a r es u m m a r i z e da sf c ) l l o w s ： f i r s tc h a p t e rs u m l n a r i z e st 1 1 ea c t u a l i t ya n dd e v e i o p m e n to f u l t r a s o n i cm o t o r , t 1 1 e c h a r a c t e r i s t i c sa n dd e v e l o p m e n to ft h ed r i v ea n dc o n t r o lt e c h n i q u e so fu s m ， e s p e c i a l l ys e t so u tt h ev i r t u e sa n d 也e 稍d ea p p l i c a t i o n so fu s m o nt h eb a s i so f a b o v em e n t i o n e d t h ed e v e l o pd i r e c t i o no fc o n t r o lt e c h n i q u e sa n dt h ec o n t e n to f t h i s t h e s i sa r ep o i n t e do u t o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so ft h ed r i v i n gm e c h a n i c so fu s m s e c o n dc h a p t e r r e s e a r c h e st h em a t h e m a t i cm o d e la n de l e c t r i c i t ym o d e lo fu s ma n dp r e s e n t st h e d r i v i n ga n dc o n t r o lm e t h o d sa n d 也ep r i n c i p l eo f c o n t r 0 1s y s t e mo f u s m b a s eo nt h ep r i n c i i ) l ea n dd r i v i n gc h a r a c t e r i s t i c so fu l t r a s o n i cm o t o r ，t h i r d c h a p t e rr e s e a r c h e st h ed s p b a s e dc o n t r 0 1s v s t e mo fu l t r a s o n i cm o t o r , a n ds i m p l y p r e s e n t st h et e s t i n gs y s t e mo f u l t r a s o n i cm o t o r i nt h er e s e a r c ho fd r i v i n gp r i n c i p l eo fu s m t h r e ec o n t r o lm e t h o d sa r em a i n l y p r e s e n t e dw h i c ha r ep - a d j u s t i n gs p e e da n dp o s i t i o nc o n t r 0 1 p i d - a d j u s t i n gs p e e da n d p o s i t i o nc o n t r o la n df u z z ya d a p t i v ep da d j u s t i n gs p e e da n dp o s i t i o nc o n t r 0 1 u s i n g t h e s et h r e em e t h o d st oc o n t r o lu s m , t h ec o n t r o lc h a r a c t e d s t i c so fu s mu n d e rt h e s e t h r e em e t h o d sw e r et e s t e da n dt h er e s u l t sw e r ea n a l y z e s i ta l s op r e s e n t e dt h a t d i f f e r e n tm e t h o d sa r ef i tf o rd i f f e r e n tc o n t r o lo b j e c t s k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cm o t o r , s y s t e mo ft e s t i n ga n dc o n t r o l ，d s p , pa d j u s t i n g ，p i d a d j u s t i n g f u z z ya d a p t i v ep i da d j u s t i n g 第一章绪论 第一章绪论 1 1 超声波电机的研究历史与现状【1 1 1 2 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 新型直接驱动微电机。超声波电机同传统的电磁电机不同，它没有磁极和绕组， 也不依靠电磁相互作用来传递能量，而是利用压电陶瓷的逆压电效应激发的超 声振动作为驱动力，靠振动部分和移动部分之间的摩擦力耦合转换成移动体的 旋转或者直线运动。超声波电机具有低速大转矩、无电磁干扰、动作响应快、 运行无噪声、无输入自锁等卓越特性，它在非连续运动领域、精密控制领域要 比传统电磁电机性能优越。因此，它在工业控制系统、汽车专用电器、精密仪 器仪表、办公自动化设备、智能机器人等领域有广阔的应用前景，近几年来倍 受科技界和工业界的关注，成为当前机电控制领域的一个研究热点。 超声波电动机的设想最初是在六十年代初由苏联科学家首先提出的。1 9 6 9 年，英国s a l f o d 大学的两名教授介绍了一种伺服压电马达，这种马达采用二片 式压电体结构，其速度、运动形式和方向都可以任意变化，响应速度也是传统 结构电机所不能及的。1 9 7 2 年前后，德国西门子公司研制出了利用压电谐振工 作的直线驱动机械，申请了超声波电机的第一个有样机的专利。1 9 7 3 年美国 i b m 公司的h v b a r t h 提出了超声波电机原理模型，并研制出了以超声振动驱 动的电机 3 j 。1 9 8 0 年日本的指田年生研制了楔型超声波电机，所用的定子是由 一个用螺栓压紧的兰杰文( l a n g e v i n ) 振子和薄振动片组成，振动片以微小倾 角压于转子之上。1 9 8 2 年，指田年生又研制成功了行波型超声波电机，解决了 超声波电机振动面的摩擦【4 】这个制约它实用化发展的瓶颈问题。这台电机的研 制成功，为超声波电机走向实用开辟了道路，它也吸引了很多研究单位和企业 的关注。同时，指田年生也创建了新生工业公司，并在1 9 8 7 年正式商业销售这 种超声波电机。同年，日本佳能公司研制出用于相机调焦的超声波电机，震撼 了整个相机业界，是迄今为止超声波电机市场化应用中最成功的一例，标志着 超声波电机开始走向实用化阶段。1 9 8 5 年m a x e l l 公司的熊田明生研制第一台复 合振动型超声波电机即单电源驱动型纵扭振动超声波电动机。在此基础上，1 9 8 8 年东京工业大学教授上羽贞行教授提出了纵扭复合振动超声波电机【5 。 九十年代，随着各种各具特色的超声波电机的出现，世界各国也将超声波电 机性能的研究放到了重要位置。超声波电机的建模与分析、驱动控制逐渐成为研 究的主要内容。另外，在非接触式超声波电机、大转矩超声波电机、微型超声波 电机及多自由度超声波电机等领域也得到了进一步的深入研究。非接触式超声波 电机的定、转子是不直接接触的，它克服了接触式超声波电机由于接触摩擦所带 来的效率低、使用寿命短、摩擦生热等缺点，是超声波电机的一个新的研究领域。 日本东京工业大学的t o h g oy a m a z a k i 等研制了圆筒型非接触超声波电机【6 j 。1 9 9 5 年，法国的a n t o i n ef e r r e i a 等提出并研制了多自由度球形原理性超声波电机样机 【7 。1 9 9 8 年，t a k a f u m i a m a n o 等制成了球体一圆柱三自由度超声波电机 8 】，该电机 由一个圆柱形定子和一个球形转子组成，定子采用兰杰文振子，由螺杆将弹性体 和三组压电陶瓷及电极片组合起来构成。该电机最大输出转矩为0 0 3 5 n m ，转速 10 0 r r a i n 。 日本在超声波电机的基础理论、制造技术、控制策略、工业应用和规格化产 东南大学硕士学位论文 品研发等诸方面都取得了引人注目的成就，成果与水平居世界领先地位。它掌握 着世界上大多数的超声波电机技术的发明专利，几乎所有的知名大学和大公司都 在进行超声波电机的研究。美、英、法、德等国紧随其后，各自在相关的方面取 得了一定的研究成果。目前，美国已将超声波电机成功地应用于航空航天、信息 和汽车产业领域；法国也将超声波电机用于对空导弹导引装置；德国则将超声波 电机用于飞机的电传操纵系统。 国内研究超声波电机是在上世纪8 0 年代末9 0 年代初开始的，先后有吉林工业 大学、清华大学、中国科学院、浙江大学、东南大学、哈尔滨工业大学、南京航 空航天大学、陕西师范大学、华中科技大学、上海交通大学、天津大学、国电南 自等单位开展了超声波电机的研究。他们在超声波电机的运行原理、数学建模、 仿真计算、样机制作及驱动技术等方面的研究中已经取得了一批研究成果。 1 2 超声波电机的分类与应用 ( 1 ) 超声波电机的分类 虽然结构形式多样，但超声波电机工作原理相似：都是利于压电陶瓷的逆 压电效应，即当超声波电机工作时，在振动体的压电陶瓷上施加超声频率的交 流电压，由于逆压电效应能够在振动体内激发出几十千赫兹的超声微观振动， 使得振动体表面起驱动作用的质点形成一定运动轨迹的超声频率微观振动，该 微观振动通过振动体( 定子) 和移动体( 转子) 之间的相互作用使移动体沿某 一方向做连续宏观运动归j 。按照定转子接触方式的不同，超声波电机可分为摩 擦驱动、非摩擦驱动和非接触型三种类型，如表1 1 所示。 表1 - 1 超声波电机按定转子接触方式分类 定转子接触 方式 电机类型具体实例 直线型 行波型超声波电机旋转型环形 声表面波型 平面等幅同相驱动型 驻波超声波电机 平面驻波驱动型 摩擦型 平面型带开环自校正步进 棒型组合式 棒型弯曲摇头式 弯曲摇头式超声波电机 圆管型弯曲摇头式 蠕动式超声波电机电致伸缩公转子型 多自由度超声波电机三自由度超声波电机 压电电流变直线步进超声波电机 非摩擦型 压电电流变旋转步进超声波电机 雷诺剪切力驱动的制动器 非接触型 辐射压力( 垂直雷诺力) 驱动的制动器 ( 2 ) 超声波电机的应用技术研究状况 由于超声波电机具有低速大转矩、无电磁干扰、动作响应快、无输入自锁 等卓越特性，在非连续运动、精密控制等领域要比传统的电磁电机性能优越得 第一章绪论 多。i 墨此，超声波电机的相关产业化应用开发一直受到业界的重视。日本众多 大学都开设了超声波电机研究小组，进行理论分析研究，新原理、新结构的超 声波电机的研究，超声波电机控制专用芯片的集成。日本参与研发、商业制造 及销售超声波电机的公司更多，如佳能公司、新生公司、本多公司、松下公司、 美能达公司、尼康公司、精工和n e c 公司等。近十年，日本的超声波电机己进 入了实用化的商业应用阶段，如环形行波型超声波电机、柱体棒形行波型超声 波电机已商业化生产和销售。其中，表l 一2 是新生公司1 9 9 7 年生产的超声波电 机的应用场合及估计的需求。 表1 - 2 新生工业公司1 9 9 7 年的统计数据 应用领域应用数量( 万台) 光学仪器( 照相机等) 5 0 0 轿车( 座椅等) 2 0 精密仪器( 手表等) 3 0 航空设备( 图像处理等) 1 产业机器( x y 定位仪、机器人等) 2 0 住宅设备( 百叶窗、窗帘等) 2 美、英、法、德等国在各自相关的方面也取得了一定的研究成果。 美国的密苏里( m i s s o u r i r o l l a ) 大学主要从事电机工作时定子和转子之间 的接触模型以及接触力对电机寿命影响的研究，并同a l l i e ds i g n a l a e r o s p a c e 公 司合作进行行波型超声波电机加工工艺及控制技术的研究。n a s a 的喷气推进 实验室、材料研究室、m i t 的a m s l 共同研究开发了用于火星探测器操作臂关 节驱动的大力矩超声波电机。 英国的伯明翰( b i r m i n g h a m ) 大学主要从事基于“谐波齿”理论的超声波电 机的研究，以及实现超声波电机高精度的定位控制、探索开环的可控性。 1 3 超声波电机及其驱动控制的特点 超声波电机不同于电磁电机，它具有以下优点： 1 低速大转矩，超声波电机振动体的振动速度和摩擦传动机制决定了它是一 种低速电机，但它在实际运行时的转矩密度一般是电磁电机的1 0 倍以上， 如表1 3 所示。因此，超声波电机可直接带动执行机构，这是其它各类驱动 控制装置所无法达到的。由于系统去掉减速机构，这不仅减小体积、减轻 重量，而且还能提高系统的控制精度、响应速度和刚度。 2 无电磁噪声、电磁兼容性( e m c ) 好。超声波电机依靠摩擦驱动，无磁极 和绕组，工作时无电磁场产生，也不受外界电磁场及其他辐射源的影响， 非常适用在光学系统或超精密仪器上。 3 动态响应快、控制特能好。超声波电机具有直流伺服电机类似的机械特性， 但超声波电机的起动响应时间在毫秒级范围内，能够以高达l k h z 的频率进 行定位调整，而且制动响应更快。 4 断电自锁。超声波电机断电时由于定、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 运行无噪声。由于超声波电机的振动体的机械振动是人耳听不到的超声振 动，低速时产生大转矩，无齿轮减速机构，运行非常安静 东南大学硕士学位论文 6 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。 表1 - 3 超声波电机与电磁电机的性能对比 质 堵转空载功率 转矩 类型产品 厂家量 转矩转速密度 密度效 n c r p m w n e 塞 阐 m k 【】 m 】k g g f k 2 8 0 ，2 8 6 5 直 1 4 ，5 e mm a b u c h i 61 5 2 1 6 04 2 3 流有刷 0 0 1 3 1 9 e 0 0 3 s 值流 m i c r o 1 3 , 5 e m1 20 3 31 0 42 91 有刷m o 0 0 5 1 2 0 e m 直流有刷 m a x o n 81 2 74 5 3 3 0 0 5 0 0 e m 直流无刷 k o y l n a n5 681 71 30 0 4 ，0 0 e m 直流无刷a a e r o n e x5 60 9 84 03 8o 0 u s 8 - m m 行波、环形 m i t o 2o 0 5 m64 1 7 5 0 1 0 82 1 0 a u s 驻波、纵扭k u m a d a5 01 3 31 2 05 08 8 70 m u su s r 6 0 ，行波、盘 s h i n s e i3 06 21 0 51 62 7 03 ma u s m e f3 0 0 2 8 l ，环形c a n o n51 64 0- 53 5 65 u s m 双面齿 h t 3 0 1 7 04 07 35 2 03 7 结构简单、设计形式灵活、自由度大，易实现小型化和多样化。由于驱动 机理的不同，超声波电机形成了多种多样的结构形式，如为了满足不同的 技术指标( 如额定转矩、额定转速、最大转速等) ，可方便的设计成旋转、 直线及或多自由度超声波电机。为充分满足不同应用场合中结构空间的要 求( 如体积( 长、宽、高) 、重量等) ，即使同一种驱动原理的超声波电机， 可以设计成不同的安装形式，超声波电机的定、转子可以与拟采用超声波 电机控制的运动系统中的固定部件和运动部件做成一体，简化整个系统的 体积和重量。 8 易实现工业自动化流水线生产。超声波电机的结构简单，只需要金属材料 的定、转子，激励振动的压电陶瓷，有些场合需使用热塑性摩擦材料和不 同的胶粘剂，没有电磁电机线圈绕组那样需要人工下线，比传统电机更易 实现工业自动化流水线生产，优化电机生产的产业结构、提高成品率、降 低电机生产企业的人力资源费用，超声波电机驱动控制装置在目前的电工 4 第一章绪论 电子技术条件和集成化芯片的生产工艺条件下更易实现工业自动化流水线 生产，不仅避免了目前电机生产企业只生产电机本体的产品单一性，而且 降低企业的整个生产成本，提高了企业的利润。 9 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。如定转子问不需润 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。 1 4 超声波电机驱动控制技术的发展 超声波电机的特殊结构和驱动原理决定了它的传递函数是非线性的。超声波 电机利用定转子之间的摩擦驱动，而定转子之间的相对滑动摩擦系数不能确定， 而且电机谐振频率会随着连续运行时间的增加、温度的升高而变化，同时由于压 力和摩擦驱动转矩沿定子环的分布性，超声波电机本身呈现出复杂的非线性。由 于超声波电机的基本结构及工作原理与传统的电磁电机完全不同，理论上的动态 及静态数学的模型难以建立，目前还没有一个传递函数可同时表示超声波电机动 静态性能的精确的数学模型，因而传统的控制策略并不适用于超声波电机的控 制。在对位置、速度、转矩等有一定要求时则需要采用闭环控制方式。1 9 8 6 年日 本的t a k e s h ih a t s u z a w a 系统研究了环形行波型超声波电机的速度控制特性【l ，得 到了环形行波型超声波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 9 0 年y u j ii z u n o 等人实现了超声波电机的负载自适应跟踪控制 的两相谐振逆变器【l ”，第二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波电机 驱动伺服系统的定位控制研究u ”。1 9 9 0 年y o s h i r ot o m i k a w a 的研究小组开始进行 了消除超声波电机残余振动及避免超声波电机金属噪声的驱动脉冲串波形的研 究。1 9 9 1 年，a t s u ok a t o 等人实现了环形行波型超声波电机的柔顺控制，并于两 年后实现了超声波电机直接驱动机械臂的柔顺控制 1 ”。1 9 9 4 年t o m o n o b us e n j y u 等人实现了白适应控制下的超声波电机自适应速度控制 1 ”，t 9 9 5 年实现了同时控 制频率及相位差双模控制的超声波电机精密定位控制，1 9 9 6 年实现了应用混合控 制的精密快速的超声波电机定位控制，并进行了应用神经元网络技术进行超声波 电机位置控制的研究。1 9 9 4 年，s e i j ia o y a g i 等人应用相移输入及电压输入与一 个模糊控制器，实现了超声波电机的快速精密定位控制。19 9 5 年，k a n e k om 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波电机的自锁特性。1 9 9 5 年，t k a m a n o 等人实现了超声波电机定位系统的前馈控制。1 9 9 7 年，f a a - j e n gl i n 将模糊自适应技术与模式跟踪相结合应用于超声波电机位置控制 1 7 1 。1 9 9 9 年， f a a - j e n gl i n 提出将模糊神经元网络( f u z z yn e u r a ln e t w o r k ，简称f n n ) 技术应 用于超声波电机位置控制，以降低因电机参数变化而造成对控制精度的影响【18 。 1 9 9 9 年，香港大学的s w c h u n g 提出了一种神经模糊双模控制器，通过双模控制 同时在线调节超声波电机的驱动信号的频率和两相的相位差【l9 】。2 0 0 0 年，j m a s s 等针对行波型超声波电机提出了一种基于模型的控制方法【2 。】。2 0 0 1 年，t o m o n o b u s e n j y u 等人利用参考模式自适应控制( m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ec o n t r o l ，简称 m r a c ) 方法实现了对超声波电机运行死区补偿 2 ”。2 0 0 2 年，香港大学的k t c h a u 东南大学硕士学位论文 提出了一种新型的行波型超声波电机速度跟踪控制，它把神经模糊控制和直接脉 宽调制控制合成，来解决了非线性和多变性问题i 丑l 。2 0 0 3 年，t o m o n o b us e n j y u 等人利用模糊神经网络这种控制方法对超声波电机的运行死区进行补偿四 。 从上面的研究成果可以看出，对于行波型超声波电机而言，在直接驱动控 制系统中，一般选用相位差或者驱动频率做为控制变量，在精密快速定位及速 度跟踪控制时，通常将二者都选作控制变量，通过一定的控制策略进行实际的 控制应用。当前，超声波电机的控制策略及与之相辅相成的控制装置的研究正 走向更高的层次。控制方向也正朝着快速精密的超声波电机定位与速度控制方 向发展。探索运用恰当的现代数学分析手段及与之相对应的控制策略，利用先 进技术开发高性能的超声波电机驱动控制系统，不断提高超声波电机应用水平 是超声波电机研究的重要方向之一。 1 5 课题的内容及工作 本课题的主要研究内容：基于d s p 的超声波电机测控系统的研究：超声波电 机速度与定位系统的研究。 本论文的研究内容安排如下： 第一章绪论。概述了超声波电机的研究历史与现状，超声波电机的分类和 应用，超声波电机及其驱动控制的特点及超声波电机驱动技术的发 展并提出了本文的主要研究内容。 第二章环形行波型超声波电机及其控制原理。本章在对环形行波型超声波 电机运行机理进行分析的基础上，对超声波电机数学模型和电学等 效模型进行了分析，总结了环形行波型超声波电机驱动控制策略和 控制系统的原理。 第三章基于d s p 的超声波电机测控系统的研究。本章根据超声波电机的原 理和控制特性，在基于d s p 的超声波电机控制系统平台的基础上对 超声波电机的控制系统进行研究，并且介绍了- 4 超声波电机的测 试系统。 第四章超声波电机速度与定位系统的研究。根据超声波电机的控制原理， 本章分别介绍了三种控制策略：p 调节速度与定位控制、p i d 调节速 度与定位控制、模糊自适应p i d 调节速度与定位控制。利用三种控制 策略分别对超声波电机进行控制，针对三种策略下超声波电机的特 性分别作了测试，并对测试结果作了详细的分析，提出了针对不同 控制要求、不同控制对象所适用的控制方法。 第五章总结与展望本章对全文内容进行总结，并根据超声波电机控制系统 开发和研究过程中所取得的经验和教训，提出了超声波电机控制技 术需进一步研究的课题。 6 第二章行波型超声波电机及其控制原理 第二章行波型超声波电机及其控制原理 2 1 行波型超声波电机的结构特点 2 1 1 行波型超声波电机的结构特点1 2 1 1 3 行波型超声波电机就结构来看，有环形行波型超声波电机( r i n g - t y p e t 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 ，简称r t w u s m ) 和圆盘式超声波电机 ( d i s k t y p eu l t r a s o n i cm o t o r s ，简称d t u s m ) ，r t w u s m 是目前国内外应用和 研究最多的电机。图2 1 示为r t w u s m 的基本结构分解图，定转子均为圆环 形结构。其中，转子同定子的接触面覆有一层特殊的摩擦材料，定子上开有齿 槽，定转子之间依靠蝶簧变形所产生的轴向压力紧压在一起。 图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由逆压电效应引起的压电陶瓷微观振动来产 生宏观机械直线运动或旋转的。环形行波型超声波电机，其核心部分是由压电 陶瓷和弹性体组成的定子及与定子的接触面粘有摩擦材料的转子。定子和转子 均为一薄圆环，使得整个电机结构呈扁圆环形，这也是环形行波型超声波电机 在结构上的最大特点。 图2 2 所示为压电陶瓷的电极结构图，由极化过的压电陶瓷片组成。图中 的阴影区域为未敷银或对应部分的敷银层已经被磨去的小分区，它将压电陶瓷 的上下极板分隔成不同的区域。图2 2 ( a ) 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 r t w u s m 的两相电极，它们利用压电陶瓷的逆压电效应产生振动；而s 区是 传感器区，它利用压电陶瓷的正压电效应产生反馈电压，该电压可实时反映定 子的振动情况，其反馈信号可用于控制驱动电源的输出信号，形成孤极反馈控 制回路。图中，压电陶瓷环的周长为行波波长z 的n 倍，a 区和b 区各分区所 占的宽度为五2 ，s 区宽度为五4 ，用于将两驻波合成为一个波长的行波，也 可作控制和测量用反馈信号的传感器，g n d 区为3 丑4 ，作为a 区和b 区的公 共地。 东南大学硕士学位论文 3 五 ( a ) 正面 图2 2 压电陶瓷电极结构图 2 1 2 环形行波型超声波电机电学等效模型 ( b ) 反面 环形行波型超声波电机的控制系统应当根据超声波电机模型分析来设计实 现。目前，对超声波电机模型分析通常采用解析法、有限元法和等效电路法这 三种方法。通过等效电路法分析，可以得到的环形行波型超声波电机电学等效 模型，并能够很好的模拟电机系统的电输入特性 4 】 5 ，对于超声波电机控制技术 的研究具有重要的参考价值和指导意义。 v 图2 - 3 自由定子单相等效电路 在谐振频率附近的固定频率点单相驱动的环形行波型超声波电机其自由定 子可用一个等效电路来表示旧，如图2 - 3 所示。其中c d 表示由压电陶瓷介电性 引起的夹持电容，局表示压电陶瓷的介电损耗，k 表示定子质量效应的等效电 感，c 卅表示定子弹性效应的等效电容，如表示定子内机械损耗的等效电阻。 环形行波型超声波电机是通过利用两个同型驻波叠加，然后形成的一个行 第二章行波型超声波电机及其控制原理 波作为驱动源，然后通过摩擦带动转子转动。其类型为单压电环双相驱动型超 声波电机，因而整个电机的等效电路可由图2 - 4 所示的表示。 v a 图2 - 4 两相驱动的完整等效电路 环形行波型超声波电机压电陶瓷的电极结构如图2 - 2 所示，a 相压电陶瓷 激励区与b 相压电陶瓷激励区在空间上相差1 4 个波长五。因而当a 相激励使 得金属环产生一个驻波振动时，b 相压电陶瓷极化区的中心正好位于a 相振动 的平衡位置，即0 和1 8 0 相位区，在这里各极化区的陶瓷片一半因外力作用伸 长，而另一半压缩，总的伸缩量相加为零，对外不表现出压电特性，a 相驻波 振动不影响b 相的电特性，如图2 5 所示；同理b 相的驻波振动也不影响a 相 的电特性，二者是相互独立的。因而整个电机的等效电路可用一个单相电路来 表示，如图2 - 6 所示。在图2 - 6 所示的等效电路中，如表示由预压力引起的振 动损耗， 预压力、 r m “代表转矩负载，旁路电流i d 是考虑到电机性能特性因滑动摩擦、 负载、温度等因素变化而受到的影响引入的电流支路。 y 力忒 一 鲁揪 图2 - 5 两相驻波间相互影响 9 东南大学硕士学位论文 对电流支路进一步细化研究：首先，通过考虑预压力和摩擦力驱动对电机 转速的影响，引入恒流源l ；其次，考虑到负载转矩对电机转速的影响，引入 恒流源l ；最后，考虑到温度对电机的机电特性的影响，将等效电路中电路元 件表示为温度的函数，并最终可以得到电机整体如图2 7 所示的等效电路。在 图2 - 7 中，b 表示由预压力引起的摩擦损耗，c 表示预压力引起的频偏效应， r 、c 表示电机转子输出功率。其中，等效电路参数岛、巴、如、q 及l 可 通过对定子导纳特性的测量获得，而其他电路元件参数及可变参数的温度系数、 受控电流源的比例系数，需要通过实验结果与模型仿真结果的对比进行不断调 整来获得。当确定了一个电机的等效电路参数以后，就可以用此等效电路代替 真实的电机，用于驱动电路的设计以及在运行环境下进行控制方法的仿真研究。 图2 - 6 单相简化等效电路 负载 图2 7 考虑实际影响因素的等效电路 2 2 行波型超声波电机运行理论分析 2 2 1 行波型超声波电机的运行机理及定子行波的产生 刀 ( 1 ) 定子行波的产生 用于超声波电机的压电陶瓷片在相邻分区极化方向相反，在电压激励时， 第二章行波型超声波电机及其控制原理 由于压电陶瓷的非零压电系数破，相邻的两个压电分区分别伸张和收缩，从而 激发横向长度伸张和收缩的振动模态，可以在定子弹性体中激励出弯曲振动， 如图2 _ 8 和图2 - 9 所示。由于压电体在一个驱动信号作用下，一般只能获得驻 波分布，即使用单相交变电压激励压电陶瓷环a 区或者b 区，也只能在定子环 中激发出单一的驻波振动；而如果使用两相交变电压同时激励a 区和b 区，在 一定条件下就可以在定子环中激发出行波振动。 陌审嚣泣匿季虿未 压：塞差耋蕊丰 歪霉至蓄1 仓凸极化方向收缩 伸张 图2 - 8 定子弯曲振动产生机理 振动定子 图2 - 9 由驻波合成行波的原理 假设a 相e 1 的驱动激发的驻波为： ( x ，t ) = 厶c o s k x c o s t b 相e 2 的驱动激发的驻波为： ( t t ) = 品c o s k ( x a ) c o s ( o j t + 庐) ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 其中w a 、w b 为弹性体表面横向位移；、磊分别为a 相和b 相振动的振幅 东南大学硕士学位论文 七= 2 为弹性波振动的波数：旯= 告为弹性波波长；m 为周向振动模态阶数； l = 2 万月为定子环圆周长；r 为定予环平均半径；女= ”r ；口为a 相振子与b 相振子间的空间间隔( 对应图2 - 2 的电极结构，有口= a 1 4 ) ；西为a 相、b 相 驱动间的相位差；则有： ( z ，f ) = 品s i n k x c o s ( c o t + 妒)( 2 - 3 ) 两相驻波叠加可得定子环表面质点的横向振动位移，如下式： w x ，o ：窑c x o s o r + c w o 。s c o x t + 之js i n k x c o s ( o g t + ) ( 2 4 ) = 蟊品+ ) ” 当压电陶瓷对称极化时，有色= 品= 岛，当a 、b 相激励电压的相位差在时间 上差9 0 0 ，则痧= 7 r 1 2 ，可得到下式： w ( x ，f ) = 岛c o s k x c o s c o t 一彘s i n k x s i n c o t = 彘c o s ( 觑+ c o t ) ( 2 - 5 ) 当 a = b = 。，事= 一霄? 2 时t 奄： w ( x ，f ) = 彘c o s k x c o s ( o t + 彘s i n k x s i n c o t = 彘c o s ( k x - c o t )( 2 6 ) 由上两式可知，只要a 、b 两相驱动电压相位差为7 r 2 时，在定子环中形成行 波，而且当其中某一相反相时，行波的前进方向相反，即转子反向旋转。 ( 2 ) 定子表面质点的椭圆运动轨迹分析 图2 - 2 、图2 8 中的“+ ”极化区和相邻的“一”极化区产生相反的形变，从而 在圆周上形成行波，如图2 1 0 所示。 预压力 - - - - - - - - - - - - - - 定子行波运动方向 图2 1 0 定子振动机理 x 整三兰堡鎏型塑重堕皇塑墨苎望型里堡一 对于l ( 五r ) ：己c 。s 缸c 。s 国f + 毛s i n h c 。s ( f + ) ，定子表面质点纵向振动位移 u ( x ，t ) 可表示为 “( x ，。一ho w 苏( x , t ) ：一j 确( 厶s i n k x c o s o ) t + 善bc o s k x c o s ( t o t + p ) ) ( 2 7 ) 当己= 磊= 彘，妒= 石，2 时， “( x ，f ) ：一磁。s i n ( h 十甜f ) ( 2 培) 戮龚爱丢嚣黧蔷墨謦施蓑燃彤埘鹏雌黻铲 覃，由式( 2 6 ) 可得定子表面质点的运动轨迹方程： 立盟+ 丛望：1 ( 2 0 ) 4 0 2 ( k h 善o ) 由式( 2 7 ) ，可以获得定子表面质点运动的纵向速度为： k ( x ，f ) = 百o u ( x , t ) ：一k h 0 2 ( 誊s i n k r s i n c o t 一品c o s k x s i n ( c o t + 妒) ) 当厶：岛= 岛，痧= x 2 i t 寸r 可以变为： 在椭圈运v ( x t ) ；= 占o u 导( x , ，t ) 即= 波_ k 峰h f 处o o ) ，e ，o 横s ( k 向x + 位c o 移t ) w 最大，而纵向位移“为( 2 零- 1 ，o ) 利用 在椭圆运动最高点时( 即波峰处) ，横向位移w 最大，向纵i 司位移“川。1 。“。 丝盟：0 ，即乇s i n b c c o s c o t + 掌e c o s h c o s ( 汁妒) 2 0 jc o s o ) t 可得8 h 2 疆季蒿尹翥享雾磊丽 此时k 获得最大值 ：删意筹淼一再g 善褥e c o s c o t s i n ( c o t + q r o ) 嚣 东南大学硕士学位论文 一 一胁国厶磊s i n 妒 一；= = ；2 = = = = = = = = ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 爵c o s 2 国f + 爵c o s 2 ( 国f + 伊) 当厶= 乞= 岛，= 石2 时， ( 2 1 1 ) 匕。= 一 而氏( 2 - 1 2 ) 上式中的负号表示定子表面的质点运动到椭圆最高点时，它的运动方向正好与 行波前进方向相反。若不计定转子间的滑动，假设转子接触面与定子振动波形 相切，则此时转子速度为下式( 2 1 3 ) 。这里的负号同样也表示转子速度与定子 振动行波前进的方向相反。 v r = 一i j q o e o 质点的横向振动速度为： 咖力= 鱼笋一细i n ( h 捌) 质点的横向振动加速度为： q ( x ，r ) = 丁a 2 w ( x , t ) = 一品0 3 2c o s ( 缸+ r ) r 2 1 3 ) r 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 、 2 2 2 行波型超声波电机的速度控制特性 ( 1 ) 单变量调频速度特性博j 图2 - 1 1 是两相驱动信号的相位固定为9 0 度，调节驱动频率时超声波电机的速 度特性。从图2 1 1 可以看出速度最高点是其谐振频率点，在低于谐振频率点的 范围速度是陡降的，这一段频率范围是不适合用来控制超声波电机的速度；而 高于谐振点的频率范围速度是平稳下降的，近似于线性关系，非常适合用来进 行超声波电机的速度控制。同时我们还可以看出，在相同频率条件下，不同负 载对应的速度值也是不同的，负载越大速度就越低。 e 鲁 、 趟 嘲 一t = o f n h l “2 “。 、； 一，。 h 一 频率f h z 图2 1 1 频率速度特性曲线 1 4 第二章行波型超声波电机及其控制原理 控制驱动频率来实现超声波电机的调速，调速范围大、响应速度快，但误差 较大，且由于温度对电机参数的影响，使得频率特性的重复性变差，引起在指 定速度处有抖动。不过在电机高转速或大转矩输出情况下，必须采用固定9 0 0 相位差同时变频调速的方式。 ( 2 ) 单变量调压速度特性【8 】 如图2 1 2 所示，该特性曲线测试条件为：两相相位差为9 0 。，驱动频率 4 1 5 k h z 。当驱动电压小于2 3 0 v 时，电机转速接近为0 ；当