（电机与电器专业论文）超声波电机及其精密伺服控制系统研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 实现了超声波电机高精度位置检测，研制了基于d s p 的超声波电机精密伺服控 制系统。完成了采用驱动频率，相位的p 、p i 和自适应控制方案进行精密定位控制的 理论探讨和实验研究，并进行了模糊控制的理论探讨。 在理论研究的基础上，成功地研制了环形超声波电机及其精密定位控制系统。 单元电机最大转矩1n m ，控制精度2 1 6 。 关键词：超声波电机；精密伺服系统；设计理论；控制策略 本研究由国家8 6 3 高科技航天领域项目“航天用超声波电机样机研制”( 8 - 2 2 - 4 - 6 b ) 和高校博 士点基金“超声波电机精密定位控制系统研究”( 2 0 0 0 0 4 8 7 1 | ) m 助 一n 一 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t u l t r a s o n i ci n o t o r ( u s m ) i san o v e lm o t o rw i t hs p e c i a lm a t e r i a l sa n dc o m p l e t e l yn e w d r i v i n gp r i n c i p l e c o n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c tc a u s e su l t r a s o n i cv i b r a t i o n o ft h es t a t o rt o o b t a i naf r i c t i o n a ld r i v i n gf o r c e ，w h i c ht h e nd r i v e st h er o t o r ，p r e s s e da g a i n s tt h es t a t o r - c o m p e r e dw i t hc o n v e n t i o n a l e l e c t r i cm o t o r ，u s mh a sm a n yu s e f u lf e a t u r e s ，s u c ha s c o m p a c ti ns i z e ，h i g h 4 0 r q u e a tl o ws 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 ro f f , n o m a g n e t i c i n t e r a c t i v ee f f e c t ，q u i c kr e s p o n s ea n dq u i e to p e r a t i o n t h e r e f o r e ，i ti se x p e c t e dt o b eu s e di nt h ef i e l do fs m a l lp o w e rl e v e la p p l i c a t i o n s ，s u c ha sa e r o n a u t i c sa n ds p a c e ， h o u s e h o l da p p l i a n c e s ，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 s ，m i n i a t u r i z e d m a c h i n e se t c c o n s e q u e n t l y ，s c i e n t i s t sh o m ea n da b r o a dh a v ep a i d m o r ea n dm o r ea r e n t i o n st ot h e r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n s t h ed i s s e r t a t i o nm a i n l yi n v e s t i g a t e st h et r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m ，m a t h e m a t i c sm o d e l ， s t r u c t u r ed e s i g n ，d r i v i n ga n dp r e c i s es e r v os y s t e mo nu s m ，a i m e dt ol a yaf o u n d a t i o nf o r f u r t h e rr e s e a r c ha n di n d u s t r i a l i z a t i o n t h ec o n t e n t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n so fu l t r a s o n i cm o t o ra r cs y s t e m a t i c a l l yr e v i e w e d a n di t so p e r a t i o nm e c h a n i c si sh i 【g h l i g h t e d t a k i n ga c c o u n to ft h es h e a r i n g d e f o r m a t i o na n dr o t a r yi n e r t i ao fap i e z o e l e c t r i c c e r a m i c m e t a lc o m p o s i t eb e a m ，t h ev i b r a t i o ne q u a t i o ni sg i v e n ，a n dt h e nt h er e s o n a n t f r e q u e n c yd e r i v e d c o n s i d e r i n gt h e e f f e c to f d a m p i n g ，t h er e s o n a n c ea m p l i t u d eo f af o r c e d v i b r a t e db e a mi sc a l c u l a t e d t h ei n f l u e n c eo ft h eb e a m sp a r a m e t e r so nt h er e s o n a n t f r e q u e n c y a n da m p l i t u d ea r ea l s od i s c u s s e di nd e t a i l t h ei n t e r f a c ec o n t a c tm o d e lb e t w e e nt h es t a t o ra n dt h er o t o ri sc o n s t r u c t e d ，a s s u m i n g t h a tt h er i g i ds t a t o rc o n t a c t s 也ec o m p l i a n tr o t o ro v e ra na r e a a n dt h ef r i c t i o n a lm a t e r i a li s r e g a r d e da sd i s t r i b u t e dl i n e a rs p r i n ga n dw i t h o u ts h e a r i n gd e f o r m a t i o n , f r o mw h i c ht h e m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i co ft h em o t o ra n dt h ei n t e r f a c et r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c y a r e d e r i v e d o nt h i s b a s i s ，t h e i n t e r f a c ec o n t a c tm o d e l t a k i n g a c c o r d a n to f s h e a r i n g d e f o r m a t i o no ft h ef r i c t i o n a lm a t e r i a l ，w h i c ha g r e e sw i t l lt h ep r a c t i c a ls i t u a t i o nm o r e i s f i r s t l yp r o p o s e d a n dt h e nt h ee f f e c t so ft h em o t o r sp a r a m e t e r so ni t sp e r f o r m a n c ea r e i n v e s t i g a t e d 一- - _ _ _ _ - _ _ _ - _ 一 | i i 华中科技大学博士学位论文 afs h a p e dt r a n s i t i o ne x t e n d i n gf r o mt h er i n gt ot h es u p p o r tf r a m eo ft h es t a t o ri s f i r s t l yp r o p o s e d ，w h i c hc a nr e d u c e t h eu n d e s i r e dv i b r a t i o nc o m p o n e n ta n dt h e r e f o r e i n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo fe l e c t r o m e c h a n i c a le n e r g y an o v e lm o t o rc o m b i n e dw i t ht w o s t a t o r sa n dr o t o r si sp r o p o s e d ，w h i c hi se x p e c t e dt ob eu s e f u lt oa c h i e v eh i i 曲o u t p u tt o r q u e ad r i v i n gc i r c u i tw i t ht w op h a s e s ，h i g hr e l i a b i l i t y ，a n dh i g ha n t i - i n t e r f e r e n c ei s r e a l i z e d m o r e o v e r ，t h ei n f l u e n c e so fs e r i e sa n dp a r a l l e li n d u c t a n c ef o ri m p e d a n c em a t c h o nt h ep e r f o r m a n c ea r ed i s c u s s e d r e s p e c t i v e l y t oc o n t r o lo f s p e e ds t a b i l i t yo f t h em o t o r ，a n o v e l f r e q u e n c y - t r a c k i n g s c h e m eb yt h ef e e d b a c k s i g n a l o fs t a t o r s s i m p l es e n s i n g p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c i sr e a l i z e d b a s e do nh i g hp r e c i s i o np o s i t i o nd e t e c t i o n ，ad s pb a s e dp r e c i s es e r v os y s t e mi s d e v e l o p e d f u r t h e r m o r e ，p r e c i s ep o s i t i o n c o n t r o ls c h e m e u s i n gp ，p i ，a n da d a p t i v e c o n t r o l l e rw i t hd e a d - z o n ec o m p e n s a t i o nt ot h ed r i v i n gf r e q u e n c ya n dp h a s ed i f f e r e n c ei s d e e p l yi n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y b e s i d e s ，f u z z yc o n t r o ls t r a t e g yi s d i s c u s s e d t h e o r e t i c a l l y i nt h ee n d ，t h er i n gt r a v e l i n gw a v eu l t r a s o n i cm o t o ra n di t sp r e c i s es e r v os y s t e ma r e s u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d t h em a x i m u mt o r q u ei si n m ，a n dt h ep o s i t i o n i n gr e s o l u t i o n r e a c b u st o2 1 6 k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cm o t o r , p r e c i s es e r v os y s t e m ，d e s i g nm e t h o d ，c o n t r o ls t r a t e g y + t h i sr e s e a r c hi ss p o n s o r e db yn a t i o n a l8 6 3 础i ht e c hs p a c ep r o j e c t “r e a r c ho ru l t r a s o n i c m o o rf o rs p a c ea p p l l e u t l o n s ( 8 6 3 - 2 - 2 4 6 b ) a n dp h d r 绷仲hf u n do fs t a t ee d n c s t i o n c o m m i t t e e “r e s e a r c ho nu l t r a s o n i cm o t o r p r e c i s e 8 e r v o s y s t e m ”( z o o 0 0 4 8 7 1 1 ) 一_-_一 一i v 华中科技大学博士学位论文 1绪论 内容提要：本章首先阐明了研究超声波电机的意义，并概述了目前的超声波电机种 类在与传统电磁型电机进行比较后，系统地介绍了它在目前的发展状况和已获得 的主要应用最后提出了本文的研究目的和主要研究内容 1 1 研究超声波电机的意义 超声波电机( u l t r a s o n i cm o t o r ，u s m ) 是一种直接由功能材料构造的新型电机。 其原理、结构及运行控制方式均与传统电机不同，而最主要的区另0 是无绕组和磁 极，也毋需通过电磁作用产生运动力。u s m 一般由振动体( 相当于传统电机中的定 子，由压电陶瓷和金属板制成) 和移动体( 相当于传统电机中的转子，由摩擦材料及 金属等制成) 组成。在振动体的压电陶瓷上加超声频交流电压时，压电陶瓷利用逆压 电效应或电致伸缩效应产生超声波振动，通过振动体与移动体间的摩擦力即可将这 种振动变换成移动体的旋转或直线型运动：或者直接用压电振子产生的弯曲振动作 驱动源，借助于简单的机械结构也可驱动移动体运动【l , 2 1 。由于其独特的运行机理， u s m 具有传统电磁式电机所不具备的优点： 1 电磁型电机用于位置控制系统时，需配有齿轮减速机构，以保证其低速运 转并获得较大的转矩。而超声波电机弥补了这个不足，它不需减速齿轮即 能在低速时获得大转矩，可直接用于驱动元件。 2 超声波电机的能量密度是电磁型电机的5 1 0 倍左右。相同功率下，其体 积要比电磁型电机小得多，使其在体积很小的情况下同样可以获得足够大 的功率输出。 3 电磁型电机在外界强磁场影响下不能正常运转，它所产生的磁场也会影响 某些敏感设备的正常工作。而超声波电机由于没有线圈和磁铁，本身不产 生电磁波，外部磁场对其影响也很小。 4 超声波电机定、转子通过较大的预压力压紧，断电后有很大的自锁力。另 外，由于转子的转动惯量很小，而定转子之间的摩擦力相当大，所以其动 态响应时间短。 5 超声波电机依靠定予的超声振动来驱动转子运动，超声振动的振幅一般不 超过几个微米，振动速度只有几厘米，秒到几米，秒，步距角可达分级，故其 控制精度很高。 _ l - 华中科技大学博士学位论文 6 超声波电机依靠压电陶瓷的超声振动工作，人耳听不到超声频的振动噪 声。而且由于它不需齿轮减速机构，因此也不存在齿轮产生的噪音，减小 了对周围环境的污染。 综上原因，超声波电机的研究受到了工业发达国家的普遍重视。日、美、德等 国在u s m 的理论研究和应用方面都投入了大量的人力和财力。日本在这个领域居 世界领先地位，现已有多种规格的产品问世。u s m 应用于航天航空、军事、机器 人、计算机设备、生物医疗仪器、汽车专用电器、办公自动化设备、精密仪器和仪 表等方面，已取得了令人瞩目的成就。 超声波电机是压电陶瓷、功能材料、机械振动、超精加工、电力电子、控制理 论等学科交叉发展的结晶。对超声波电机的研究与开发，在某些领域可取代传统的 小型和微型电磁电机，在航空航天、机器人、医学等高科技领域将会引起深刻的技 术革新。可以说，对超声波电机及其控制系统的研究有重要的科学意义和广泛的应 用前景i 。 1 2 超声波电机的分类 ( 1 ) 按产生转子运动的机理可分为驻波型和行波型。驻波型是利用作固定椭圆运动 的振动体来推动转子或动予，属间断驱动方式。行波型则利用振动体中产生的 行走的椭圆运动来推动转子或动子，属连续驱动方式。 圆按转子的运动方式可分为旋转型和直线型。 0 ) 按定转子是否接触分为接触型和非接触型。 1 2 1 驻波型直线超声波电机 驻波型超声波电机不需要在整个弹性体上激发弯曲表面行波。它只需要通过 某种耦合方式，把弹性体的纵向振动转换成弹性体局部表面上的椭圆运动即可。图 1 1 给出了一种典型的驻波直线电机。它将纵向振动和弯曲振动在端面上合成为 个椭圆运动。当这一端面被压按在导轨上时，它们将有水平方向的运动分量出现， 然后在摩擦力作用下。使电机运动起来。这种电机最大驱动力4 0 n ，最大速度 0 2 m s ，效率1 0 1 5 1 7 1 。 图1 2 所示为兀型超声波直线电机。冗型振子由弹簧施加预压力保持与滑板接 触，通过摩擦使滑板作直线运动哺l 。 华中科技大学博士学位论文 以向撮动 弯曲搬动捆圆运动 + 踟 图i i 驻波线性电机 翻1 2 单兀烈超声波直线电机 图1 3 为双兀型超声波直线电机。机电结构完全对称的两个7 【型振子与连杆是一 个整体，四条腿平稳地站在底座上，由永磁体、磁轭和可调导磁衔铁( 矽钢片迭压) 提供所需预应力，通过摩擦力作用沿导轨作直线运动，既是振动载体，又是运动载 体。与单7 c 型电机相比，结构明显简化，加工难度和制造成本明显降低，运动更平 稳吼 图1 3 双兀型超卢波直线电机 华中科技大学博士学位论文 图1 4 为另一种直线电机。当齿在合适的位置与滑块接触，动子作直线运动 就构成直线电机。图1 4 ( c ) 、( d ) 中齿的位置不同，其运动方向也不同1 们。 国 阱 ( c ) 旧 ( a ) 弹性体产生的驻波( b ) 驱动方向和范闱 ( c ) 、( d ) 齿的设置位置和移动体的移动方向 图1 , 4 驻波型直线电机 1 2 2 驻波型旋转超声波电机 驻波型旋转电机由纵向振子和扭转振子组合而成。通过振动模态的变换，使驱 动端产生椭圆运动轨迹，驱动转子旋转。 图1 5 为双驱动振予的旋转驻波电机b l 。当振子l 、2 分别激振时可实现转子 的顺时针、逆时针方向回转。 图1 , 5 双振子旋转电机 图1 6 为纵扭复合型超声波电机【m 。纵振子激发出轴向振动，扭转振子激发 出往复的扭转振动，在与转子接触时输出力矩驱动转子旋转。纵振动控制定转子间 - - 4 一 华中科技大学博士学位论文 的正压力，将定子的往复振动整流为转子的单方向旋转运动。这种电机的定转子由 于是面接触，因而输出力矩很高，可达4 0 n m 。 扭转搬动位移 # 千速度 山 、 盏 i 纵向攮z 加 z t 扭转振动p z t i t 姒向攮动位移 图1 6 纵扭复合型超声波电机 图1 7 是双转子对称型复合振子超声波电机l l 。它在图1 6 的基础上增加一个 转子。为保证两个转子上施加的压力相等，定子做成中空型，两个转予使用同一个 轴，且可在轴向自由移动。为保证两个转子的旋转方向相同，纵振子使用第二阶振 动模态而扭振子使用第一阶振动模态。定转子表面的界面压力由弹簧产生的静态压 力和纵向振动产生的周期性动态压力组合而成。当弹簧产生的静态压力最优时，电 机的件能才合人满意。 图i 7 双转子对称型复合扳子超声波电机 - 5 - 塞 直昏 直昌丁 华中科技大学博士学位论文 1 2 3 行波型直线超声波电机 图1 8 所示直线电机用一根有限直梁作为导轨。设置在直梁两端的振子，一个 用于激发振动，一个用于吸收振动，从而保证在梁上激发出弯曲行波。滑块获得弯 曲行波的能量，向逆波传播方向运动。当两个振予互换激振器和吸振器的角色时， 滑块的运动方向即可改变。这种电机工作频率为2 8 k h z ，最大速度2 0 c m s ，最大推 力5 k g l l 8 , 1 9 1 。 图1 9 为另一种行波型直线电机。它包括一个金属定子和一对粘贴在定子上， 且相隔一定相位的压电材料。当分别施加具有合适相位差的电压时，两个压电材料 产生的驻波将合成行波。这种电机简化了图1 8 的结构【2 0 , 2 1 1 。 蒿蛳电源 图1 8 双振子行波型直线电机 图1 9 单振子行波型直线电机 华中科技大学博士学位论文 1 2 4 行波型旋转超声波电机 圈1 1 0 为圆柱状、基于弯曲振动模式的摇摆型行波旋转超声波电机。当一对在 相位上互差9 0 。的正交信号输入到a 、b 压电体中时，将激发定子作一个旋转式的 摇头弯曲振动行波波动。此波动再通过定子与转子之间紧密接触的摩擦力来连续 驱动转子，从而使转予旋转并产生力矩输出。电机角分辨率o 0 1o ，速度 3 0 r m i n 7 0 r m i n ，转矩o 0 5 5 n m 1 2 2 , 2 3 1 。 图1 1 0 摇摆型行波旋转超声波电机 图1 1 1 和1 1 2 为目前商业化应用最为成功的旋转型行波超声波电机：环形超声 波电机和盘形超声波电机之6 1 。它们的工作原理相同，即两个具有一定相位差的同 频超声电压分别作用于压电陶瓷的a 、b 两相，以在定子上激发行波。行波所产生 的切向摩擦力使压在定子上的转子旋转。 m i j 三1 i 哒坫 ( 1 1 ) 盅孵推，jj 宅r 振柚 旗代 l1 2 繇彤旋转趟声波i u 机 乃进 步 j 靠i 行波，诅超声波p l ) l f l c j 输功牢和转矩，丌发了舣而齿jj ：波型超声 2 f j l j h1 i3 所爪i 2 ”。n ：定f 盘两i f i i 择猫贴环形爪【l 陶瓷片，i - 下两j k 电陶 引lr j 舞f 1 定i ：、i f f ”p u 分之+ 波k 。j e 最人转j 41j 精f 冉，i n j 最人输l 功率为 l j 4 f i j j 、i1 j l i i j 州f 汛 华中科技大学博士学位论文 1 2 5 非接触型超声波电机 接触型电机因其定、转子表面接触而产生一些不利的影响：接触面的磨损使电 机工作寿命减少；因摩擦将产生发热现象；因定、转子表面接触。限制了电机转 速，从而制约了电机的工作范围。非接触型超声波电机的定、转子是不接触的，因 而克服了接触型超声波电机的一些缺点。一般认为这种电机可能是由声压进行传动 的。目前非接触型电机按定子的结构可分为圆板型、圆筒型和直线型：按定、转子 间的媒质可分为以气体为媒质和以液体为媒质( 如：水、硅油、盐水) 。图i 1 4 一i 1 6 分别为圆盘型非接触电机、驻波非接触直线电机和圆筒型非接触电机1 2 “驯。 图1 1 4 圆盘型非接触超声波电机 向 图i 1 5 驻波非接触直线电机 华中科技大学博士学位论文 转平 图1 1 6 圆筒型非接触超声波电机 1 2 6 微型超声波电机 因为基于压电效应的压电微动电机具有无间隙、无噪声、不需润滑、不产生内 热、结构紧凑及可在真空中工作等优点，在微米级和亚微米级驱动技术中得到了广 泛应用。 图1 1 7 ( a ) 为压电圆管式步进微动电机的结构刚3 4 。6 】。它由两个p z t 夹具1 、3 和一个p z t 中心振子2 组成，4 为导轨。图1 1 7 ( b ) 给出了电机的驱动电压波形。这 种电机的机械分辨率很高，可达r i m 级，已在扫描隧道显微镜和精密机械里得到了 应用。 1 2 7 多自由度超声波电机 图1 1 8 为球形电机，它由四个定子和一个球形转子构成1 3 7 1 。每对相向的定予同 时激振时，可使电机产生一个自由度的运动。该超声电机可在l 和2 两个自由度方 向旋转。此电机的缺点是：当一对定子激振时，另一对定子将对转子产生阻力。为 克服这种不足，要使非驱动定予激发出驻波。 华中科技大学博士学位论文 绷：松并矗盛步骊：黼点基捣 匕口匕t = 尸 步雾眨：夹紧i 步辩：撇 步骤4 ：夹紧3 步鞲为：收缩2 步霸s ：夹紧l 书燃检痢镥 步骤i12345678 ( 蚴 图1 1 7 ( a ) 步进微动超声波电机运行原理( b ) 电机驱动电压波形 定子4定予3 图i 1 8 球形电机 3 华中科技大学博士学位论文 图1 1 9 为棒状定子多自由度电机，它有三种振动模态：z - x 平面内的弯曲模态 a 、y - z 平面内的弯曲模态b 以及沿z 轴的纵向模态c 。三种模态两两简并可获得三 个自由度。如：使用a 、b 两种模态，则球形转子绕z 轴旋转( 图1 1 9 ( a ) ) ；使用 b 、c 模态，转子绕x 轴旋转( 图1 1 9 ( b ) ) i 【3 8 - 4 0 。 r o t o r ( i v ，m o d e b m n m o d e c m 图1 1 9 棒状定子多自由度电机 图1 2 ( ) 为金字塔形2 自由度电机。它使用四个御置成盒字塔形的压电驱动器， 驱动器顶端产生的圆形振动可使压在其上的球形转子产生两个自由度运动 4 1 - 4 4 】。 毒 ( b ) 图1 2 0 二自由度金字塔形电机 企吊山眦(c宙 华中科技大学博士学位论文 1 3 超声波电机与传统电磁电机的比较 现有的伺服及控制系统大都采用电磁式电机驱动，主要品种为有刷( 或无刷) 直 流伺服电动机、直流力矩电动机及两相伺服电动机等。但这些电机在重量、体积、 控制等诸方面都或多或少地存在一些不足。为突显超声波电机的性能和结构特点， 下面将一些小功率电磁式电机的典型数据h 习与超声波电机1 4 6 1 作一比较。 表i i 笼形转子两相伺服电动机典型数据 型号频率( h z )激磁控制堵转输出转速机身重量 电压( v ) 电压( v )转矩( n m )功率( w ) ( r l m i n ) 长度 ( g ) f r o m ) 4 5 s l 5 75 01 1 03 6o 0 1 91 62 7 0 06 04 5 0 5 5 s l 5 15 01 1 0l l o0 0 6 82 s1 2 0 07 01 0 0 0 表1 2 永磁式直流力矩电动机典型数据 型号 空载转速( r l m i n )转矩( n 1 1 i )功率( w )电枢长度( r a m l重量( g ) 3 6 l y 5 l5 8 0 0o 0 1 52 91 65 0 表i 3 永磁直流伺服电动机典型数据 型号 转矩( m n m )转速( r l m i n l功率( w )长度( m m ) 重量( g ) 2 0 s y 0 41 9 69 0 0 01 8 6 6 26 0 2 0 s y 0 1 l l2 5 0 02 5 7 71 6 0 2 8 s y 6 l9 83 0 0 03 o8 0 1 1 5 华中科技大学博士学位论文 表1 4 超声波电机典型数据( 日本新生公司产品手册提供) 型号 转矩( n m )功率( w )转速( r m i n )最人长度( r a m )重量( g ) u s r 3 00 0 30 72 3 03 33 4 u s r 4 50 1 21 51 3 05 06 9 u s r 6 0o 3 23 o9 06 72 4 0 由以上典型数据并结合各类电机基本特点可知： a 笼形转子两相伺服电动机转速稍低，但重量大，而且驱动控制系统会比较复 杂。 b 永磁直流力矩电机和伺服电动机重量较轻，但转速高，故应用中必须要带减 速装置。这不仅直接导致系统总重量的增加和传动效率的降低，而且还会出现齿隙 “死区”，并产生材料弹性变形误差。事实上，这已成为进一步提升直流伺服系统 控制精度的瓶颈。 c 由于运动惯性，电磁式电机都不能在断电后立即停止，而任何辅助制动措施 的采取都不可避免地会使控制系统变得更为复杂。 d 电磁式电机中的绕组既能产生也能接受电磁谐波，而有刷直流电机的换向火 花还会直接对无线电通讯造成干扰。 e 相比之下，在低速伺服控制应用场合，超声波电机在体积、重量等方面具有 明显优势。虽然相同功率等级的超声波电机与永磁式电机的重量和体积相差并不 大，但由于转速低，毋须传动链，因此，即使包括超声波驱动电源，也要比“电磁 式电机+ 减速机构”轻巧得多。更何况超声波驱动电源本身就具有调速功能，而电 磁式电机的调速还必须要附加特定的控制回路。 f 除低速大转矩特性之外。超声波电机还能兼控制精度高、控制成本低、断电 自锁、不产生也不接受电磁干扰、结构紧凑、运行无噪声等突出特点于一身。 综上所述，u s m 的综合高品质是传统电磁式电机所不及的，非常适合于精密伺 服控制系统的应用，并可望在微特电机领域内大面积替代各类电磁式电机。 华中科技大学博士学位论文 1 4 超声波电机在国内外的发展与应用 1 4 1 超声波电机的发展 超声波电机实际是前苏联首先提出来的1 4 7 1 。1 9 6 4 年基辅理工学院( k i e v p o l i t e c h n i c a li n s t i t u t e ) 的v v l a v r i n e n k o 设计了第一个压电旋转电机。此后研究 u s m 的机构越来越多。主要有拉托维亚的振动技术研究中心( r e s e a r c hc e n t e r v i b r o t e c h n i k a ，) 、基辅理工学院和乌克兰及列宁格勒理工学院( u k r a i n ea n d l e n i n g r a dp o l i t e e h n i c a li n s t i t u t e ) 等。1 9 8 0 年，仅拉托维亚的振动技术研究中心里从 事u s m 设计及应用的就有3 0 多人，其经费主要由苏联军事及空间工业部( s o v i e t m i l i t a r ya n ds p a c ei n d u s t r y ) 提供。此时苏联在u s m 领域处于领先水平，如设计了用 于微型机器人的有2 或3 个自由度的u s m ：人工超声肌肉，以及超声步进电机等。 不过由于文献发行局限性等原因，一些重要研究成果并未被西方科学界所充分了 解。苏联解体后，由于经济困难，用于u s m 的资金大幅削减，研究活动也逐渐减 少，只有几个主要的研究机构( 如拉托维亚的振动技术研究中心) 还在工作。 最早将u s m 产业化的是日本的t s a s h i d a 教授。他于1 9 8 0 年提出并成功地制 造了一种驻波型超声波电机，该电机使用l a n g e v i n 激振器，驱动频率1 7 8 k h z ，输入 功率9 0 w ，输出扭矩o 2 5 n m 。这是第一个满足了实际使用要求的超声波电机。 1 9 8 2 年，他提出并制作了行波型超声波电机，为超声波电机走向实用化开辟了道 路。1 9 8 7 年，这种行波超声波电机终于达到了商业应用。此后许多超声波电机新产 品不断被研制出来并推向市场 4 8 , 4 9 1 。 日本在超声波电机的基础研究和应用研究方面均处于世界领先水平，关于超声 波电机的专利大多数都属于日本人。他们不仅在新型电机及新型驱动机理的研究方 顽颇有建树1 5 0 1 ，对诸如摩擦效率的提高【5 l 】、驱动方法的改进5 2 1 、预压力对表面质点 椭圆轨迹的影响【5 3 j 等深层次问题的研究也取得了很大的成绩。此外，超声波电机在 美国的应用也非常活跃。在美国从事超声波电机应用研究的机构主要有m i t 、i b m 公司、喷射推进实验室( j p l ) 等。 u s m 作为一种新型微特电机，其本身的技术发展离不开电子控制和驱动。控制 技术的优劣，直接关系到能否充分发挥u s m 的卓越性能，更会影响到u s m 的应用 和推广。因此，u s m 控制技术的研究也受到了越来越多国内外学者的重视【5 舢5 n 。 u s m 的控制策略包括p i 控制、自适应控制、模糊控制、人工神经网络控制以及这 华中科技大学博士学位论文 些控制策略的组合等。y u j i 等提出了可变增益的p l 控制器来控制u s m 的速度，以 减小电机本身的速度波动，并改善电机的动态速度跟踪特性【 j 。控制器中的比例增 益不变，积分增益随电机速度的不同而变化。t s e n j y u 等人提出了u s m 转速和位 置的多种自适应控制策略 s 9 6 3 1 。台湾的f j l i n 等人提出了使用包含输入层、中间层 和输出层3 层网络的神经网络控制器来控制u s m 的转子位置【删。中间层的节点数 和学习速率通过实验确定。其后，他们又使用模糊神经网络控制器进行u s m 的位 置控制【6 5 1 。为增强误差驱动自适应能力，模糊控制器的输出比例因子由可变学习速 率的神经网络在线调节，以使u s m 驱动系统对各种控制输入，都保持良好的跟踪 性能。国外用于位置控制的旋转行波型超声波电机的角分辨率普遍已达到5 4 ，最 高已达0 6 7 5 ，跟踪速度为5 5 m s ，度。直线型u s m 分辨率小于5 0 r i m ，响应时间为 1 2 m s 。在各种控制的组合中，以模糊和神经网络控制的组合最多，说明对于u s m 这类强烈非线性系统，模糊和神经网络控制占有优势。 我国在上世纪8 0 年代中期接触到超声波电机，国内一些高校和科研单位都展 开了对超声电机的研究，但至今我国和国际水平相比还有差距，目前还没有达到商 业应用水平1 6 6 - “j 。 1 4 2 超声波电机的应用 由于超声波电机有着许多优于传统电机的特性，因此获得了许多应用，并显示 出广泛的应用前景。 ( 1 ) 用于照相机的自动调焦装置【7 2 】 1 9 8 7 年日本佳能公司将超声波电机用于e o s 型照相机的自动调焦镜头中，把 电机转子与镜头支座做为一体，加上电场便驱动镜头。这也是超声波电机应用最为 成功的一例。与采用电磁型电机的镜头相比，它有几个优点：l 、安静；2 、定位精 度高；3 、调焦时间短。从无限远调到3 m 只须o 8 5 秒即可使焦点重合，使用寿命 达1 0 0 力次；4 、无齿轮减速机构，结构简单。从1 9 9 0 年起，佳能公司的超声波电 机月产量达数万只，目前佳能相机已全部采用超声波电机进行自动调焦。 ( 2 ) 在航空航天中的应用 7 3 - 7 6 1 m i t 与j p l 合作开展超声波电机在太空环境中应用的研究。为此，m i t 开发了 具有双面齿的行波型超声波电机，原理如图1 2 1 所示。 f 粤巾科技1 k 学博u ： _ 学位论文 i 划1 2 lu s mn ：航- i ! 航人小f | 0 心川 f i j | ：究f | 0 | l 的足j l ：发川】in a s a j p i ，火堤计划- | l l ；i l i 地操作机器人手臂上的商力矩 衔j 竖的j 啊态驱劬器，以适应恶劣的空j n j 环境。现在，着力予设计双面齿压电行波超 j i 波m 机1 1 i ( i 结构，以满足于￥i 运动所需的力村i 、能1 1 、尺寸, t l 驱动特性等要求，最 “解决太。；j 模扒i 环境6 q 题。该l 乜机的特点是紧凑、元需齿轮甑接在大力矩下： 作， ，曲作简恤川火特力矩人。定予的双丽洮结构提靠了电机在恶劣环境r l ，的热稳定性， 刈硝；舣f h 纳构的新颖处在于将l - i 动”冗两侧洳的椭圆运动耦合到两侧表面上，从 小小1 ：捉“了电机输力矩的能力。这种新式的双i 面齿超声波电机不同于传统的超 j ：i 波电机，定j 棚刈仆壳旋转，这样就需要川f u 刷将信1 1 传给压f u 陶瓷。 - j 外j l l _ ，在研制的多功能自动爬行系统f m u l t i f u n c t i o na u t o m a t e dc r a w l i n g s y s t e m ，m a c s ) r 也使用超声波f u 机作为驱动r u 机。m a c sj 1 于运载微型照相机到 撼兴，的纳构z m i ，完成检查等1 t 务。e u j r 心川j 。b 船的 j 察。自动爬行系统运 川超j f i 波i i l 机9 ；观阿线、旋转运动，使得糖个系统体积小，质鳋轻，其有效i 戈衙质 i ：，l 身胍【j j 厶1 0 ：i 。研制的自动爬行系统m a c si 川r 三个超声波r u 机，两 个。止j 弛j n 她“世，个实现转弯。m a c s1 1 仪川两个超声波i 【l 机，个实现胁进后 j 世，个妖玑转弯。犯个系统非常紧凑、轻巧。 ( j 1 川j ：下& 崛，j j 。” 他统的f 阳! 表使1 永磁步进电机作为驱动t l4 ：, 9 ，但它易受电磁场的影响。为 j l f ：，a k i h i o 丌y z 了川于手表驱动的行波型微l 乜机，屺图1 2 2 。 华中科技大学博士学位论文 圈1 2 2 使用超声波微电机的日历机构 电机外径1 0 r a m ，厚5 m m 。为简化其驱动电路及电机结构，它们又使用单向自 激振电路进行驱动，研制成功直径4 5 m m 的电机。超声波电机用于手表时，精确地 检测角位移非常重要，因此需要高性能的驱动和控制电路，手表的准确性依赖于旋 转计数器的精确性。 ( 4 ) 用于真空环境中1 8 0 - 8 2 1 对原子尺寸级别粒子的观察和操作需要真空或超真空环境。在这种环境中使用 的仪器必须满足以下条件：( 1 ) 不产生气体，以免破坏真空环境；( 2 ) 不产生磁场， 以免使电子流弯曲；( 3 ) 要能承受2 0 0 。c 以上的高温，因为这是获得高真空的条 件。传统电机既产生磁场干扰，其线圈也不能承受高温，因此不适合于这种场合。 超声波电机不使用减速机构，减少了产生气体的机会。它不使用有机材料，故能够 承受高温。尽管传给p z t 的电流会产生磁场，但与电磁式电机相比已相当微弱了。 图1 2 3 为u s m 用于超真空环境示意图，其定子和p z t 在空气中，转子处于真空 中。制作装置时即将定子与密封舱做成一体。实验表明，此电机在2 6 x 1 0 6 p a 的真 空中也能正常运转。 ( 5 ) 用于精确定位装置1 8 3 - 8 s 1 纳米级的精确快速定位装置正应用于半导体及纳米材料制造业。为进一步集成 化，对精确性提出了更高的要求。电磁电机用齿轮减速装置增大扭矩，由于存在间 隙，要达到更高的精确性就很困难。由于超声波电机可直接驱动负载，所以其精确 性依赖于反馈测量，可用适当的控制方法来进行提高。目前，人们研制出行程 科 专欠学婀卜学位沦丈 3 f ) ( ) i 1 1 城人逑馊5 0 m m s ，付霄精度o 6 9 r i m 的精确定位装置。它和：1 0 0 n m s 的卡及 f i l l j 迈f 【1 f 兜连? 赴mj 光t | 1 j 也运 1 。鲜i 十勾女i l i 警l1 2 4 曰i 示。 图1 2 3 超卢波电机川j ：真夸环境巾 l 割1 2 4u s mh j i3 0 0 r a m 仃w 载物台 圳刽1 2 5 所小，超，f 波l d 2 u 1 】j 二x y 绘n 仪- t _ 简化绘图仪的结构。! 当传感器 测杯定化m n j 火机时f u 帆将及时停l ? j f ：【! i 定他惯。山1 ：摩擦阻力远人j - 转f 惯 7