（电机与电器专业论文）超声波电机小型控制驱动系统的实用性研究.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t u l w a s o n i cm o m r ( a b b r u s m ) i sat e l a l i v e l yn e wt y p em o t o r 血a th a sb e e nd e v e l o p e ds t e pb y s t e ps i n c ee i g h td e c a d eo fl a s tc e n t u r y i t so p e r a t i n gp r i n c i p l ei sq u i t ed i f f e r e n tf r o mt h eo n eo f t h e t 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 nmt h eu l t r a s o n i c f i e q u e n c ys e a l et h a tw a sg e n e r a t e db yt h ec m l v e r s ep i e z o e l e c t r i ce 丘b 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 s 也es 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 tal o ws p e e d ，c o m p a c t n a s si ns i z e ，h i g h 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 tr e s p o n s e ，n 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 ee l e c t r o m a g n e r i cm o m ri nt h ef i e l dn e e d i n gc o m p a c t , e f f i c l e n t , i n t e r m i t t e n tm o t i o na n df i n ec o n t r o l s i nr e c a n ty e a r s r e v o l v i n gu l t r a s o n i cm o t o r s ( u s m s ) ，i np a r t i c u l a rt h o s ee m p l o y i n gr o t a r yt r a v e l i n g - w a v e - t y p eu s m s ，h a v ea t t r a c t e ds p e c i a l i n t e r e s ta sd i r e c t - d r i v e - t y p ea c t u a t o r sf o rs e r v e - s y s t e m si ni n d n s t r i a l ，c o n s u m e ra n da u t o m a t i o n f i e l d s t h ep a p e rd e s c r i b e sas m a l lc o n t r o ls y s t e mu s e dt od r i v ea n dc o n t r o lu s m t h em a i na i m o f t h ec o n t r o ls y s t e mi st om e e tn e e do ft h em a r k e tt op r o v i d et h ec o n s u m e rac l o s e dl o o pc o n t r o l t h a tp o s s e s s e sl o w e rp r i c e ，g 伽dp e r f o r m a n c e ，s m a l ls i z ea n di se a s yt oo p e r a t e t h ec o n t r o ls h o u l d i m p l e m e n t t h ef u n c t i o no f f a s tp o s i t i o na n da d j u s t a b l es p e e d t h ec o l eo ft h ec o n t r o ls y s t e mi st h ec h i po fm s p 4 3 0 f 1 6 7 t h ep r o j e c ti n v o l v e st h e p e r i p h e m lc i r c u i to f m o n i t o r i n g ，d r i v i n g ，a n dc o n t r o l l i n g i ta l s oi n c l u d e st h es o f t w a r ed e s i g n e df o r t h en e e do f c o n t r 0 1 a tl a s t , t h ep a p e rp r o v i d e st h er e s u l to f e x p e r i m e n t ：t h es t a b l eo p e r a t i o no f t h e c o n t r o l ，t h ec o m p a r a t i v e l yi d e a ls p e e d - c u r v e , t h ea c h i e v e m e n to f t h er e q u i i e m e n to f t h ed e s i g n t h ec o n t e n t so f t h ep a p e ra r es m u m m i 2 e da sf o l l o w s ： t h ed e v e l o p m e n t , c h a r a c t e r i s t i ca n dc l a s s i f ya r es u n u n a r i z e dc o n c r e t e l yt h r o u g ht h e c o m p a r eb e t w e e nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f u s m sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f e l e c t r o m a g n e t i s mm o t o r s ， i ti st e s t i f i e dt h a tu s m sw i l ld e v e l o pr a p i d l y p r e s e n tt h es i g n i f i c a n c eo f r e s e a r c ho nu s m o nt h e b a s i so f t h i s ，t h et h e m eo f t h ep a p e ri sg i v e n t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h es t r u c t u r ea n dt h em e c h a n i s mo fm o v e m e n to fr 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 sa r cs u m m a r i z e d b a s e do nt h i s t h ec o n 订o lt e c h n i q u e f o r e x a m p l e ，t h ef r e q u e n c y - c o n t r o l ，p h a s e - c o n t r o l , a m p l i t o d e - c o n t r o la r es u m m a r i z e da n dt h ed r i v e m e t h o d , f o re x a m p l e , p u s h - p u l l , h a l f - b r i d g e ，f u l l - b r i d g e ，a r ca l s os u m m a r i z e d 。 1 1 1 ec i r c u i to fd r i v ea n dc e n t r e lb a s e do nt h er i n g - t y p et r a v e l l i l l g - w a v eu l t r a s o n i cm o t o r si s d e s i g n e d f i r s t l y , t h ep l a na n dp u r p o s eo ft h es u b j e c ta r ep u tf o r w a r d s e c o n d l y mt h ep a p e r , d e s c r i b et h es c h e m eo ft h eh a r d w a r ec i r c u ko ft h ec e n t r e ls y s t e ma n dm em o d eo ft h es p e e d r e g n l a t i o nb a s e do nt h ea l t e r a t i o no ft h ef r e q u e n c y t h e nd e s c r i b e 廿l es t r u c t u r eo ft h es o f t w a r e 。 i n c l u d i n gt h ep a n so np c ，o ns c m ，c o m m u n i c a t i o n , a n dt h et h e m eo ft h es p e e dr e g n l a t i o na n d p o s i t i o ni nt h ec o n f f o is y s t e m a tl a s t , t h r o u g ht h er e s u l to f 也ee x p e r i m e n t , c o n f w mt h e p e r f o r m a n c eo f t h ec o n t r o l l e r p r e s e n tt h ep r o b l e m si nt h ee x p e r i m e n to ft h i ss m a l lp o s i t i o n i n ga n ds p e e dc o n t r o ls y s t e m a n dg i v es o m ea d v i c a s k e y w o r d ：u l t r a s o n i cm o t o r s ，f r e q u e n c ym o d u l a t i o nc o n t r o ls i n g i ec h i p , f r e q u e n c y m o d u l a t i o nc i r c u i t , p u s h - p u l ld r i v e ，i n c r e m e n t a lp i d 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所里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：二工堕日期：研究生签名：一! !日期： 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： 丁陆 钥磁坛 导师签名：二i ! ! ：日期；2 。7 列 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 超声波电机的现状及研究的意义 随着科技的发展，人们对动力组件的电机提出了更高更苛刻的要求，由于自 身工作原理和结构等的限制，传统电磁型电机在许多领域的应用已显得十分困 难。因此，高性能、特殊要求的电机的研制已成为许多应用领域急需解决的问题 之一。 超声波电机( u l t r a s o n i cm o t o r ，简称u s m ) 的诞生为电机的研究和应用开辟了 一块新的领域。u s m 采用了一种全新的运行机理，不仅在思想上突破了传统的 电磁感应原理，而且又以其优异的性能特点弥补了传统电机的不足。虽然u s m 的发展历史很短，但已显示出潜在的和良好的应用前景。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【2 】。超声波电机和传统的电磁式电机相比，u s m 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，因 此在非连续运动领域、精密控制领域要比传统电磁电机性能优越。u s m 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，近年来倍受科技界和工业界的重视，为当前机电控制领域的 一个研究热点【l j 。 日本的超声波电机及其控制驱动控制技术的产业化应用处于世界领先的地 位，它掌握着世界上大多数的超声波电机制造及控制技术的发明专利田。其他国 家如美、英、法等国也在超声波电机领域内相继取得了一定的研究成果。虽然我 国超声波电机及其驱动控制技术的研究起步较晚，但发展迅速。目前有许多高校 加入到超声波电机的研究行列，并先后取得了一批研究成果【i j 。 目前，国内的超声波电机产业化状态还显得比较薄弱，但国内的研究人员正 在对超声波电机及其驱动控制进行产业化技术的攻关【“。国内关于超声波电机的 研究内容主要有超声波电机本体的研究、超声波电机测试装置的研究、超声波电 机产业化应用技术的研究以及超声波电机驱动控制技术的研究。其中，超声波电 机驱动控制技术是体现超声波电机应用水平的重要标志。因此，探索恰当的数学 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 控制装置是超声波电机研究的一个重要方向【1 6 】 1 2 超声波电机的发展 同传统电磁式电机不同，超声波电机没有磁极和绕组，不依靠电磁相互作用 来传递能量，而是利用压电陶瓷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。它是多学 东南大学硕士学位论文 科交叉的产物，涉及机械、声学、振动、材料、摩擦、电力电子及自动控制等多 学科领域。超声波电机制造技术的完善是随着以上学科的发展而发展的，是随着 各种新结构、新原理超声波电机的出现而逐渐完善的。超声波电机的发展可分为 三个阶段，即超声波电机概念阶段、具有实用前景的样机阶段和产业化生产及应 用阶段。1 9 4 2 1 9 7 0 年为理论基础研究及实验室原理样机研究阶段；2 0 世纪7 0 年代8 0 年代中期进入实用产品的研制阶段；1 9 8 7 年下半年开始进入工业应用 阶段【l 】。 2 0 世纪6 0 年代初苏联科学家首先提出了超声波电动机的设想。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电机。这种电机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。十年后，德国西门子公司申请了超声波电机的第一个专利，他们研制出 了利用压电谐振工作的直线驱动机械。1 9 7 3 年美国m 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。1 9 8 0 年日本的指 田年生研制了驻波型超声波电机 3 1 ，所用振子是用螺栓压紧的兰杰文振子，它使 超声波电机真正走上实用。1 9 8 2 年，指田年生又研制成功了行波型超声波电机， 解决了制约实用超声波电机发展的瓶颈问题之一振动面的摩擦。这台电机的 研制成功，为超声波电机走向实用开辟了道路，也吸引了不少研究单位和企业的 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 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，在相机业界为之 一振，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 电机单电源驱动型纵扭振动超声波电动机【4 】。随后，1 9 8 7 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嘲。 日本在超声波电机设计、制造和销售方面的成功引起了其它国家的广泛重 视，进入九十年代后，各国都将超声波电机的研究开发放到了重要位置，建模与 分析、驱动控制等逐步成为研究的主要内容f 9 1 【1 0 1 1 1 】。另外，在非接触式超声波电 机、大转矩超声波电机、微型超声波电机以及多自由度超声波电机等领域的研究 也进一步深入。目前大多数超声波电机是通过定转子之间的摩擦力来传递力矩 的，定转子之间产生的摩擦会对定转子产生磨损，从而降低电机的使用寿命。微 型超声波电机在办公用品、医疗工具等方面有广泛的商业价值，日本东京大学的 黑泽实( m k u r o s a w a ) 已经研制出旋转型微型超声波电机【1 2 1 ，定子外径1 4 m m ， 内径1 2 m m ，长5 m m ，使用6 微米的p z 礅发柱体的弯曲振动。针对平面移动、机 器人关节等要求作多自由度运转的场合，日本已经开始研究多自由度和三自由度 的超声波电机。 2 第l 章绪论 1 3 超声波电机的介绍 1 3 1 电机的原理及特点 虽然超声波电机种类繁多、结构形式多样，但工作原理都相似：利用压电陶 瓷的逆压电效应( 即在交变电场作用下，压电材料会产生伸缩现象) 来工作的。 也就是说，在超声波电机工作时，在振动体的压电陶瓷上施加超声频率的交流电 压，通过压电体的逆压电效应在振动体内激发出超声频率的微观振动，使得振动 体表面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删”1 。 为了提高出力、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。 与传统的电磁型电机不同，超声波电机不靠电场与磁场之间的相互作用产生 机械能输出的，而是靠压电陶瓷的压电振动而获得机械能输出的。由于两者之间 的工作原理不同，使得超声波电机具有以下不同于电磁型电机的特点嘲： 1 低速、大转矩”1 ，断电自锁 一般情况下，超声波电机在运行时的转矩密度是电磁电机的l o 倍以上，可 直接驱动。在位置控制系统中，当需要电机在低转速下输出大转矩时，超声波电 机不像电磁电机一样需要减速齿轮，因此不仅能缩小系统的体积。还能提高系统 控制精度、响应速度。由于超声波电机特别是接触式超声波电机主要靠定子与转 子间的摩擦力来驱动，所以具有较大的静态保持力矩，实现断电自锁，这正是普 通电磁型电机所不具有的。 2 易调速，控制特性好 在电磁电机为执行组件的定位控制系统中，系统的性能很大程度上取决于电 机起停时的瞬态响应特性。电磁电机转速高、转矩小、转子惯量大，响应时间常 大于l o r e s ，且随着减速箱的增加而增大。由于响应慢，电机的起停角度很大，通 常是转动的一部分。超声波电机，特别是接触式超声波电动机，瞬态响应时间短， 启动响应时间在毫秒级范围内，而且由于其转子结构简单，转动惯量小，所以制 动相应更快。 3 无电磁噪声、电磁兼容性好 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。同时在系统低速大转矩运行时，超声波电机无需齿轮减速机构，运行非常 安静，减少了噪声源。这使得超声波电机非常适用于光学系统或超精密仪器上。 4 微位移特性 超声波电机震动体表面振幅一般为微米数量级。在直接反馈系统中，位置分 辨率高，而且没有齿轮减速装置中的时间延时，微位移步进定位精度高。 5 结构简单、形式灵活、自由度大，以实现小型化和多样化 东南大学硕士学位论文 根据技术指标的不同( 如额定转速、额定转矩、最大转速等) 或者应用场合 的不同，超声波电机可以采取不同的驱动机理进行设计，同一驱动原理的超声波 电机也可以设计成不同的安装形式( 如旋转、直线或者多自由度超声波电机) ， 也可根据驱动要求嵌入与系统集成。 6 输出功率小，效率低，寿命问题等 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 。且由于超声波电 机在运行过程中，存在两种能量转换：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，能量转换过程中的 效率比较低。同时，超声波电机及其驱动控制装置的寿命跟其制作材料有着极大 的关系，定转子接触界面间的磨损问题会直接影响超声波电机的长久稳定工作。 1 3 2 超声波电机的分类 根据电机工作模态、机械振动获取方式和定转子接触方式可以将超声波电机 进行如下分类“”o ”： 超声波电机 电机工作模态机械振动获取方式 l 定转子接触方式 行波型l 驻波i 混合i 谐振振动l 非谐振振动l 摩擦l 非摩擦l 非接触 i型 型 i 型 i 型l 型l 型i型 本课题研究的对象是行波环形超声波电机的驱动控制技术。 1 。4 本课题的研究目的 本课题的研究将着重于以下几个方面： 1 、通过学习行波超声波电机的理论基础及运行机理，对行波超声波电机驱动控 制技术进行较深入的研究； 2 、基于单片机的超声波电机驱动控制器的研究； 3 、超声波电机适用的控制策略的研究； 4 、实现具有串口通信、光栅接口的控制器； 5 、额定速度时，相对速度误差应控制在l o 之内，电机驱动器小型化，控制器 体积较以前的控制器缩小约一倍； 6 、软件、电路、电机调试和测试，初步形成规范。 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、应用以及研究超声波电机的意义， 给出本论文的研究内容。 第二章环形行波型超声波电机的运行机理及常用驱动方式 介绍了环形行波超声波电机的结构特点、运行机理和驱动控制原理，介绍了 4 第l 章绪论 超声波电机的控制方法：调频调速、调压调速以及调相调速等。 第三章环形行波型超声波电机小型控制器的实用性研究与设计 根据超声波电机驱动控制方面的要求，给出了基于单片机的超声波电机控制 系统实验平台，包括基于单片机的超声波电机控制器、驱动电路等。 第四章超声波电机控制器的软件设计 根据系统控制要求，详细介绍了该控制系统的软件构成和具体实现方法，包 括控制以及通讯部分。 第五章控制器的实际操作及运行效果 通过调速过程中的实测速度曲线对实验结果进行分析。 第六章总结与展望 对全文内容进行总结，根据超声波电机控制系统的实际应用情况以及在研究 行波超声波电机速度、位置控制中出现的问题，提出相应的改进建议。 参考文献 l 胡敏强金龙，顾菊平超声波电机原理与设计，2 0 0 5 ，科学出版社 2t o s h i i k us a s h i d a , t a k a s h ik c n j o , a ni m r o d u f i o nt ou l u a s i nm o m r s ”【m 】，c h u n d a np r e s s ，1 9 9 3 3 田年生振动片型和表面波型超声波电机( 译) 压电与声光。“1 ) ，1 9 8 5 ：7 3 7 8 4 陈永棱，郭吉丰超声波电动机浙江：浙江大学出版社，1 9 9 4 5 赵淳生，李朝东，日本超声电机的产业化、应用和发展。振动、测试与诊断，1 9 9 9 ，1 9 ( ”：l 7 6 郭吉丰。楼少敏刘晓，微系统用超声微电机的研究现状和发展趋势。工程设计学报。2 0 0 2 ，v 0 1 9 ，n o 4 7 杨志刚，程光明，吴博迭，“医电超声行波马达的运动形成理论研究”帆，压电与声光， c o t 1 8 ，n o 1 ， f e b 1 9 9 6 ，p 3 2 3 5 8s a d a y u k i u e h a m i n o r u k u t o s a w a u l t r a s o n i c m o t o r s 1 e e e u r r e s o n i cs y m p o s i u m , 1 9 8 8 ：1 5 9 - 1 6 2 9n e s b i t tw e l a g o o d a n d r e wj m c f a r l a n d , “m o d e l i n go fap i e z o e l e c t r i cr o t a r yu l t r a s o n i cm o t o r ” i e e et u f f c v 0 1 4 2 ，n o 2 ，1 9 9 5 ，p 2 1 0 2 2 4 1 0j m a a s 。t ts c h u i t e 。 “h i g hp e r f o r m r n c es p e e dc o n t r o lf o ru l t r a s o n i cm o t o r s ”，p r o c e e d i n g s o f1 9 9 9i e e e a s 旺i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo na d v a n c e di n t e l l i g e n tm e c h a t r o n i c s 。p 9 1 9 6 1 1 乩a o y a g i y t o m i k a w 8 “n e wc o n t r o lm e t h o do fc o n t a c tf o r c eb e t w e e nr o t o ra n ds t a t o ro n r o d - t y p eu l t r a s o n i cm o t o r ”。1 9 9 8u l t r a s o n i c ss y m p o s i u m , v 0 1 1 。1 9 9 8 ，p 0 9 5 - 6 9 8 1 2o r i ta i lk u r o s a w a ，t h i g u c h i “ m i c r ou l t r a s o n i cm o t o rf a b r i c a t e db yh y d r o t h e m a lm e t h o d ” 1 9 9 8i e e ei n t e r n a t i o n a lu l t r a s o n i c ss y m p o s i u m ，j a p a n 1 9 9 8 1 3h e l i np s a d a m l nv ) r u o nc ，e ta 1 am e c h a n i c a lm o d e lf o re n e r g yl a f j l n s f e ri ni i n e 卵u l t r a s o n i cm i c t o m o o 博 u s i n gl a m ba n dr a y l e i g hw a v e s i e e e a s m et r a n s a c t i o o so i lm e c h a 打o n i c s 3 ( 1 ) ，1 9 9 8 ：3 - 8 1 4d u b o i s ma m m a l t e p z tn i i n f i l ma c t u a m de l a n t i c f mn 证c r o m m o r i 豇i e t u f f c ，4 5 ( 5 x1 9 9 s ：1 1 6 9 - 1 1 7 7 1 5u e h e s ，t o m u k a w a y u l 们s o n i c m o t o r ：t h e o r y a n da p p l i c a t i o n s o x f o r d 。1 9 9 3 1 6 王心坚基于d s p 的超声波电机控制技术的研究【d 】： 硕士学位论文 南京：东南大学电气工程系， 2 0 0 3 1 7 陈慧基于超声波电机的二自由度机械臂驱动控制系统的研究 d ： 硕士学位论文 南 京：东南大学电气工程系。2 0 0 6 东南大学硕士学位论文 第2 章环形行波型超声波电机的运行机理及常用驱动方式 2 1 结构特点和运行机理 2 1 1 环形行波型超声波电机的结构特点 行波型超声波电机分为环形行波型超声波电机( r i n g - r o p et r a v e l l i n g - w a v e u 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 c m o t o r s ，简称d t u s m ) l i j 。 r t w u s m 是目前应用和研究最多的电机，其基本结构分解图见图2 1 ，由外壳、 轴承、碟簧、转轴、转子、定子、压电陶瓷片和底座等部件组成。其结构上最大的 特点是：定子和转予均为一薄圆环，使得整个电机结构呈扁圆环形。其核心部分是 由压电陶瓷和弹性体组成的定子及接触面粘有摩擦材料的转子。定转子依靠蝶簧变 形所产生的轴向压力紧压在一起。本课题使用的是东南大学超声波电机课题组研制 的6 0 n u n 行波型超声波电机。电机实物如图2 2 所示。 图2 1 行波形超声波电机结构图2 2 实验中使用的超声波电机 2 1 2 环形行波型超声波电机的运行机理 1 定子行波的产生 如图2 3 中，压电陶瓷环的周长为行波波长五的整数倍。压电陶瓷的上下极板 被图中的阴影区域表示的未敷银区分隔成不同的区域。相邻两个压电分区构成一个 完整的丑，它们的极化方向相反，分别以“+ ”“一”表示，见图2 - 2 ( a ) 。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 r 帆y s m 的两相电极( 利用压电陶瓷的逆 压电效应) ，各分区所占的宽度为2 1 2 ；s 区是传感器区( 利用压电陶瓷的正压电效 应) ，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，宽 度为2 4 ，g n d 区为3 2 4 ，作为a 区和b 区的公共地【2 】【3 1 。 由于压电陶瓷相邻分区极化方向相反，在电压激励下，相邻压电分区通过相关 的压电陶瓷的非零压电系数，分别伸张和收缩，从而激发横向长度伸张和收缩振动 6 第2 章环形行波型超声竣电机的运行机理及常用驱动方式 模，可以在定子弹性体中激励出弯曲振动，如图2 4 所示。 ( a ) 正面 4 ( b ) 反面 图2 3 环形压电陶瓷的极化分割 j g - t - 眩物 压电陶瓷 二= 电校医盈 t i 极化方向i 旦 伸张伸张 图2 4 定子弯曲振动产生机理 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，只能在定予环中激发出单一的驻波振动：而使 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( 图2 5 ) 。具体推导过程如下 4 1 ； 设a 相( e 1 ) 、b 相( f - a ) 驱动激发的驻波分别为： j w a ( x , ) 2 六。0 5 h 3 ( 2 - 1 ) 1 o ，) = 磊c o s k 一, o c o s a , ( t 一力 其中w a 、为弹性体表面横向位移；厶、磊分别为a 相和b 相振动的振幅； k = 2 n l 为弹性波振动的波数；九- - - l n 为弹性波波长；，l 为周向振动模态阶数；= 2 石r 为定子环圆周长ir 为定子环平均半径；七= n r ；口为a 相振子与b 相振子间的 空间间隔( 对应图2 3 的电极结构，有a = 2 4 ) ；为a 相、b 相驱动间的相位差。 由以上得出： o ，力= 磊s j i l b c o s ( 耐+ 矽) ( 2 - 2 ) 7 东南大学颈士学位论文 振动定子 图2 5 由驻波合成行波的原理 两相驻波叠加可得定子环表面质点的横向振动位移 以暑f ) = “f ) + 似0 = 色c o s k x c o s a ) t + 磊s i n k x c o s ( r a t + 妒) ( 2 。3 ) 当压电陶瓷对称极化时，有己= 品= 翕，当a 、b 相激励电压的相位差在时间 上差9 0 0 ，则西= n 1 2 ，有 w ( x ，d = 磊c o s l c r c o s c o t 一岛s i n k x s i n a ) t = 4 0c o s ( _ h + f ) ( 2 - 4 ) 当毛= 磊= 磊，矿= ，r 2 时， 以t f ) = 彘c o s k x c o s c a t + 善 os i n h s i n c o t = 磊o o s ( 口一c o t ) ( 2 5 ) 由上两式可知，只要a 、b 两相驱动电压相位差为a t 2 时，在定子环中形成行 波，而且当其中某一相反相时，行波的行进的方向相反，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 3 中“+ ”极化区和相邻的“一”极化区产生形变相反，从而在圆周上形 成行波，如图2 6 所示。 设h 为定子上表面到中性层的距离( 即贴在定子上的压电陶瓷厚度的一半) ，对 于似工，t ) = 六c o s 0 c c o s ( a t + 磊s i i l h c o s ( f + ) ，定子表面质点纵向振动位移u ( x ，f ) 可 表示为 m f ) = 一j ，鱼笋a譬、一v， = 一t | j l ( js i n c v c o s ( o t + 磊c o s k x e o s ( a ，t + 矿) ) 当厶= 磊= 彘，夕= ，r 2 时， u ( x ，f ) = 一蜮s i n ( 詹+ c o t ) ( 2 - 7 ) 第2 章环形行波型超声波电机的运行机理及常用驱动方式 霸压力 x 蕊军甬磊薪 图2 6 行波超声波电机定子振动示意图 综合式( 2 - 6 ) 、( 2 8 ) 可得定子表面质点运动轨迹方程； 氅学+ 黜：l ( 2 8 ) 靠( 七) 2 、7 由式( 2 7 ) ，可以获得定子表面质点运动的纵向速度为 匕( x ，f ) ：旦兰! 竿兰：一 ：自珊( 厶s i l l h s i i l 口f 一磊c 。s h s i n ( 国f + 伊) ) 当邑= 磊= 品，妒= ，r 2 时， 匕 ，f ) ：掣：一k h ( o a , c o s ( k z + 耐) ( 2 - 9 ) 在椭圆运动最高点时( 即波峰处) ，横向位移w 最大，而纵向位移u 为零，利用 型：o ， 可得。h ：1 鱼! ! ! 丝 ，。i i i 奴：1 鱼! 竺! ! 丝三堕 舅c 0 s 2 国f + 靠c o s 2 ( f + 力。c o s 2 f + 靠c o s 2 f + 们 此时匕获得最大值 【2 - 1 0 ) 当六= 磊= 磊，妒= x 2 时， 心。=一七曦国(2-11) 式中的负号表示定子表面质点运动到椭圆最高点时的运动方向正好与行波前进 方向相反。若不计定转子间滑动，且设转子接触面与定子振动波形相切，则此时转 子速度也为一肋彘，负号同样表示转子速度与定子振动行波前进方向相反。 3 环形行波型超声波电机的电学等效模型 环形行波超声波电机的控制系统应当围绕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得到的环形行波超声波电机电学等效模型能够很好的模拟电机 系统的电输入特性【6 】嘲，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 9 东南大学硕士学位论文 意义。 单相驱动的环形行波超声波电机其自由定子在谐振频率附近的固定频率点可用 一个等效电路来表示，如图2 7 所示。其中巴表示由压电陶瓷介电性引起的夹持电 容，岛表示压电陶瓷的介电损耗，l 表示定子质量效应的等效电感，巳表示定子 弹性效应的等效电容，民表示定子内机械损耗的等效电刚1 】【5 】。 图2 7 自由定子单相等效电路 通过对环形行波超声波电机运行机理分析可知，环型行波超声波电机正常运行 时利用两个同型驻波叠加形成的行波作为驱动源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，整个电机的等效电路可由图2 8 所示的表示【1 悯。 图2 8 两相驱动的环形行波超声波电机完整等效电路 2 2 环形行波超声波电机的常用驱动电路 2 2 1 环形行波型超声波电机逆变主电路 驱动行波超声波电机需一定幅值的数十千赫兹( 般为2 0 k h z 6 0 髓z ) 的交流 电压，而驱动电路供电电源一般为低压直流电源，需通过逆变电路进行逆变升压满 足电机驱动的需要。驱动行波超声波电机的逆变电路主要有三种形式：推挽式逆变 器、半桥式逆变器、全桥式逆变器。 1 半桥式逆变器 半桥式驱动主电路( 见图2 9 ) 的主要优点是效率高，变压器的利用率高，抗不平 衡能力强。缺点是逆变器主回路的桥臂电压只是直流电源电压的一半，因此所需直 流电源的电压较高【6 】。为解决这一问题，可采用全桥式逆变器结构，但主回路电元 器件的数目要增加一倍，成本较高。 1 0 第2 章环形行波型超声波电机的运行机理及常用驱动方式 图2 9 半桥式逆变电路 2 全桥式逆变器 在全桥逆变电路中，由2 对会为对角的4 个开关组成，同侧的上下两个开关管 交替导通。在所有隔离型开关中，采用相同电压和电流容量的开关时，全桥式开关 ( 见图2 1 0 ) 可以达到最大功率，但其电路较复杂，常用于中大功率系统中。 + v c c 图2 1 0 全桥式逆变电路 3 推挽式逆变器 图2 ，l l 是推挽逆变电路产生单相电压的电路图，同半桥逆变电路相比，每相逆 变电路两支场效应管的栅极驱动信号是共地的，因而前置驱动电路非常简单；而且 变压器原边电压为直流电压，在同等电压下逆变器输出功率较大。每一时刻只有一 个场效应管导通，开关损耗小。适用于低压直流源供电的场合。 = 图2 1 l 推挽式逆变电路 i l 东南大学硕士学位论文 2 2 2 超声波电机控制方法 根据式( 2 1 1 ) ，k 一= ，亍竺垒竺掣兰：亏。在行波超声波电机结构设计 , j c o s ( o t + c o s ( c o t + 尹) 完成后， 、h 确定，可以分别通过调节压电陶瓷的两相激励电压的幅值 ，a 、b 两相之间的相位差妒以及驱动频率厂盯= - 兰) 来调节行波波峰点的速度来控制转子 | 嚣 的转动速度、输出转矩。超声波最常见的三种控制方法是调频、调相和调压。 l 调频控制“” 超声波电机的驱动频率是由定子的共振频率决定的，当定子发生共振时，振子 呈现的阻抗最小，振幅最大，当电机的驱动频率向反谐振点变化时，电流减小，振 幅减小，电机转速降低。也就是说可以通过调节电机的驱动频率可调节电机定子的 振动幅度，实现调速的目的。调频调速具有非单调性，在谐振点的右侧曲线相对分 段平滑，可调节频带宽可作为稳定运行区；谐振点左侧曲线与右侧相反，为不稳定 运行区【9 】。当电机工作在谐振点时，机电能量转换效率最高，但当电机负载出现扰 动时，容易造成不稳定运行，同时当环境温度变化时，电机的谐振频率会产生漂移， 更容易造成不稳定运行，因而通常电机工作点在谐振频率点的右侧，并与谐振频率 有一定的偏差，但偏差不宜太大，以免机电能量转换效率过低【8 1 。图2 1 2 为本课题 组自行研制的r t w u s m 6 0 行波型超声波电机空载，两相驱动电压恒定为3 5 0 v 左右， 相位差为9 0 度时的频率一转速关系曲线，其谐振点为3 8 4 k h z 左右。 频率 图2 1 2r t w u s m 6 0 的频率速度关系曲线 2 调压控制 通过改变施加在电机上的电压幅值来改变行波振幅，这种调压调速方法简单， 但是具有明显的死区和饱和区。死区的大小与电机的转动部分静摩擦转矩、外转矩 及工作频率有关。但在死区和饱和区之间近似为线性区，横坐标代表驱动电压的有 岔曼捌馨 第2 章环形行波型超声波电机的运