（电机与电器专业论文）超声波电机驱动与实用化技术的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a san o v e ld i r e c t d r i v i n gm i c r om o m lu l t r a s o n i cm o t o rr u s m ) h a sb e e nd e v e l o p e df r o m 1 9 8 0 s b e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e s ，s u c ha sn on o i s er u n n i n g ，n oe l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b s ，n o p o w e rs e l f - l o c ka n de t c ，u s mi ss u c c e s s f u l l ya p p l i e di nn a t i o n a ld e f e n c e ，m i l i t a r ya f f a i r s ， a v i a t i o na n da u t o m a t i cc o n t r o lf i e l d s ，w h i c hh a se x h i b i t e de x c e l l e n ta p p l i c a t i o nf o r e g r o u n do f u s m a ss i n g l ep h a s es t a n d i n gw a v eu s mi sc o n c e r n e d ，an ot r a n s f o r m e rd r i v i n gc i r c u i tw h i c h b a s e do ns e l f - o s c i l l a t i o np r i n c i p l ei s d e s i g n e d t o a d j u s tf r e q u e n c yo fd d v i n gs i g n a l a u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt or e s o n a n c es t a t eo fu s m a sap a r to ft h ed r i v i n gc i r c u i t ，u s m p a r t i c i p a t e si np r o d u c i n gd r i v i n gs i g n a l ，w h i c hi sb e n e f i c i a lt oi n t e g r a t i o na n dm i n i a t u r i z a t i o n o f m o t o ra n dd r i v i n gc i r c u i t a i m i n ga tr e s o n a n c ec h a r a c t e r i s t i ce x c u r s i o no fr 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 c m o t o r ( r t w u s m ) ，af r e q u e n c yf o l l o w i n gc o n t r o ls y s t e mi sp r e s e n t e db a s e do np h a s el o c k e d l o o p b ya n a l y z i n gi m p e d a n c ep h a s ec h a r a c t e r i s t i co fr t w u s m ，p h a s ed i f f e r e n c eb e t w e e n p h a s ev o l t a g ea n di t sc o r r e s p o n d i n gc u r r e n ti sc o n s i d e r e da sf e e d b a c kc o n t r o lf a c t o r d r i v i n g f r e q u e n c yi sa d j u s t e dt or e a l i z ec o n s t a n tp h a s ed i f f e r e n c ec o n t r o l ，m a k i n gm o t o rr u ns t e a d i l y a n d c o m p e n s a t i n gi n f l u e n c eo f t e m p e r a t u r er i s e i no r d e rt os u i tp r a c t i c a la p p l i c a t i o nd e m a n do fr t w u s m ，ac o n t r o l l e rc o m p o s e do f c o n t r o lp a r ta n dd r i v ep a r tb a s e do nd s pi sd e s i g n e d t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mi sm a d eu po f c o n t r o li n t e r f a c e ，d r i v i n gc o n t r o l l e ra n dm o t o ld e v e l o p i n gd i f f e r e n tc o n t r o li n t e r f a c ea n d p r o g r a mm a k e sa p p l i c a t i o nc o n v e n i e n ti nd i f f e r e n tf i e l d s p o s i t i o nc o n t r o la sw e l la s2 d s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o la n df o l l o wu pc o n t r o lo fr t w u s ma r er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t h e c o n t r o l l e rt a k e st m s 3 2 0 c 2 8 1 0o ft ic o r pa sc o r e ，w h i c hi m p r o v e sc o n t r o l l e r sc a p a b i l i t y a n di sb e n e f i c i a lt ou t i l i t yo f r t w u s m k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cm o t o r ；s e l f - o s c i l l a t i o n ；p h a s e - l o c k e dl o o p ；p h a s ed i f f e r e n c ec o n t r o l ； p o s i t i o nc o n t r o l ；2 ds y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o l ；f o l l o wu pc o n t r o l i i 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。 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：盘耋经导师签名：二主：之日期：2 1 星：生f 2 第1 章绪论 第1 章绪论 随着超声波电机的问世，它作为一种新型的驱动微电机是对传统的电磁电机的一个有力的补充。 超声波电机( u l t r a s o n i cm o t o r ，简称u s m ) 利用压电陶瓷的逆压电效应，在定子中激发出弹性振 动，通过定转子之间的摩擦耦合，将定子弹性体的微观振动转换成转子或滑块的宏观运动由于其 特殊的工作原理，超声波电机具有许多不同于传统电磁电机的特点，如低速大转矩、无电磁干扰、 动作响应快、断电自锁等，在机器人、计算机、汽车、航空航天、精密仪器仪表、伺服控制等领域 具有越来越广阔的应用前景。 1 1 超声波电机概述 1 1 1 超声波电机简介 超声波电机是一种全新概念的驱动微电机，与传统的电磁电机依靠电磁介质来传递能量不同， 超声波电机不含磁极和绕组，它是通过在压电陶瓷上箍加高频交流电压利州压电陶瓷的逆雎电效应 激发超声振动，再通过振动体和移动体之间的摩擦耦合，将压电振子的微观振动变换成转子宏观上 的旋转或者直线运动，实现能最的转换i l 】。超声波电机作为一种直接驱动电机从2 0 世纪b o 年代以 来备受各国科研：l 作者的青睐，己成为当前机电控制领域的一个研究热点。 近2 0 多年米出现了各种原理、形式和结构的超卢波电机，但超声波电机的分类一直比较模糊， 没有一个统一的分类标准，为了能对超声波电机进行一个总结和概括，根据超声波电机的驱动方式、 机械振动获取方式、定转子接触方式和定子表面椭劂运动获取方式等可以分别将其分成不同的种类 ，如表1 1 所示： 表1 1 超声波电机分类 行波型 驱动方式驻波嗖 混合型 谐振驱动型 超声波电机 机械振动获取方式 1 f 谐振驱动型 分类摩擦刑 定转子接触方式仆摩擦趔 7 ：接触型 定于表向椭圆廷明 单振动模式型 获取方式双振动模型 本论文第三章。p 针对单相驻波型直线超声波电机敬计了基于自激振荡原理的驱动电路，后几章 的研究对象均为环形行波型超声波电机。 1 1 2 超声波电机的发展 超声波电机的发展历史较短，但它涉及到压电学、材料学、固体力学、电子技术及自动控制等 多个学科，是多学科交叉的产物。从超声波电机的发展历程看可以将其分为王个阶段：超声波电机 概念阶段、具有实t j i 前景的样机阶段和产业化生产和应，h 阶段。1 9 4 2 1 9 7 0 年为理论基础研究及实 东南大学硕士学位论文 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r 半年开 始进入t 业应用阶段1 1 】。 超声波电机是利用压电陶瓷材料的逆压电效，激发定子弹性体的超声振动而工作的，因此，压 电陶瓷性能的好坏是影响压电超声波电机性能如坏的重要因素之一，现代压电学是超声波电机的重 要理论基础。直到2 0 世纪4 0 年代，科学家发现了b a t i 0 3 陶瓷材料的铁电性，它制备容易，且可制 成任意形状、任意极化方向的元件。这一发现极大的促进了压电驱动技术的发展。1 9 4 2 年，美国学 者a w i l l i a m s 和wb r o w n 中请丁第一个超声波电机模型的专利，揭示了超卢波电机的基本原理。 但冈受材料性能等限制，超声波电机发展缓慢。随后科学家们通过实验发现了压电、介电性能更为 优越的材料，为以后超声波电机的快速发展奠定了基础。1 9 6 3 年，m e a r c h a n g e l s k i j 设计了一台利 用轴向、弯曲耦合振动的振动片型超声波电机，根据振动合成和间断接触理论解释了超声波电机的 工作原理。1 9 6 4 年，原苏联的v v l a v i r e n c o 制作了第一台旋转超声波电机，并用等效电路的方法分 析了压电陶瓷片的振动。1 9 7 3 年美国i b m 公司的h vb r a t h 发明的超声波电机是第一个具有实用意 义的超声波电机模犁，同时原苏联的v v l a v f i n e n c o 等人研究了儿种具有l 司样原理的超声波电机， 但由于电机运转时磨损和发热严重，未能获得实际应用。1 9 8 0 年日本的指田年生在前苏联p e v a s i l i e v 研究的基础上，提山并制造了一种振动片型超声波电机，该电机的性能第一次满足了实际使 用要求，但同样磨损严重。为了解决这个问题指田年生在1 9 8 2 年发明r 行波型超声波e 乜机，并于 1 9 8 5 年在美国中请了行波亚! 超卢波电机的专利。这种电机的研究成功，开辟了压电超声波l h 机的实 用化道路【1 】【3 】。 1 1 3 超声波电机特点 超卢波电机是通过在压r 乜陶瓷上施加高频交流信号在弹性体 ：激发超卢振动从而通过定转子2 问的摩擦耦合推动转子运动的。由于其特殊的r ：作原理，与传统的电磁i u 机相比，超声波电机有许 多独特的优点【4 】1 5 】，如： ( 1 ) 低速人转矩 超卢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十倍以上。冈此，超声波r 缸机可直接带动执行机构，这是其他备类驱动 装置所无法达到的。由于系统去掉减述机构，不仅减小了体积，减轻了重量，而且还能提高系统的 控制精度和相虑速度。 ( 2 ) 无电磁干扰、电磁兼容性好 超声波电机依靠摩擦驱动，无磁极和绕组，工作时不产生磁场，也不受外界电磁场及其它辐射 源的影响。 ( 3 ) 动作响应快、控制性能好 超声波电机的启动响应时间在毫秒级范围内，能够以高达i k h z 的频率进行定位调整，而且制 动响麻快。 ( 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，使电机具有较人的静态保持力矩，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 超声波电机振动体的机械振动是人耳听不到的超声振动，低速时产生人转矩，无需齿轮减速机 构，故传动结构简单，运行安静无噪声。 2 第1 章绪论 1 2 超声波电机的研究 1 2 1 小型化驱动电路的研究 伴随着直线型超声波l h 机的出现，对其相应驱动控制器的研究也日渐升温，但由于超声波电机 定子振动的1 f 线性、时变的阻抗特性与幅频特性，到目前为j e 还没有精确的数学模艰来描述1 6 】，因 此电机的性能与电机的驱动控制系统密切相关。直线型超声波电机按激励相数有单相驱动和两相驱 动之分。对于两相激励 乜机改变两相驱动信号相序可使电机向相反方向运行。两相直线超声波电机 的驱动电源的一相完全可用于驱动单相超声波电机，切换电机驱动频率可实现电机般向运动。实际 麻州中要求有针对单相直线超声波电机的简单实用的小型化驱动电路。相关文献中已有这力+ 面的研 究i ，j ，且己向驱动电路和电机一体化和微型化的方向发展。 1 2 2 超声波电机频漂特性研究 超声波电机长时间i _ = 作斤，由于超声波电机的时变性和非线性特征，其定子的谐振状态随温度 等条件的变化会发生漂移0 l ，如图1 1 所示。 ，j知j ? 图1 1 频率特性曲线 r 乜机刚开始稳定t 作在q o 点，k 时间一】一作后，电机谐振特性发生漂移，曲线从移到t l ，如 果电机的激励频率不变，则电) d t - r 作点将从鲕点转移到q l 点，此时微观上表现山定子激发小的振 动幅值下降，宏观上就是电机转速下降。 为了使电机重新i 山到摄佳工作点，驱动源的频率必须跟踪超声电机的定子i 旨振频率的变化。由 图1 1 可知| 定子谐振特性漂移后，定子阻抗特性角发生了妒的变化，如果能将驱动频率从而调整到 五，这时：【：作点将变为q ，o ，使定子k h 抗角基本保持不变，即实现了对电机一l 作点的跟踪功能。 因此为了使超声波电机实现较稳定运行，驱动l 毡路中通常都有频率跟踪电路。超卢波电机设计 时压电陶瓷上留有孤极阮，孤极区通过压电效应可以产生反映电机定子的振动状态的一定幅值的电 压，所以通过采集孤极电压信号并将其作为反馈控制量可以实现对超声波电机的频率调，伊”。由图 1 1 和分析可知，超声波电机驱动电压和电流的相位差同样可以反映电机的谐振状态，因此利用电机 驱动电压和电流的相位差，即阻抗角特性【l ”，通过一定的反馈控制也可以实现对超声波l 乜机的频率 跟踪功能。 1 2 _ 3 超声波电机的应用研究 超声波电机独特的优点及其优良的性能使其在机器人、计算机、汽车、航空航大【l ”、精密仪器 3 东南大学硕士学位论文 仪表、伺服控制等领域得到了越米越广泛的应用，在国外一些领域对超声波电机的应用已经步入产 业化阶段。如：日本的佳能公司和尼康公司将其应用于照相机的镜头调焦：西格玛公司将其应用丁i 大口径望远镜；美国国家航空宇航局( n a s a ) 将其用于太空机器人的机械臂设计：德国的西门子 医疗器械公司( 尔京) 将其用于核磁共振装置( m r i - c t ) ；奔驰公司将其用于汽车车窗的驱动装置 等1 1 “。 超声波电机冈其特殊的运行机理同样存在一些不足。由丁超声波电机是利用定子的超声振动， 依靠定转子之问的接触摩擦驱动转子运转的，因此运行过程中存在两种能量转换过程：压屯陶瓷受 信号源激励后将电能转换为定子的弹性振动能；然厉通过定转子间的摩擦耦台转换为转子的机械输 出，这两个过程都有一定的能量损耗，冈此电机效率较低；另外由于定转子问通过摩擦传动，接触 面材料会有磨损，同时定予机械振动也会导致电机整体结构或压电陶瓷的疲劳损坏，这些都影响l u 机的使用寿命；另外，由于压电陶瓷等基础材料及其一 艺的高精度性平驱动电源的专用性，超声波 电机开发和应用的成本较高，且目前对超卢波电机的研究所依附的控制平台和控制算法大都较复朵 1 5 1 1 6 0 “，不太适合直接在实际中应用。 1 3 本论文的研究内容和意义 1 3 1 主要研究内容 伴随着超声波电机的产生，超声波电机驱动控制技术也得到了较快的发展。在不同的应用领域， 对电机的驱动控制器有不同的要求。随着超声波l u 机在高端精密领域的虑j h ，其驱动电源的小型化 和集成化被逐渐提上日科；国外对超声波的麻用在某些方面已产业化，国内对超声波电机的实验研 究较多，超声波电机的实用化仍有很长一段路要走。针对以上两点，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、发展、分类、特点以及超声波电机的研究内容，指 出存在的一些不足，并提山本课题的研究方向及预划实现日标，并给出本论文的研究内容。 第二章超卢波电机运行原理和驱动控制方式。以超声波电机的典型代表环形行波型超声 波屯机为例，介绍了超声波i u 机的结构特点、运行机理和驱动控制原理，并列举了三种常i 【i j 的超声 波电机驱动控制方法：调频调速、调压调速以及调相凋速。为本谍题的研究提供了理论基础。 第三章单相直线超声波电机臼激振荡驱动电路的设计。针对超卢波电机由于其时变性和非线 性，开环_ l 作下电机特性随温度等外界环境的变化会发生漂移这一问题，研究并设计了基于白激振 荡原理的尊相直线超声波电机的驱动电路，实现r 无变压器式驱动，减小了电路的体积，有利丁- 驱 动控制系统的小耍! 化。 第四章基于锁相环的超声波电机频率跟踪控制。针对行波型超声波电机运行时温度变化等对 电机转速的影响，设计了基于锁相环的行波型超卢波电机的恒相位荠控制i 蛳，实现了对超卢波电 机的频率跟踪功能，提出了通过相位差控制对电机阻抗特性进行最大点跟踪，从而实现对超声波电 机谐振点的跟踪功能。 第五章基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 0 的超声波电机控制器。针对实验研究中超卢波电机控制系统和控制 算法较复杂，不适于实际庶t 【f j 这一状况，设计了一款基于d s p - - - t m s 3 2 0 f 2 8 1 0 的超卢波电机小型控 制器，该控制器由控制电路和驱动电路两部分组成，主控制芯片采刚n 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 0 ，驱 动电路采用推挽式逆变电路，为第六章的应用研究打_ 卜了基础。 第六章行波型超声波电机虑用研究和开发。在第五章研究设计的小硝控制器的基础上，针对 特定功能分别进行了程序开发，实现了行波型超声波电机定点定位控制、超声波电机驱动x y 平台 的二维协调控制硐i 超声波电机随动控制。 4 第1 章绪论 第七章总结和展望 对全文内容进行总结，并点出了本文研究中存在的一些不足和需要进一步研究的内容。 1 3 2 研究的意义 实践证明，超声波电机由于其独特的结构，在工业自动化、航空航天、雷达探测和军工等很多 领域有很大的应用价值。本文以具有，“阔应用前景的超声波电机为研究对象，对单相超声波电机的 自激振荡驱动电路和两相行波犁超卢波电机的相位差控制技术进行了研究，并从实际虑， j 出发对行 波型超卢波电机的相关席用技术作了研究。 超声波电机的种类很多，不同形式的超声波电机在不同的应用场合有各自的优势。超声波电机 丁：作需要专fj 的高频电源，国内还没有专有的超声波电机驱动芯片，因此对单相驻波超声波电机基 于自激振荡原理的无变压器式驱动电路的研究容易实现驱动电路与电机的一体化，对超声波电机驱 动电源的小型化和集成化有一定的参考价值；对行波型超声波电机实施相位差控制为实现对电机谐 振点的跟踪驱动提供了一种方法，通过降低驱动电压可以使电机始终- l = 作在谐振点附近，提高能茸 的传递效率；超声波电机在国内的血用刚刚起步，对超声波电机的实验研究中各种控制理论和方法 得到了实现，但控制平台往往较复杂，如果直接应用于实际中，不但成本较高，复杂的控制方法会 一定程度上影响系统的可靠性。因此研究一种简便可靠的超卢波电机驱动控制器并在此基础上作一 些麻_ j 研究可以一定程度上推动行波型超声波l 乜机产业化的发展。 参考文献 胡敏强，金龙，顾菊平超声波电机原理与应用【m 】北京：科学 l 版社，2 0 0 5 【2 】千敏才摹丁d s p 的超声波电机转速控制特性的研究 d 】： 硕士学位论文 南京：东南大学 电气j ：程系，2 0 0 6 3 】陈永校，郭吉丰编并超声波电动机【m 杭州：浙江人学出版社，1 9 9 4 4 】徐志科行波z 科超卢波电机的模型仿真与试验研究【d 】： 博士学位论文 南京：东南大学电 气：l ：程系，2 0 0 5 【5 5 顾菊平，圆杵定子超声波l b 机及快速定位控制系统 d 】： 博士学位论文 南京：东南人学电气 ：l ：程系，2 0 0 3 6 金龙，褚国伟，胡敏强，等超声波电机速度与定位控制系统f j 】中国电机t 程学报，2 0 0 5 ， 2 5 ( 1 ) ：1 3 1 1 3 6 【7 】顾菊平，胡敏强，石斌，等超声波电机谐振升压式驱动技术研究【j 】中国电机- t 程学报，2 0 0 2 ， 2 2 ( 8 ) ：4 9 - 5 2 【8 】李华峰，赵淳生基于l c 谐振的超声电机驱动器的研究 j 】中国电机t 程学报，2 0 0 5 ，2 5 ( 2 3 ) ： 1 4 4 一1 4 8 【9 】k o h j it o d a ，h i r o s h it o k u m a r u as e l f - o s c i l l a t i o n - t y p eu l t r a s o n i cl i n e a ra c t u a t o r j 】j p n j a p p 】- p h y s , 1 9 9 4 ，3 3 ：3 0 7 1 3 0 7 4 【1 0 p e t i tl ，r i z e t n ，b t i o tr ，e ta 1 f r e q u e n c yb e h a v i o u ra n ds p e e dc o n t r o lo f p i e z o m o t o r s j s e n s o r s a n da c t u a t o r s ，2 0 0 0 8 0 ( 1 ) ：4 5 - 5 2 11 】褚祥诚，李龙土压电行波马达的孤极反馈频率跟踪技术 j 】高技术通讯，2 0 0 2 ( 8 ) ：引- 8 3 【1 2 】f u r u y asi ，m a r u h a s h it ，l z u n oy ，e ta 1 l o a d - a d a p t i v ef r e q u e n c yt r a c k i n gc o n t r o li m p l e m e n t a t i o n o ft w o - p h a s er e s o n a n ti n v e r t e rf o ru l t r a s o n i cm o t o r j 】p o w e re l e c t r o n i c s ，i e e et r a n s a c t i o n so n ， 5 东南大学硕十学位论文 1 9 9 2 7 0 1 ：5 4 2 - 5 5 0 【1 3 】郭吉丰，王光庆，沈润杰，等航天朋系列行波型超声波电机的研制阴宇航学报，2 0 0 7 ，2 8 ( 1 ) ： 1 7 1 1 7 7 1 4 】赵淳生超声波电机技术与应t 【f j 【m 】北京：科学山版社，2 0 0 7 f 1 5 】夏k 亮，祁湍雅，杨荣，等基y - r b f 神经网络的超卢波电机参数辨识与模型参考自适应控制 j 】中国电机j 二程学报，2 0 0 4 ，2 4 ( 7 ) ：1 1 7 1 2 1 1 6 】傅平，郭吉丰，j 敬，等基于神经元自适应p i d 的超声波电机速度位盖控制【j 】电t 技术学 报，2 0 0 7 ，2 2 ( 2 ) ：2 8 - 3 3 【1 7 】程昱，钟宜生，徐文立采用白校正模糊p i 控制的超声波电机速度控制【j 】微特电机，2 0 0 2 ，3 0 ( 4 ) ： 3 0 - 3 3 6 第2 章超声波电机的结构和运 t 原理分析 第2 章超声波电机运行原理和驱动控制方式 本章着重以超声波电机的典型代表一一环形行波型超声波电机为例，介绍了超声波电机的结构 和特点，分析了电机的运行原理和驱动控制原理，从理论上解释了超声波电机的驱动控制方法，并 列举了常用的几种超声波电机驱动方式，为后面章节研究的内容提供了理论基础和依据。 圣2 1 环形行波型超声波电机结构与运行原理 2 1 1 环形行波型超声波电机结构 行波型超卢波电机就结构来看，可以分为环形行波超声波电机( r i n g - t y p et r a v e l i n g - w a v e u l t r a s o n i cm o t o r ，简写为r t w u s m ) 和圆箍式超声波电机( d i s k - t y p eu l t r a s o n i cm o t o r ，简写为 d t u s m ) i lj i “，由于环形行波型超声波电机的结构和原理相对比较简单，国外已有该种r 乜机成功产 业化生产的先例，而且也是国内最早研究的超声波电机，所以r t w u s m 是目前应用和研究最多的 l “机。本课题主要研究行波型超声波电机的相位差跟踪控制和与电机配套的小型控制器的应用开发。 r t w u s m 的外形和结构分解幽如图2 1 所示。 ( a ) 电机外形 ( b ) 电机结构幽 图2 1 直径为6 0 r a m 的环形行波型超声波电机 图2 - 1 ( a ) 所示为带反轴的直径6 0 m m 行波型超声波电机，反轴用米安装光电编码器，以便进 行闭环控制；图2 - i ( b ) 为不带反轴电机的内部结构图，由图可知，环形行波 矬超卢波电机主要由 壳体、轴承、轴、蝶簧、转子、定r 、压电陶瓷片及底座耋 【成。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。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，定子背面粘结上压电陶瓷，1 ：通过施加预压力依靠转f 变形使定转子紧压在一起。 图2 - 2 所示为行波型超声波电机压电陶瓷的电极结构图i j j 。图中的阴影i 域为未敷银区( 或者对 应部分的敷银层被磨盘) ，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“+ ”和“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 区分另表示驱动r t w u s m 的 两相电极，而孤极区是传感器区，利州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。r t w u s m 设计时所选择的工作模态为b 0 9 ，即压电陶瓷环 的周氏为行波波跃五的9 倍，a 区和b 区各分区所r 与的宽度为五2 ，孤极区宽度为五4 。 7 东南大学硕 ：学位论文 ( a ) 正面 4 ( b ) 反面 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运行原理 超声波电机工作时，在aj 爱和b 区压电陶瓷上施加两相相位差为9 0 。的激励电压时由于压电 陶瓷的逆压电效应，可以在定子中分别激发出驻波振动，两波在激励电压幅值相同时在定予中合成 为行波振动，在定转子问预压力的作用f ，推动转子沿行波传播相反的方向运转“1 嘲。 由于压电陶瓷相邻分区极化方向柏反，在电压激励下，相邻压电分区分别伸张和收缩，从而激 发横向k 度伸张和收缩振动，可以存定子弹性体中激发 | 弯曲振动。由丁二压电体在一个驱动信号作 用卜，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的a 区或者b 区，只能在定子 环中激发出单一的驻波振动；而使川两相交变电压同时激励a 区和b 区时，在一定条件下可以在定 子环中激发出行波振动。数学推导如下； 假设： a 相驱动激发的驻波为：m 0 ( x ，f ) = c o s h c o s c o t ( 2 1 ) b 相驱动激发的驻波为：0 ，t ) = 靠e o s k ( x x o ) l c o s ( a j t + 印 ( 2 2 ) 式中，w a 、为弹性体表面横向位移；邑、磊分别为a 相和b 相横向振动的振幅；后：兰； 为弹性波振动的波数：a = 兰为弹性波波长；阼为周向振动模态阶数；三= 2 石，为定子环圆周艮；， 为定子环的平均! f 径；i = n r ；屯为a 相振予与b 相振子间的空间间隔；0 为a 相、1 3 相驱动电 压间的相位著。 如图2 2 ( a ) 所示，有吒：2 4 ，叉七：三三，代入( 2 2 ) 得： ( x ，f ) = 靠c o s ( h 一等+ ) c 。s ( 耐+ 目) = 靠s i l l 缸c 。s ( 叫+ 口) ( 2 3 ) 两列驻波叠加可得定子环表面某一确定质点的振动为： w ( x ，t ) = ( x ，) + ( 工，t ) = 己c o s l o c c o s r a t + 磊s i n k x c o s ( w t + 印( 2 - 4 ) 8 第2 章超声波电机的结构和运行原理分析 当压电陶瓷对称极化时，有色= 靠= f ，当a 相、b 相激励电压的相位差在时问上差9 0 。时， 则0 = n 1 2 ，代入式( 2 - - 4 ) 得 “x ，r ) = ：c o s o c c o s c o t s i n k x s i n c o t = c o s ( c o t + k x ) ( 2 5 ) 当厶= 靠= f ，0 = 一z c 2 时 w ( x ，f ) = 孝c o s 南r c o s 耐+ f s i n c o s i n c o t = c o s ( c o t - o c ) ( 2 6 ) 由上两式可知，当a 、b 两相驱动电压幅值相同，相位差为石2 时，在定子环中可以形成行波， 当其中某一相反相时，行波的行进方向相反，即转子反向旋转。 由上面推导可知定子表面质点横向振动位移为： w ( x ，f ) = w a ( x ，f ) + w n ( x ，f ) = c o s o c c o s c o t + 靠s i n o c c o s ( c o t + 日) ( 2 - 7 ) 根据式( 2 - 7 ) 可得，定子表面该质点纵向振动位移可表示为 “( z ，) ：一h o w ( x , t ) = - - 砌( 一厶s i n k x c o s c o t + 靠c o s h c o s ( 国r + 印) ( 2 _ 8 ) 其中h 为定子上表而到中性层的距离，当六= 磊= f ，0 = z t 2 时，有： u ( x ，) = k h 毒s i n ( k x + c o t ) ( 2 9 ) 由式( 2 5 ) 、( 2 9 ) 可得定子表面质点运动轨迹方程为： 一w 2 ( x , t ) + u 2 ( x , t ) ：1 ( 2 - 1 0 ) 亭2l 肋掌j 一 由式( 2 一i o ) 可见，当在定子中形成行波时，其定子表面质点作椭圆轨迹运动。 由式( 2 - 8 ) ，可以获得定子表面质点运动的纵向速度为 k ( 工，f ) = 重掣= - - 七矗珊( 己s i n h s i n c o t 一磊c o s h s i n ( c o t + 曰”( 2 - 1 1 ) 讲 当己= 靠= f ，o = l r 2 时，k ，) = o u 西( x , t 型= k h 善c o s ( k x + c o t ) 在椭圆运动到最高点时，横向振动位移最大，纵向振动位移为零， o w 一( x , t ) ：0 ，得 一s i n k x c o s c o t + 厶c o s c o s ( c o t + 0 ) = 0 ，此时解得： 此时获得最大值 。i n 舡：鱼! ! 墅竺兰丝 爵c o s 2 耐十靠c o s 2 ( c o t + 0 ) 9 东南大学硕十学位论文 k 。= 一k h c o ( ：丝竺鱼鱼! ! ! 呈! 丝三些三竺! 舅c o s 2c o t + 靠c o s 2 ( c o t + 口) 一 k b s i n o = ：= = = = = = = = = = = = = = ! j = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 舅c o s 2 国f + 舅c o s 2 ( c o t + 0 ) ( 2 1 2 ) 当厶= 磊= 孝，0 = z 2 时，k 一= 砌如 ( 2 - 1 3 ) 若不计定转子之问的滑动，且设转于接触面与定子振动波形相切，则此时转子速度为： 咋一= k h 毒c o ( 2 1 4 ) 定子表面质点运动的横向速度为： o ，f ) ：掣鲨：一弘s i n ( k x + c o t ) ( 2 1 5 ) 定子表面质点运动的横向振动加速度为： 啪= 挈= 咖2 cos(kx+cot)(2-16) 由以上讨论可知，定子表而质点作椭圆运动；行波犁超声波电机是利用定子行波波峰质点的纵 向速度推动转子转动：转予f l 勺转动速度为定子表面质点的纵向速度；定转子之间的界面摩擦力为电 机的驱动力；政变行波在定子弹性体内的传播方向就可以实现超声波电机的换向。 2 2 行波型超声波电机驱动控制原理 2 2 1 调速原理与方法 超声波电机j i i 作时需要相戍的驱动电源，驱动信号频率一般在2 0 k h z 以上。在实际席_ l = i j 中，需 要对超声波电机进行速度、位置昶i 转矩等控制，这就要求超声波电机驱动源有可控性莆j 可调性，那 么驱动源的哪些量可以川来对超声波电机运行状态进行控制和调整呢。 根据式汜1 z l 有k 一2 了雾i 妄笔箬雩南，一台超声波电机结构设计完成后， 其定予结构也已确定，则k 、h 为常量，此时上式中、品和0 为变量，为定子中激发出的 行波振动频率，和驱动信号频率相关；和磊分别为a 相和b 相横向振动的振幅，和激励电压的 幅值相关：目为两相驱动信号的相位著。由上可知，可以分别通过调节驱动频率，u = 昙) 、调节 压屯陶瓷的两相激励电压的幅值和两相激励电压之间的相位差0 来调节行波波峰点的速度，从而控 制i 乜机的转速。 由上分析可知，超卢波电机常用的调速方法有三种6 1 1 7 1 ：1 调频调速，通过调节驱动信号的频率 1 0 第2 章超声波电机的结构和运行原理分析 来实现。2 调压调速，调节p w m 波的占空比调速。3 调相调速，通过调节两相驱动电压的相位来实 现。卜面分别进行介绍。 2 2 1 1 调频调速 行波型超声波电机是依靠压电陶瓷的逆压电效应激发定子的行波振动而一i ：作的，所以电机的转 速与振动幅值密切相关，当驱动信号频率越接近定于谐振频率，振动的振幅越大。因此调1 ，驱动信 号频率就可以调。肖电机的转速。图2 - 3 所示为固定两相驱动电压相位著为9 0 9 ，驱动电压幅值为4 2 0 v 左右时实测的电机转速频率特性。由图可知，电机转速在整个频率范围内调节具有非线性，且在共 振频率点容易引起整个电机机械结构的共振，电机运行币稳定。所以超声波电机的调频调速有频带 限制。通常，电机驱动信号频率范围选在谐振频率点右侧较平滑区域，此区间电机转速与频率有一 一对应关系，适合于在i b 机控制中采朋。 颠率( k l l z ) 图2 - 3 超声波电机转速频率特性 2 _ 2 - 1 2 调压调速 改变行波型超卢波l b 机的激励电压幅值可直接改变定子中的行波振动的振幅，囡此可以实现超 声波电机的调速。幽2 4 所示为同定两相驱动电压相位若为9 0 “，驱动信号频率为4 0 k h z 左右时实测 的电机转述电压特性曲线。由图可见，调压调速存在调肯死区，当电压幅值小到一定程度( 图中为 2 3 0 v 左右) ，电机停转：当电压幅值高到一定样度( 5 0 0 v 左右) ，转速，i ：不会一直增大，而是进入 饱和k 。 名 i v 型 口l o c i1 5 02 2 5 0 3 0 03 m 电压峰峰值( v ) 图2 _ 4 超声波电机转速一驱动电压特性曲线 l l 东南大学顶十学位论文 2 2 1 3 调相调速 图2 5 所示为矧定两相驱动电压幅值为4 2 0 v 左右，驱动信号频率为4 0 k h z 左右时实测的电机 转速与驱动l b 压相位差特性曲线。由图可见，特性曲线整体上早现正弦变化特征，说明调节两相驱 动电压的相位差可以调节【b 机转速，且具有1 e 线性特征，而且在相位差较小区域( 小于2 0 0 左右) 存在死区。 t 、， 崩 啦 】帅一1 5 01 0 0 05 01 1 5 0 【 相位差( 。) 图2 - 5 超卢波电机转速一驱动电压相位差特性曲线 2 2 2 驱动方式 超卢波电, j t y 作时需要两相相差9 0 。的高频交流电压驱动。系统一般采川直流供电，因此需要 逆变升压电路。常用的有半桥式逆变电路、全桥式逆变电路羽l 推挽式逆变电路等1 7 1 ”。 2 2 2 1 半桥式逆变器 图2 - 6 所示为半桥式逆变电路。变压器原边两端分别接在电容c l 、c 2 的连接点和开关管q 1 、 q 2 的连接点。通过q 1 和q 2 的交替导通，在变压器原边形成幅恤为v c c 2 的交流电压。改变驱动 开关管信号的占空比可以改变输出电压的平均值。、卜桥式逆变器的主要优点是变爪器的利用率高， 抗不平衡能力强。但该逆变土叫路的桥臂电压只是直流电源电雎的一半，吲此所需直流电源的电压 较高。 v e t 图2 - 6 半桥式逆变电路 1 2 广、 第2 章超声波电机的结构和运行原理分析 2 2 2 2 全桥式逆变器 图2 7 所示为全桥式逆变电路。主电路中有四个开关管，互为对角的两个开关管同时导通，同 一侧半桥上下两个开关符交替导通，在变压器原边形成幅值为v c c 的交流电压。改变驱动开关管信 号的占空比可以改变输山l h 压的平均值。在所有隔离型开荚中，采朋相同电压和电流容量的开关时， 全桥式逆变器可以达到最大功率，但电路中开关器件较半桥和推挽式多，成本较高，且输入回路中 有两个开关管的通态压降，同等条件_ 卜产生的通态损耗较大，故常t h j 于中大功率系统中。 v c c 图2 7 全桥式逆变电路 2 2 2 3 推挽式逆变器 图2 - 8 所示为推挽式逆变电路。两个开关符q 1 和q 2 交替导通，在变压器原边的绕组1 端和2 端分别产生相位相反的交流电压。该电路的优点是电路一l 作时输入刖路中任意时刻最多只有一个开 关管的通态压降，通态损耗较小，适川丁i 低压直流源供i 毡的场合。且与上述两种电路相比，推挽电 路结构简单，器件较少，电路成本要低一些。 2 3 本章小结 图2 8 推挽式逆变电路 本文简单介绍了环形行波型超声波电机的结构以及其运行机理，从数学推导出发得出了三种常 用的调速方法一一调频调速、调压调速和调相凋速，并介绍了行波型超声波i u 机应用中常玎的三种 逆变驱动l h 路推挽式逆变电路、半桥式逆变电路和全桥式逆变i 乜路，为论文斤面的进一步工作 提供了理论依据。 1 3 东南大学颀一e 学位论义 参考文献 1 】金龙旋转型压电行波超声马达的研究【d 】： 博十学位论文 南京：南京航空航天大学，1 9 9 7 【2 】陈永校，郭吉丰超声波电动机 m 】杭州：浙江大学出版社，1 9 9 4 【3 】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