（电机与电器专业论文）基于dsp的行波型超声波电机驱动控制系统的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 a b s tr a c t b e i n gas o r to fn e wp r i n c i p l em i c r o m o t o ri nt h ef r o n i t i e ro fs c i e n c e ，t h eu l t r o s o n i c m o t o r ( u s m ) i sd e v e l o p e da tr e c e n t l yt w e n t yy e a r s u t i l i z i n gt h es t a t o rs u r f a c ep a r t i c l e e l l i p t i c a lm o t i o ne x c i t e db yp i e z o c e e r a m i c s ，t h eu s mi sd r i v e db yf r i c t i o nf o r c eb e t w e e n t h es t a t o ra n dr o t o r c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a le l e c t r o m a g n e t i cm o t o r , t h eu l t r a s o n i c m o t o rh a st h ef o l l o w i n gf e a t u r e s ：h i g hs p e e d ，h i g hh o l d i n gt o r q u ew h e n p o w e r i so f fa n ds o o n b e c a u s eo fi t s c h a r a c t e r i s t i c s ，t h e u l t r a s o n i cm o t o rh a so b t a i n e ds o m e w i d e s p r c a d a p p l i c a t i o n i n r o b o t s ，p r e c i s ei n s t r u m e n t ，h o u s ee l e c t r o n i c a l a p p l i a n c e ，s a p c e e c r a f l a u t o m o b i l ea n dm i c r o m e c h a n i s m w h e nt h et r a v e l l i n gw a v eu l t r o s o n i cm o t o r ( t u s m ) ss t r u c t u r ei sd e t e r m i n a t e d i t ，s p e o f o r m a n c ew i l lb el i eo nd r i v ea n dc o n t r o ls t r a t e g y a c c o r d i n gt ot u s m sc h a r a c t e r i s t i c a n di t sd r i v i n g t h e o r y , ak i n do f u s m sd r i v e ra n dc o n t r o ls t r a t e g yi sd e s i g n e di nt h i sp a p e r , w h i c hi sb a s e do n d i g i t a ls i n g a lp r o c e s s o r ( d s p ) t h em a i nw o r k a c c o m p l i s h e d i ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ( 1 )a n a l y z e d i f f e r e n tt u s m s d r i v ea n dc o n t r o l s y s y t e m t h e d i f f e r e n t p e r f o r m a n c eo f t h et u s m sd r i v ea n dc o n t r o ls y s t e ma r ec o m p a r e di nt h i s p a p e r i ta n a l y z e se v e r ys y s t e mg o o dq u a l i t i e sa n ds h o r t a g e ( 2 ) d i s c u s s t h es q u a r ew a v ea sd r i v es i g n a la n dg i v es i m u l a t i o nr e s u l t b a s e do n t h ea n a l y s i so ft h et u s m s e q u i v a l e n tc i r c u i t ，i t sa d v a n t a g e i si sp r o v e da n d c o n f i r m e db ys i m u l a t e ( 3 ) d e s i g n at u s m sd r i v ea n dc o n t r o le x p e r i m e n t a ld e v i c e i tu s ed s p a st h e m a i ne l e m e n ta n d s q u a r e s i g n a l a n d s y n t o n i c d r i v em o d e f o r m t h e e x p e r i m e n t ，t h es y s t e mm e e tt h et u s m sd r i v ea n dc o n t r 0 1 s p e e dh a sf a s t r e s p o n s e k e y w o r d s ：t r a v e l l i n gu l t r o s o n i cm o t o r ；d s p ；d r j v ea n dc o n t r o l 浙江大学硕士学位论文绪论 1 1 引言 第一章绪论 超声波f l ：l 机( u l t r a s o n i cm o t o r ) ( u s m ) 是一种利用超声振动能进行驱动的新原理 电机。它借助压电晶体和弹性体，通过逆压电效应将电能转变为超声振动能：然后通过 定、转子之问的接触和摩擦力，将交变的振动转变成转子单方向的回转或直线运动，实 现机械振动能到转子动能的转换。鉴于高频机械振动是通过压电晶体所产生的，故超声 波电机又名超声马达【1 咽。 与传统的的电磁型电动机相比，u s m 具有结构紧凑、体积小、重量轻、低速大力矩 等有点；其能量密度是电磁型的电动机5 1 0 倍，且勿需加齿轮减速便可直接低速驱动 负载：停电后具有自锁功能；由于其本省无铁心绕组，因而也就不存在电磁干扰。正是 因为这些诱人的特点，使得u s m 一经问世便引起了国内外学术界、产业界的极大关注。 迄今为止，u s m 已经有几十种产品问世，它被广泛应用于光学仪器( 电子显微镜、 激光干涉仪) 、精密加工设备( 精密镗床、磨床进刀系统) 、微型机器人、医疗设备、办 公自动化设备、家用电器、汽车电器、空间飞行器的执行器等领域。 u s m 的出现为伺服机构提供了一条新思路，它不仅在思想上突破了传统的电磁感应 理论( 利用电磁耦合实现电能到机械能的转变) ，而且又以优异的性能特点弥补了传统电 机的不足( 传统电机低速难以稳定运行，通常是高速运行后通过齿轮减速来获得低速) ， 使得它在微特电机领域内取得席之地。 应该讲，u s m 是材料学、电力电子技术、超精密加工、自动化技术等高新技术交叉 发展到一定阶段的产物。鉴于此，人们对其认识还不是很充分。 1 2 超声波电机的研究概况 1 2 1 行波型超声波电机 单一振动模态。指田年生在1 9 8 2 年发明了两种直线超声波电机，其中一种直线 超声波电机如图1 1 所示 6 】。这种电动机直线轨道的两端各安装一个完全相同的 浙江大学硕士学位论文绪论 l a n g e v i n 振子，分别用于激励和吸收振动，防止弹性波反射，从而在轨道中产生单一 的行波，其驱动机理与行波旋转型超声波电机相同。若要改变滑块移动方向，交换激 励振子和吸收振子的功能即可。 这种电动机关键在于如何获得纯正的行波，吸振器在把振动能量变换成电能时， 一般无法完全吸收，所以吸振的受波侧或多或少的存在残余驻波及弹性反射波，影响 了电动机的效率。同时吸振的能量消耗也影响电动机的效率，故其性能要劣于环形直 线超声波电机。 转 碟 圈1 1 超声波直线电机 圈1 2 行波型超身波电机的结构示意图 复合振动模态。现在应用最广泛的超声波电机是指田年生发明的环型超声波电 机，随着电机进一步发展，其结构原理也变的更为成熟 7 1 8 。 行波型超声波电机的结构如图1 2 所示，环形行波型超声波电机结构由电机本体 和驱动电源两部分组成，带齿环形弹性体和环形p z t 片由环氧树脂粘接构成定子， 2 浙江大学硕士学位论文绪论 定转子间的预压力山碟簧提供，转子与定子弹性体接触面涂覆一层摩擦材料，用于减 小磨损和提高摩擦系数。弹性体环内部边缘为央持约束条件( 外缘兴持办可以，这时 电机可做成中空结构) ，定子与转子接触面上开有齿槽，使得在不提高弯曲刚度和固 有频率的条件下，放大了表面质点椭圆运动的振幅。p z t 片a 、b 两相山一片压电陶 瓷环实现，分为a 、b 两相区，在空间对称排列，采用厚度方向极化，其极化要与选 用的定子模念一致，极化时，每隔l 2 波长反向极化，p z t 的极化与连接情况如图1 3 所示。图中利用了圆环轴向的9 阶弯曲模态，“+ t ”代表压电片的极化方向相反， 两组压电片空间相差a 4 ，相当于n 2 ，分别通以同频、等幅、相位相差口2 的超声 频域的交流信号，这样两相区的两组压电体即在时间与空间上获得9 0 。相位差的激 振。 带齿定子弹性环3 九，4 压电片极化分布图 图1 3 定子带齿弹性环和压电片结构 图1 4 行波型超声波电机运行机理 浙江大学硕士学位论文绪论 行波型超声波电机的驱动接触模型，行波型超声波电机的弹性体表面仅在行波波 峰处与转子或滑块接触，如图1 4 所示，由于处于波峰处的质点振动方向一致，其方 向与波前进的方向相反，这样，与做行波振动的弹性体接触的物体将在摩擦力的作用 下，向着与行波前进方向相反的运动，这就是行波型超声波电机的摩擦驱动机理，其 摩擦力中既有滑动摩擦，也有滚动摩擦，因而电机的效率较低，但这种电机的寿命较 长【1 9 - 2 2 。 1 9 9 6 年，美国麻省理工学院主动材料和结构实验室( a c t i v em a t e r i a l sa n d s t r u c t u r e sl a b ) 的h a g o o d ，n 等人为空间应用而开发了具有双面齿结构的行波型超声 波电机，该电机具有完全对称的结构，粘贴压电陶瓷、双面带齿的弹性体为转子，采 用外部机架固定，结构如图1 5 所示【2 3 】，这种结构由于要给转动部位的压电陶瓷通 电，因此比传统的单面齿耦合的行波型超声波电机复杂。双转子行波型超声波电机的 机械特性和工作特性如图1 6 所示，其力矩要比同直径的行波型超声波电机高2 倍以 上，且运转十分稳定，已用于美国航空航天局( n a s a ) 的火星着陆灵巧机机械臂j p l m a r sa r m i i ，比同结构但采用电刷直流电机的m a r sa r mi 减轻重量4 0 。考虑 接触面的受压力不均，东南大学提出了一种均压型的电机，对力矩提高有明显改善； 密苏里大学对小直径的电机为降低曲率效应的影响，在齿外侧有轮缘，如图1 7 所示， 这样其接触区域从边缘向齿部中间移动，也能有效提高出力和寿命。 麟躐漱瓣懿糕糕黼l 隧黼瓣瓣黼圆麟瓣测l 、 圈1 5 双面齿行波型超声波电机 4 浙江大学硕士学位论文绪论 图1 6 双转子行波型超声波电机的机械特性和：工作特性图 图1 7 密苏里大学研制的超声波电机 非接触型超声波电机是由日本山形大学工学部广濑精二助教授首先提出，采用定 转子间空气作为媒质，制作了一直径2 0 m m 圆板型定子的超声波电机，驱动频率 3 0 k h z ，无负载时转速可达3 0 0 0 ( r m i n ) ，后当时在东京工业大学攻读博士学位的胡 俊辉研制成了高速的声悬浮超声波电机，转速达到了1 0 0 0 0 ( r m i n ) 以上。在此之后， 他又研制出直径为l m m 的圆板型超声波电机。先后有山形大学铃木胜义教授和东京 工业大学t o h g oy a m a z a k i 等研制出不同形式以空气为媒质的圆筒型非接触型超声波 电机 2 4 1 1 2 5 ，其结构如图1 8 所示。其中( 口) 圆板型超声波电机：( 6 ) 采用l a n g e v i n 振子型超声波电机；( c ) 为圆筒型超声波电机。 上述非接触型超声波电机定转子间皆以空气为媒质。日本东京工业大学上羽研究 室对以水、盐水、硅油等为媒质的非接触型超声波电机进行了理论和试验研究 2 6 1 2 7 1 ， 5 浙江大学硕士学位论文绪论 其电机结构如图1 9 所示，但尚未见到电机性能参数的报道。 转f定早压电陶瓷 图1 8 采用空气媒质的非接触型超声波电机图1 9 以液体为媒质的超声波电机 1 2 2 驻波型超声波电机 ，、 、 ， 、 一 、 一 一 i n1 71 71 n 一 i r 1 厂lrl厂i广 图1 1 0 单一振动模态驻波超声波直线电动机 ( a ) 弹性体产生的驻波( b ) 驱动力方向 ( c ) ( d ) 齿的设定位置和移动体的移动方向 单一振动模态。单一振动模态的驻波，其振动体表面的质点作直线运动，其驱动 力的方向因位置而定，如图1 1 0 所示 2 8 2 9 1 1 3 0 1 。若在合适的位黉设置齿与转子或移 动体接触，这样就构成了单一振动模态驻波超声波直线电动机。图1 1 0 ( c ) ( d ) 中 6 一 l a n g e v i n 攘子 图1 i 1 楔状驻波型超声波龟机 跳年目古。 2 采田超转连接器的蔗醇声波电机 1 1 9 8 5 年目立m 蛳j i 公司筑波研究所熊网：夏：兰三砌。，博士发明7 改进型 浙江大学硕士学位论文绪论 的驻波超声波电机，采用机械扭转连接器取代楔形振动片，借助扭转连接器将压电振 子产生的纵向振动诱发出扭转振动，两种振动在扭转连接器| i 端合成质点椭圆运动轨 迹，驱动转子旋转。这种电机转速达到1 2 0 ( r m i n ) ，输出转矩1 3 n m ，能量转换效 率为8 0 u 2 1 ，超过传统电磁型电机。该超声波电机结构及其所采用机械扭转连接器 如图1 1 2 所示。熊用明生发明采用机械扭转连接器诱发扭转振动的超声波电机后， 各国的大学和研究机构开展了大量研究，提出许多新型的超声波电机，其中大部分是 采用一个纵振子，利用不同结构的机械纵扭转换振子耦合诱发扭转振动，纵扭振动合 成接触表面质点的椭圆振动轨迹，通过摩擦耦合，驱动转子做旋转运动。 与此同时，日本神奈川大学( k a n a g a w a u n i v e r s i t y ) 的j i r o m a r u 等人 3 1 发明了一 种带斜槽的机械纵扭转换振子，并制作了样机，其结构如图1 1 3 所示。纵扭转换振 子为圆筒形，在其中部外圆周采用电火花加工出1 2 至1 8 条宽0 5 m m 、倾角为4 5 0 的 斜槽。该机械转换振子安置在纵振动节点位置，压电振子激发的纵振动传播到转换振 法兰盘压电陶瓷环 纵振子带斜槽转换振子 转子碟簧 图l _ 1 3 采用斜槽纵扭转换振子的超声波电机 子斜槽部位时，同时诱发出扭转振动，在纵扭转换振子与转子接触的端面上合成质点 的椭圆振动轨迹。直径1 5 m m 的超声波电机样机，在6 0 k h z 驱动频率下，获得最大转 速5 5 0 ( r m i n ) ，转矩0 3 n m ，最大效率2 0 。此后，j i r o m a r u 等人又制作了相同结构 直径1 5 、4 0 、5 0 和6 0 r a m 的超声波电机样机，驱动频率范围为5 6 2 3 k h z ，获得o 3 、 1 1 、1 7 和2 3 n m 转矩。 在9 0 年代我国清华大学周铁英教授等人 3 2 】针对熊田明生发明驻波旋转超声波电 8 浙江大学硕士学位论文绪论 机由单梁支撑转子，在低速时运行不稳定，提出了三梁纵弯扭( l b t ) 耦合振子，如 图1 1 4 所示，该纵扭耦合子中部为一中心固定的圆盘，- n 为均靠的三条腿，与纵 振动l a n g e v i n 振子接触，另一侧为三个沿圆盘均布的梁支撑转子，两侧的梁与腿交 叉分布。当腿做纵振动时，圆盘弯曲振动，而三个梁做扭转或弯曲振动，粱的顶部质 点作椭圆振动，驱动转子作旋转运动。图中给出了l b t 振子的有限元模型及其扭转 模态。此超声波电机的l b t 振子外径为18 6 m m ，工作频率9 0 7 k h z ，驱动转矩 1 0 0 9 f c m ，转速2 0 0 ( r r a i n ) ，性能平稳，性能优于同样尺寸的采用单梁扭转连接器耦合 振子的驻波超声波电机，而且通过采用高阶模态达到控制转子旋转方向。 脚 f e m 模型 图1 1 4 三梁l b t 振子 1 3 超声波电机驱动控制系统 l b t 模态 超声波电机作为一种新型的驱动器已经得到广泛的应用。其运动原理不同于传统的 电机，它利用摩擦传动，定子和转子之间的滑动率不能完全确定，其谐振频率随环境温 度的变化发生漂移，具有复杂的动力学现象及强非线性，同时电机的性能随工作温度、 负载、转速、转动方向、电压及定子、转子压力的变化而变化，很难得到集中质量模型 【3 3 3 4 3 5 。 超声波电机结构确定以后，其性能往往不仅取决于电机本身，而且在很大程度上 取决于驱动控制系统设计的好坏。与其它类型电机不同的是：超声波电机具有电容特 性，这也就决定了其驱动器的设计有别于普通电磁型电机感性负载的情况。u s m 驱 动控制系统的试制过程也表明：若驱动控制器设计的不好，不仅会导致电源输入功率 9 浙江大学硕士学位论文绪论 过高，而且还会造成主开关器件发热严重、驱动器体积过大等后果，而此时电机的实 际输出功率却很小。因此，如何设计一个既满足性能要求又具有结构简单、实用等特 点的u s m 的驱动器，则是u s m 进一步小型化、产品化和实用化所首先需要解决的 问题 3 6 】【3 7 3 8 】。 1 3 2 行波型超声波电机对驱动控制系统的要求 行波型超声波电机驱动的最基本的条件是提供两相电相角相差9 0 。的两路正弦信 号以配合压电陶瓷空间正交布置在定子激励出一个行波振动，根据前面对u s m 的讨 论，可以将行波型u s m 对驱动控制器要求归纳如下： ( 1 ) 二相高频交流输出、时间具有一定相移、电压等于u s m 的额定电压，频率略高 于u s m 的机械谐振频率( 超声频率) ，且连续可调： ( 2 ) 为满足调速要求，可选择调压调速方式、或调频调速方式、也可选择调节二相 高频电压之间相位的方式，上述各方式均要求连续可调： ( 3 ) 须有正、反转功能； ( 4 ) 为保证u s m 长时间正常运行、最好采用带有反馈检测环节的闭环系统，以防止 温度变化造成u s m 谐振点的变化或负载变化造成工作点的漂移。 ( 5 ) 为提高电机和驱动控制器系统的效率，驱动器的阻抗最好和u s m 的输入阻抗匹 配； ( 6 ) 减少无功交换的功率，提高功率因数，驱动器最好具有无功补偿措旌。 1 3 3 行波型超声波电机的控制方式 根据行波型超声波电机的传动原理，能采用的控制方式如下： ( 1 ) 控制电压幅值。改变电压幅值可直接改变行波波动的幅值，但是电压这种方案 不太采用，电压过低压电元件会不起振，过高又会接近压电元件的工作极限，较 高的电压对应用面也有限制，因为我们总希望较低的工作电压。 ( 2 ) 变频控制。通过调节谐振点附近的频率控制速度和力矩。变频调速对超声波电 动机最合适，因为电动机工作点在谐振点附近。调频具有响应快的特点。此外， 1 0 浙江大学硕士学位论文绪论 工作时谐振频率的漂移也要求有能自动跟踪频率的回路。 ( 3 ) 相位差控制( p h a s e d i f f e r e n c e c o n t r 0 1 ) 。改变两相电压的相位差可改变定子表面 质点椭圆的运动轨迹。 ( 4 ) 脉宽调幅控制。调节电动机正反脉宽比例即占空比( d u t y r a t i o ) 实现速度控制。 1 3 4 行波型超声波电机驱动控制系统分析 一、行波型超声波电机的驱动信号 超声波电机的驱动信号与超声波电机本身的工作原理紧密关联。对应各种不同的 超声波电机可能有不同的驱动信号。有些电机采用单相信号驱动，有些采用两相相差 9 0 * 的信号驱动，还有的采用4 相相位两两间隔9 0 。的信号，等等。当然，这些信号有 一个共同的特点，就是最好采用正弦波，这也是超声波电机驱动源的要求。 但是在实际工作中，根据行波型超声波的电容特性，可以采用方波信号来驱动电 机，其优点是电路实现简单，驱动器结构紧凑等优势。但是方波信号作为驱动信号的 缺点是电机效率低，损耗严重。在达到相同转速的情况下，方波的有效驱动电压与正 弦波大致相同。而方波驱动时，其谐波信号的能量损失严重，导致电机电流很大，发 热严重。因此这也是在电机与驱动电路加一个匹配电感的原因，此电感可以与容性的 电机谐振，产生正弦波 3 9 - - 4 5 。 二、驱动控制电路的分析比较 目前的驱动方式通常采用以下两种方式：一种是采用正弦信号直接放大输入超声 波电机。缺点是放大器需高压供电，结构复杂，驱动电源效率低；另一种是利用变压 器来实现电压升压、能量传递、阻抗匹配和电源隔离，这种方法目前在行波型超声波 电机中使用比较广泛。但变压器的存在极大的影响了电源装置的小型化，进而影响超 声波电机在特定场合的应用和产品开发的小型化 4 6 。 ( 1 ) 典型的行波型超声波电机驱动控制系统 如图1 1 5 所示为典型的行波型超声波电机驱动控制系统 4 7 3 。这种电路满足了基 本的驱动控制器的要求，由高频信号发生器产生所需频率的高频正弦波信号，经移相 浙江大学硕士学位论文 绪论 器分成两路电角相差9 0 。的超声波电机所需的正弦波驱动信号，经过直流逆变和放大 电路，提供电机所需的驱动电压，以此驱动超声波电机。频率跟踪部分通过测得电机 的电压信号来判断电机的是否工作在谐振频率点上，以此来调整高频信号发生器的输 出信号。 图1 1 5 典型的超声波电机驱动控制电路框图 ( 2 ) 有变压器驱动控制系统 如图1 1 6 所示是典型的有变压器驱动控制系统框图 3 6 。 图i 1 6 带变压器的驱动控制系统框阁 这套系统采用了调频调速的方案，频率在高于谐振频频率的范围内连续可调( 若 驱动频率调整的过高，则会进入下一个频段，其对应于另一个模态，电机有可能反转) ， 二相高频交流输出s i n 、c o s 的时间相移为+ 9 0 。，由此实现电机的正反转。 为保证整个系统可用于便携式的场合，电源采用直流1 2 v 供电，由其逆变实现高 频的交流输出；为确保逆变器的输出为u s m 的额定电压，采用高频变压器进行升压： 1 2 浙江大学硕士学位论文绪论 同时由该变压器实现阻抗匹配和无功补偿，变压器身兼多职，是设计的关键。 如图1 1 7 所示，此驱动控制系统的主回路一般采用二路推挽式功放电路【4 7 j 。 + 1 2 v 图1 1 7 二路推挽式功放电路 这种方法目前在行波型超声波电机中使用比较广泛，但是变压器的必需与刁i 同型 号的超声波电机匹配，通用性差，而且变压器的存在极大阻碍了电源装置的小型化， 影响超声波电机在特定场合的应用和产品开发。当产品要求体积小、重量轻( 如照相 机、便携设备等) 时，使用变压器的超声波电机驱动控制装置几乎是不可能的。 ( 3 ) 无变压器谐振式驱动电路 基于超声波电机的特性，利用电路谐振实现无变压器驱动超声波电机，可以解决 上述有变压器驱动控制器所引起的工程问题e 4 6 1 。 图l _ 1 8 谐振式驱动电路图 谐振式驱动电路的主电路如图1 1 8 所示，厶为电感，厶、q 构成谐振电路，。、 巴、也串连看成负载，则电感厶、开关s e 和固定电容q 构成一升压电路。当s e 闭 3 浙江大学硕士学位论文绪论 合时，厶通过电源储能，当s w , 关断时，l 的电能释放到q 上。由于l c 谐振，在 u s m 的输入端产生高电压“。，通过开关s w , 的切抉，在超声波电机的输入端就可以获 得高电压周期信号。图1 1 8 中，厶与q 组成的l c 谐振电路完成升压和滤波的功能 使u s m 获得高频的电压驱动信号。图1 1 8 中二极管n 为整流元件，阻止电流回流， 使驱动电压能够保持在一个比较高的电压水平上。 利用无变压器谐振方式驱动超声波电机，结构简单，在超声波电机的小功率驱动 控制中具有实用性和可靠性。与目前通常采用变压器的超声波电机控制器相比，使用 该电路装置的体积减少、重量减轻、相应的制作成本降低，便于集成化生产。本文采 用这种驱动方式，在后面章节将进行详细的介绍。 1 4 超声波电机特点及应用 1 4 1 超声波电机的特点 传统的电磁型电机是利用通电导体在磁场中受力而获得驱动力，具有输出力矩 大，运行寿命长，转换效率高，转速可调范围大，转向可逆等特点，具有广泛的实用 性。而超声波电机与电磁型电机不同，具有以下的特点： ( 1 ) 结构紧凑简单，根据驱动结构要求可嵌入，可与系统一起集成，如c a n o n 相机自动变焦镜头； ( 2 ) 能量密度是电磁型电机的3 5 倍，是典型的低速大力矩电机，可用于直接 驱动，如用于航空航天领域可减轻飞行物的重量： ( 3 ) 易调速，低速区平稳无脉动( 较一般低速电机诸如步进电机而言) ，但在控 制上又可实现步进驱动，而且定位精度高； ( 4 ) 停电后具有摩擦自锁功能，且在高频频域振动，能量衰减极快，有极高动 态响应特性( 机械时间常数在几m s 以内) 、易实现高精度的速度和位置伺服控制； ( 5 ) 无齿轮减速装置产生的间隙，可精确定位； ( 6 ) 与直流电机相似的下垂的转矩转速特性； 1 4 浙江大学硕士学位论文绪论 ( 7 ) 由于无铁心和线圈，因此抗电磁于扰性强，即电磁兼容性( e m c ) 好。 其不足之处是： ( 1 ) 制造成本相对较高，但批量生产时成本可大幅度降低： ( 2 ) 因为靠摩擦驱动，摩擦材料的寿命问题，会影响电机的工作寿命。 1 4 2 超声波电机的应用现状 日本研究和开发超声波电机在世界上占绝对的领先地位，目前研究的大学有东京 工业大学、东京大学、山形大学、东京农工大学、东北工业大学、日本宇宙研究所、 爱知工业大学等许多。研发的公司更多，如c a n o n 公司、精工、新生公司、松下公司、 7u ，公司和n e c 等，日本每年超声波电机的用量在7 0 0 万个左右。 美国、德国、法国和英国等不甘落后，也正在投入大批的人才、物力开发超声波 电机，努力追赶日本。以美国为例，p e n n s y l v a n i a 州立大学在1 9 9 4 年1 9 9 8 年投资1 5 亿美元从事超声波电机的研究：其他的研究机构有m i t 、j p l 、n a s a 空间研究中心、 密苏里大学、佐治亚理工学院、加大伯克利分校等也在紧锣密鼓的展开研究；美国的 一些公司已开始批量生产超声波电机，主要用在航天航空、信息和汽车产业领域。英 国、法国、德国的也有许多机构研究超声波电机，并开发出许多实用产品和相应的 c a d 软件。 我国虽在超声波电机开发方面已取得进展，并有相应的样机试验成功，但其研究 主要集中在高等院校，国内除浙江大学外，还有清华大学、南京航空航天大学、东南 大学、哈尔滨工业大学、吉林工业大学、天津大学、山东大学、上海交通大学、陕西 师范大学、上科院上海冶金所和长春光机所等，主要开发的是行波形( 板、环和直线 型) 电机、纵扭复合型超声波电机和压电微电机等。每个研究单位各有特色，已有一 些性能接近实用的样机产品，但大多尚未形成产业化，还有待于机电领域的工作者们 共同努力去改变这种现状。 1 4 3 超声波电机的应用前景及今后的发展方向 由于超声波电机自身的一些特点，因此可以把超声波电机作为传统电磁电机的某 些方面的突破和补充，它可以用在不适于电磁型电机的场合，例如用在形状要求比较 特殊而工作时间相对较短的工况之下。下面从六个方面对超声波电机的应用前景进行 l5 浙江大学硕士学位论文绪论 展望： ( 1 ) 机器人驱动器。现有的工业机器人大多利用油压机构来驱动，但出于油压 装置必须使用压力油管联接液压站，因而不适宜于能够自由行走的下一代机器人。另 一方面，如果利用传统的电磁电机驱动，当要求产生规定的转矩时，其重量较大且传 动机构比较繁杂，而超声波电机实现轻巧且容易产生所需的转矩。另外，如果在机器 人的关节处使用圆环形或者圆筒形超声波电机，既可减小关节的重量，其中空的结构 内部还可容纳信息和动力传递机构。进一步讲，随着社会进入老龄化，家庭中也开始 使用机器人，特别是家务护理等特殊机器人将会大量地涌入家庭。这些机器人将十分 需要超声波电机这类轻巧而大转矩的驱动机构。 ( 2 ) 民用驱动器。我们已经知道，环状超声波电机已被应用在照相机的自动调 焦系统中，这种圆环形超声波电机的中空构造正好适应了镜头的结构，同时满足了照 相机良好的控制性及低噪性要求，是一个成功的应用事例。另外，高级汽车中通常配 用着7 0 个左右的驱动器，其中频繁使用的仅有几个，其余大多数每月仅使用几回， 但通常要求具有较高的转矩及低噪声的特点。关于超声波电机形状多样、低速高转矩 及低噪声等特点，有人已用于作为汽车车窗及百叶窗开闭驱动机构。 ( 3 ) 精密定位驱动器。具有纳米级的转动精度且可快速定位的驱动装置在半导 体生产中占有重要的地位，且随着集成度的增加，其精度要求也日益提高。但是，对 于传统电磁电机的驱动装置，在增大转矩和推力时，常要加装齿轮传动装置，因而增 加了误差积累环节，难以保证精度。而超声波电机可以直接驱动，当控制电路配用合 适的精度传感装置以后，就可实现精确定位，其精度可以达到配用传感器所能测得的 程度。目前已在进行高精度的直线型和旋转型超声波电机及其控制的方法的开发和研 究。 ( 4 ) 微小机械驱动器。电磁电机由于磁隙及线圈体积的要求，微型化受到限制， 最小体积充其量只能达到数毫米程度。而数毫米直径的微小型超声波电机却早已被开 发试制出来，且由于尚未发现限制其最小体积的本质因素，因而估计其体积尚可进一 步减小，有关的研究正在进行之中。如果直径能做到l m m 以下，则它就会获得很大 的发展，在与昆虫一样大小的微小机械中可能具有良好的应用前景。 ( 5 ) 航天用电机。为了减小反向冲击，真空且无重力状态下的航空机械通常在 1 6 浙江大学硕士学位论文绪论 低速下运行，且大多不能使用润滑油。雨超声波马达恰好可以在低速下运行，且无需 润滑油。因而作为航天领域的驱动机械可能具有较大的应用价值。 ( 6 ) 物料输送器。目前生产过程使用着一种物料输送装置，它利用低频的机械 振动形成了对物料的驱动，在工作中生成很大噪声。超声波电机则是在高频机械振动 下工作，如果将其转子或运动体置换为粉体或纸张等物料，就可以实现对物料的输送， 且成本低而噪声小，有关的研究正在进行之中。 超声波电机将围绕实用化，向大力矩、微型化、高精度和高速化( 主要指非接触 型超声波电机) 方向发展。超声波电机需要在以上发展方向上取得相应的突破，才能 充分体现超声波电机的优势，才可以在某些场合完全取代传统的电磁电机。随着超声 波电机制造工艺成熟和控制技术的深化，为超声波电机在各个方向取得突破创造了条 件。比如电机微型化方面，如东京大学研究的柱状微电机，直径只有1 4 m m ，电压为 2 0 v p p ，驱动频率为2 2 7 k h z ，预压力为5 3 m n ，输出力矩为o 6 7 , u n m ，如果直径能 做到l m m 以下，则它就会获得很大的发展，在与昆虫一样大小的微小机械中可能具 有良好的应用前景。又比如大力矩输出电机，如纵扭复合型超声波电机，目前最大输 出力矩可达2 0 n m 3 0 n m ，高分辨率化也容易实现，如若解决好工程化问题，应用前 景将一片光明。 1 - 5 超声波电机研究过程中应该解决的问题 鉴于u s m 的研究历史比较短，许多设计还带有一定的盲目性，缺少一套完整的理 论体系，要想真正的大规模产品化还有许多问题需要解决，主要表现在一下几个方面： ( 1 ) 在理论上，必须建立考虑到各种因素的定子振动幅值的数学模型，以其对u s m 的结构设计、u s m 的驱动电源的设计有指导意义，从而设计出最优结构的u s m 以及适 合u s m 这一特殊负载( 容性负载) 的驱动器；其次，必须建立定、转子接触面的摩擦 力传递模型以及摩擦接触力对定予振动幅值的影响模型。因为正是定子振动幅值决定了 u s m 的转矩和转速； ( 2 ) 在技术可靠性方面，需解决环境因素( 包括温度变化) 对u s m 性能的影响。 因为环境的变化影响材料的结构参数，进而影响定子的谐振状态，使得u s m 的效率降 低： 1 7 浙江大学硕士学位论文绪论 ( 3 ) 在材料方面，需丌发出机一电转化效率高，机械强度高、不易脆的压电材料； 以及开发出适合u s m 特点的低损耗因数、大摩擦系数、耐磨的长寿命摩擦材料； ( 4 ) 在驱动器方面，须设计出比较稳定的的频率自动跟踪电路、高精度快速响应电 路，以及高效率的驱动容性负载的驱动器； ( 5 ) 在控制策略方面，针对参数随温度变化的特点，可采用具有非线性的鲁棒调节 器的控制( 如非线性调节器控制、控制、f u z z y 控制等) ，以获得高性能的位置、速度 控制系统。 1 6 论文研究的主要内容 u s m 虽然结构简单，但却涉及到许多领域，诸如：压电学、弹性力学、机械振 动学、材料力学、电力电子、控制理论等多门学科，因此它是一个典型的跨学科的研 究方向，目前超声波电机的样机和驱动控制系统的研究局限于实验室阶段，距离产品 化、小型化还有一定的距离。 随着超声波电机技术的迅速发展，对超声波电机的驱动控制技术的研究就非常必 要，小型化、高效率的驱动电源和高性能的控制器成为超声波电机研究的一个热点。 本论文主要工作和研究内容如下： ( 1 ) 分析行波型超声波电机的驱动控制系统。在阐述行波型超声波电机驱动控 制原理的基础上，对几种典型的行波型超声波电机的驱动控制系统进行了分析，对它 们的优势和存在的问题进行了分析。 ( 2 ) 论述了行波型超声波电机方波驱动的原理，并进行仿真分析。在对行波型 超声波电机等效电路分析的基础上，讨论了方波驱动的优势，并对其进行了仿真计算。 ( 3 ) 设计了一套行波型超声波电机驱动控制系统电路。采用d s p 作为驱动控制 的主要器件，实现行波型超声波电机方波驱动、调相调速等功能。实验结果表明，这 套驱动控制系统基本满足了设计的要求，调速系统响应速度比较快，调节连续平滑。 ( 4 ) 对谐振频率随温度变化的问题进行了探讨。温度的变化使得超声波电机的谐振 点发生了漂移，这样对电机控制就增加了困难。在本文的最后，对此问题进行了探讨。 8 浙江大学硕士学位论文绪论 1 7 本章小结 超声波电机是近年来发展起来的一种新原理电机，本文对国内外超声波电机的研究 现状进行了介绍，并对超声波电机的应用和发展前景进行了展望，重点对行波型超声波 电机驱动控制系统进行了介绍，对超声波电机存在的问题进行了分析。在此基础上提出 了本论文的工作。 1 9 浙江大学硕士学位论文行波型超声波电机方波驱动原理分析 第二章行波型超声波电机方波驱动原理分析 2 1 引言 本章首先结合课题讨论了行波型超声波电机的驱动原理，及行波型超声波电机的等 效电路，并对各种模态下的等效电路进行了详细的分析。其次，对方波作为行波型超声 波电机驱动信号从理论上进行了分析，仿真结果证明这种方式的可行性。为驱动控制系 统电路的建立奠定了基础。 2 2 压电效应与压电振子 压电陶瓷振子是u s m 的关键部件，它的结构和振动模式决定了超声波电机的结构 和输出性能，有关的压电效应和参量方程是研究u s m 的基础。 2 2 1 压电效应与压电方程 对于晶体结构中不存在对称中心的异极晶体，加在晶体上的张应力、压应力或切应 力，除了产生相应的应变以外，还将在晶体中诱发出介电极化或电场，这一现象称为正 压电效应。反之，若在这种晶体上加上电场，从而使该晶体产生极化，则晶体也将同时 出现应变或应力，这就是逆压电效应，两者统称为压电效应。二：者皆可以通过压电系数 d 表示的线性关系来描述。 在传感器应用中，利用正压电效应 d f = 以i ( 2 1 ) 其中，d 为介质内电位移，t 为机械应力，d 为压电常数，下标i 表示方向( 1 3 ) ， j 为应力方向( 1 3 表示单轴应力，4 6 表示剪切应力) 。 在换能器应用中，利用逆压电效应， si=d(2-2) 其r j ，s 为机械应变，e 为电场强度。 以i ：表明，具有压电性的晶体，通过压电效应能够将力学量( 应力t 和应变s ) 与 2 0 浙江大学硕士学位论文行波型超声波电机方波驱动原理分析 电学量( 电场e 和电位移d ) 相互联系在一起，也即实现机电耦合。而作为弹性体和电 介质的压电晶体，其本身的电场e 与电位移d 及应力t 与应变s 间存在着直接的效应， 因而在弹性限度范围内，当外电场不为零时，应变可由应力和电场两方面产生，而电位 移也可以由应力和电场两方面产生，由此可以得到综合描述晶体极化、弹性之间机电耦 合作用的方程组一压电方程： l d = 打+ 占7 e 1 s ：灯+ 扭 _ 3 式中，为恒定电场强度下的机械柔顺矩阵，为恒定机械应力下的介电矩阵，d 、e 、 s 、t 分别为电位移、电厂强度、应变、应力矩阵。式( 2 3 ) 为第一类压电方程，对应 于机械自由和电学短路的边界条件。对于不同的边界条件和不同的自由量，可以得到不 同的压电方程组，其余压电方程参见文献。 2 2 2 压电振子与振动模式 外加交变电场通过压电效应的耦合作用，可在压电体中激发出各种模态的弹性波， 当外电场的频率与弹性波在压电体中传播时的机械谐振频率一致时，压电体便进入了机 械谐振状态，成为压电振予。在行波型超声波电机中，便利用了由压电陶瓷和定子弹性 体组成的振子在谐振状态时的大振幅振动来驱动压在其上的转子，以获得连续转动。 按照电场激励方向和压电体非零压电系数的对应关系，可以判断在压电振子中能够 激发出何种震动模式。如对于经过极化处理的压电陶瓷，一般有五个非零的压电系数， 以。= 也：，屯，吐，= 屯，若沿极化轴而方向加电场，则通过如的耦合在墨方向上激 发纵向振动，并通过盔。和如在垂直于极化方向的x l 轴和而轴上激发其相应的横向振 动。而垂直于极化方向的x l 轴和而轴上加电场，则通过吐，和吐。激发起绕而或x l 轴的剪 切振动。压电体中能被外电场激发的振动模式，还和压电体的形状尺寸有密切的关系。 在行波型超声波电机中，所使用的压电体为薄圆环形，沿鼍方向( 电机轴向) 极化， 当在x 3 方向施加正弦交变电场时，主要通过砖在电机周向激发横向长度伸缩振动，从 而诱发压电振子的面外弯曲振动，在定子表面质点形成椭圆运动。 2 l 浙江大学硕士学位论文行波型超声波电机方波驱动原理分析 2 2 3 相关参量 一电学品质因数 压电振子在交变电场作用下，由于电导和极化驰豫现象的存在，会散耗掉一部分能 量，这可以通过电学品质因数q 来衡量。q 由通过振子的无功电流i 和有功电流，。的 比值来定义，等于介质损耗角正切t g t 的倒数： q 一每= 古( 2 - - 4 ) 电学品质因数q 通常可用阻抗电桥或电容电桥在远离振子谐振点的频率下直接测量。 二机械品质因数 压电振子的机械品质因数q m 同振子谐振时的振动放大倍数相关，由振子压电陶瓷、 粘接层和弹性体材料在循环应力应变作用下的内部摩擦确定，是衡量振子谐振时机械内 耗大小的一个重要参数。q 卅定义为谐振时振子贮存的最大弹性能阡0 与每周内损耗的机 械能的比值的2 x 倍： 绒嘲甍( 2 - - 5 ) 级与振子的谐振模式有关，可根据振子的阻抗频率特性求得。 三机电耦合系数 机电耦合系数是综合反映压电振子的机械能与电能之间耦合程度的参数，同时取决 于材料的介电常数、弹性常数和压电常数。机电耦合系数的平方七2 定义为： 女z ：壁篓妻塑塑；! 曼壁( 对应于逆压电效应) ( 2 6 ) 8 。1 雨涵砺玎i r 。刘皿3 怼雎电姒耻“ 驴= 壁篓季县孽燃( 对应于正压电效应) ( 2 7 )8 2 丽百巧覆而两旷。腿r 雎吧似肚“ 浙江大学硕士学位论文行波型超声波电机方波驱动原理分析 由于压电振子的机械能同振子形状和振动模式有关，因而不同形状和不同振动模式 所对应的机电耦合系数不同。对应于沿方向施加电场而沿x 轴方向伸缩振动的压电振 子来晓，其机电耦合系数为： ( 2 8 ) 机电耦合系数是个无量纲的量。在振子中，未被转换的那一部分能量是以电能或弹 性能的形式，可逆的存贮在压电体内。因而2 只是表示能量转换的有效程度，而不对应 于能量转换的效率。在行波型超声波电机中，一般采用的有效机电耦合系数来衡量 机电耦合程度，它与机电耦合系数之间的关系为： 磅= p k 2 ( 2 9 ) 式中p 为振子振动状态系数。 2 3 行波型超声波电机的等效