（电机与电器专业论文）一种新型自激振荡驱动电源的设计.pdf

a b i 瞰c t t h eu l t r a s o n i cm o t o r ( u s m ) i san e wt y p eo fm o t o rt h a th a sb e e nd e v e l o p e di n r e c e n tt w e n t yy e a r s i t sd i f f e r e n tf r o mt 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 si np r i n c i p l e u l t r a s o n i cv i b r a t i o ni se x c i t e db yt h ec o n v d 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 ct h e r o t o ro rm o v i n go ft h es l i d e ri sg e n e r a t e d u s mi sc h a r a c t e r i z e db yt h el o ws p e e d ， h i g l lt o r q u e ，s t m p l es t r u c t u r ea n dd i r e c a yl o a d d r i v i n g i t i s n td i s t u r b e db yt h e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d u s mc a nc a r r yo u ts e l f - h o mw i t h o u te l e c t r i cp o w e r s ot h e u s mi sw i d e l ya p p l i e di nt h ef i e m so fm i c r o - m a c h i n e s ，r o b o t s ，p r e c i s ei n s t r u m e n t s ， s p a c e c r a f t sa n da u t o m o b i l e s a st h ei n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e ，t h ef r e q u e n c yo fu s m w i l ls h i f t i t sv e r ym e a n i n g f u lt od or e s e a r c ho nt h en e v l ，u s mf r e q u e n c yt r a c k i n g d r i v i n gc i r c u i t t h i st h e s i sa i m sa tt h er e a l i z a t i o no fa u t o f r e q u e n c y - t r a c k i n gf o rs i n g l ep h r a s e s t a n d i n gw a v eu s m a n di ts t u d i e st 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 yo nt h em o d e l i n g ， d e s i g n ，d r i v i n go fi t t h ef o l l o w i n ga r et h ec h i e f r e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa n dw o r ko f t h i st h e s i s 1 t h eh i s t o r ya n dc h a r a c t e r so fu s m ，a n dt h ec o n t r o lm e t h o d 2 t h ed e v e l o p m e n to ff r e q u e n c yt r a c k i n gd r i v i n gc i r c u i to fu s ma n dt h eg r e a t s i g n i f i c a n c eo fs e l f - o s c i l l a t i n gc i r c n i ta r ei l l u s t r a t e d 3 t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fp i e z o v i b r a t o rm a k e st h es e l f - o s c i l l a t i n gc i r c u r p o s s i b l e 4 b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fs e l f - o s c i l l a t i n g ，t h es e l f - o s c i l l a t i n gd r i v i n gc i r c u i ti s d e s i g n e da n d m a d e 5 t h ee x p e r i m e n t so ff r e q u e n c ys c a n n i n ga n dp e r f o r m a n c e m e a s u r i n go fm o t o r h a v e b e e nm a d e t h er e s u l t sp r o v et h ec i r c u i th a st h e c a p a b i l i t y o f a u t o - f r e q u e n c y t r a c k i n g 6 t h ed r i v i n gc i r c u i tw i l lb eu s e f u li nm i n i a t u r i z a t i o na n di n t e g r a t i o n k e y w o r d ：u l t r a s o n i cm o t o r ，s i n g l ep h r a s e ，p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s ，s e l f - o s c i l l a t i n g d r i v i n gc i r c u i t , m i n i a t u r i z a t i o n 浙江大学硕士学位论文 1 1 超声电机的概述 第一章绪论 超声电机利用的是压电振子的超声振动，直接把电能转化为机械能的一种新 型电机。它借助摩擦来获得动力。这种新型电机一般工作在2 0 k h z 以上的频率， 故称为超声波电机f l l 。不过，近几年有人开发出频率在2 0 k h z 以下的电机，此种 电机是对超声波电机概念的一种延伸和拓展。 传统电磁型电机，依靠线圈与磁体之间的能量转换而输出功率，发展历史悠 久，为工业自动化生产力的提高做出了巨大的贡献。但随着军工装备、电子产品、 工业自动控制系统、家用电器、办公自动化、通信和交通、电动工具、仪器仪表、 电动玩具等领域产品的发展，对电机的要求也越来越高，特别是有些场合要求电 机输出力矩大、转速低，而传统电磁型电机的特点是高转速小力矩，往往需要配 置减速装置以满足大力矩、低转速的要求。但减速装置的使用会增加系统的体积、 重量及工作噪声，且减速装置的使用还会影响电机的响应速度及控制精度。 超声波电机不同于传统电磁型电机的工作原理，是基于新材料、新原理发展 起来的新型电机，其特点是低速、大转矩；力矩密度大；响应快、控制精度高； 抗电磁干扰、低噪声等等，与传统电磁型电机优势互补，适合应用于对电机及工 作环境有特殊要求的场合。 由于其优异的控制性能，使得u s m 自诞生之日起，就倍受关注。这二十多 年来，国内外许多研究机构相继加入超声波电机的研究行列，如苏联的基辅理工 学院( k i e vp o l y t e c h n i c a li n s t i t u t e ) 、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 d p o l y t e c h n i c a l i n s t i t u t e ) ，日本的新生、佳能、松下等公司和东京工业大 学、山形大学、东北大学等高校，美国的m r r ，m m ，喷射推进实验室( j e t p r o p u l s i o nl a b o r a t o r y ，j p l ) ，中国的清华大学、南京航天航空大学、浙江大学 等。使得超声波电机不断发展，有些专家甚至预测超声波电机将最终取代传统电 磁型电机。 浙江大学硕士学位论文 1 2 超声波电机的发展简史 超声波电机的整个发展历史，可分四个阶段： 萌芽阶段。1 9 6 1 年，b u l o v aw a t c hl t d 首次利用弹性力对弹性体经行激振， 利用被激振的弹性体的振动来带动钟表齿轮( 见图1 - 1 ) ，揭开了超声波电机研究 的序幕。 图1 - 1 以振动为能量驱动的电子表 原理性样机阶段。1 9 7 2 1 9 7 3 年，由s i e m e n s 和m a t s u s h i t a 公司研制出具 有实用前景的超声波电机，由于压电材料工作在几十k h z 的驱动频率下，振幅 太小，材料不过关，不能得到大力矩，无法推广。1 9 7 3 年，m m 公司的h v b a r t h 提出一种驻波型超声波电机( 见图1 2 ) ，其力矩较大，转速较高，但寿命较短。 1 9 7 8 年，原苏联的v a s i l i e v 等成功的构造了一种能够驱动较大负载的超声波电机 ( 见图1 3 ) ，这种电机使用两个金属块夹持压电元件的结构，利用振动片的纵向 振动及其所诱发的弯曲振动，通过摩擦来使转子转动。其结构不仅能降低超声波 电机定子的谐振频率，而且还可以放大振幅。但由于此电机在运转条件下，磨损 和发热严重，很难保持振动片的恒副振动，故未能获得实际应用。 氛子( 1 ) 啡 图1 2h v ob a r t h 发明的超声波电机 鼍g 好轰孪簖 ( i )够 图1 3 原苏联v a s i l i e v 构造的电机 2 糯5 年日紊6 ：日本彳旨田年生的环形微型超声波电机 町麓麓瑟釜麓，o 浙江大学硕士学位论文 n m ，效率可达8 0 9 6 。1 1 j 1 9 8 7 年，东京工业大学的上羽贞行等人研制了直线型行波超声波电机并通过 对超声波电动振动系统的优化，将传递效率由原来的5 6 提高到8 6 ，最大速 度达到l m s ，且暂态性能优于电磁型直线电机。1 4 1 9 8 7 年，松下公司的伊势等人在指田年生的基础上，设计的定子采用了一 种梳齿结构( 见图1 - 6 ) 。该电机在基本不影响定子刚度的情况下扩大定子振动的 振幅，大大提高了电机的效率，被目前的大多数各种原理的超声波电机广泛采用。 纵振压i t l 片 扭振压电h 图1 - 6 具有梳齿结构的行波超声波电机图1 7 纵扭复合振动超声波电机 1 9 8 8 年，东京工业大学黑泽实教授和上羽贞行教授研究的纵扭复合振动超 声波电机，如图1 - 7 所示，迸一步提高了输出转矩。1 5 】 1 9 9 8 年，上羽贞行等人又研究出近场声悬浮超声波电机，他们成功地将1 0 k g 的质量加在圆盘上，通过近场悬浮能驱动转子转动。嘲 8 0 年代后，超声波电机的研究和开发达到高峰，超声波电机制造技术走向 产业化生产，许多新产品不断地被研制出来并推向市场。1 7 1 随着行波型超声波电机成功的商业化应用，引起了各国的学术界和产业界对 超声波电机进一步的认识和重视，新原理新结构的超声波电机不断出现，极大的 推动了超声波电机的研究和发展。 1 3 超声波电机的特点 超声波电机与传统的电磁式电机相比有以下优点： 4 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 结构简单、紧凑、转矩，重量比大( 是传统电机的3 l o 倍) ，可 以实现电机的短、小、薄； 低速大转矩，无需齿轮减速机构，可实现直接驱动。由此大大 减小由齿轮箱所增加的体积、振动、噪声、能量损耗和传动误 差； 运动部件( 转子) 的惯性小，响应快( 毫秒级) ； 断电自锁，且能保持原有停止位置不动； 速度和位置控制性好，分辨率高。开环条件下，旋转步进电机 步距能达到o 0 1 度； ( 6 )不产生磁场，亦不受外界磁场干扰，电磁兼容性好； ( 7 )低噪声运行； ( 8 )可在较苛刻的环境下工作，如真空、低温环境一1 0 0 ； ( 9 )容易做成直线型超声波电机； ( 1 0 )形状可以多样化：圆的、方的、空心的、杆状的，等等。 其缺点是摩擦损耗大，当前寿命最长5 0 0 0 小时，不适合长时间连续工作， 很适合自动控制、精密定位。而且最大转矩受限制，目前最大转矩为4 0 n m 。 1 4 超声波电机的应用前景 由于超声波电机具有电磁电机所不具备的许多特点，尽管它的发明与发展仅 2 0 年的历史，但在航空航天、机器人、汽车、精密定位仪、医疗器械、微型机 械等领域里已得到成功应用。 ( 1 ) 照相机调焦 日本佳能公司从1 9 8 2 年起开始研究将超声波电机应用到照相机的镜头调焦 中。佳能公司投入近1 0 亿日元建了一条超声电机自动化生产线，每月能生产超 声电机2 0 4 0 万台。除了佳能公司外，尼康公司的相机也采用了超声波电机， 西格玛公司也将超声波电机应用到大口径望远镜上。与采用电磁型电机的镜头相 比，使用超声波电机的镜头有如下特点：静音、定位精度高、调焦时间短、无齿 轮减速机构等，因而结构简单、重量轻。 5 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 太空机器人中的应用 最近几年美国在宇宙飞船、火星探测器、导弹、核弹头等航空航天工程中都 陆续应用了超声波电机。美国国家航空宇航局( n a s a ) 为了满足太空机器人对 电机的特殊要求，即轻重量、大转矩、能在超低温环境中正常工作等，属下的喷 气推进实验室( j e tp r o p u l s i o nl a b o r a t o r y ，j p l ) 开发了直径分别为1 1 、2 5 、2 8 英寸的环形行波型超声电机用于太空行走微型仪器机械臂( m i a - m i c r o i n s t r u m e n ta r m ) 和微型桅杆式机械臂( m m a - m i c r om a s ta r m ) ( 用于全景观察 和自我校正) 等( 见图1 - 7 ) 。 图1 7n a s a 将超声波电机用于空间机器人 ( 3 ) 精密定位装置核随动系统中的应用。超声波电机响应快、定位精度高可 应用于精密定位装置及随动系统。 ( 4 ) 民用装置中的应用。由于超声波电机工作噪声低，适用于办公场所、医 院、宾馆、图书馆等对噪声低有特别要求的场所。 ( 5 ) 阀门控制。由于超声波电机结构紧凑、断电自锁特性，可用于阀门的精 确流量控制。 ( 6 ) 核磁谐振装置中的应用。超声波电机的优点之一，不受电磁干扰影响也 不产生电磁干扰，因此特别适合于对电磁干扰有严格要求的场合，如核磁谐振等 装置。 ( 7 ) 汽车专用电器中的应用。由于超声波电机可以做的很薄，且输出力矩很 大，德国奔驰汽车公司准备将其应用于奔驰汽车车窗的驱动装置中。此外，超声 波电机还可用于雨刮器、车灯转向和汽车座椅调整的驱动装置中。 6 浙江大学硕士学位论文 1 5 超声波电机的分类 由于超声波电机工作原理简单：由压电陶瓷的微量振动激发出定子的一种模 态或几种模态振型的振动，使得定子表面的质点以椭圆轨迹运动，并通过定转子 间的摩擦力输出力矩。因此在超声波电机的发展过程中涌现出了许多不同形式的 电机结构，主要有以下几种分类方法。 按运动方式可将超声波电机分为行波型和驻波型两种。行波型，它是由两相 信号激励，激发出弹性体内的两条驻波相叠加后形成行波。行波在定子表面的质 点作椭圆运动，整体的运动形式为行波振动，转子旋转方向与行波行进方向相反。 其定、转子间的接触是平稳连续的，电机输出特性稳定，更易于实现精确定位控 制，适用于微型及精密仪器。驻波型，其振动体表面的质点作直线运动，其驱动 力的方向因质点的位置而定。其定、转子问的接触力是断续的，定子受一定的冲 击作用，其作用机理较复杂，但可产生较大的输出力矩。近年来对单项驱动的超 声波电机的研究较热，它只需单项信号即能激发出动弹性体的模态。本文用于试 验的斜齿型微超声电机就是这种电机的类型之一。【1 按驱动方式可分为单一振动模态和复合振动模态两类。复合振动模态是由两 个相异振动方向的振动合成。复合振动模态的驱动电源有一个和两个之分。一个 驱动电源时，电动机只能单向运动；两个驱动电源时电动机的运动方向可切换。 按转子的运动形式又可将超声波电机分为直线型、旋转型与球电机三种类 型。普通的旋转型或直线超声波电机为单自由度电机，只有一个自由度。而球电 机具有两个或三个的运动自由度，可应用于需要多自由度运动场合，如全方位仿 生运动的球形关节，高性能机器人的柔性关节( 包括娱乐机器人的手关节和脚关 节) 和拟人型机器人的髋关节和肩关节，机器人的眼球等等。 按定转子问的接触方式可分为接触式的和非接触式两类超声波电机。接触式 超声波电机通过定转子之间的摩擦传递能量。接触型超声波电机具有一些独特的 优点，但是由于定子和转子相接触，因而转速不能太高。此外，定子和转子间的 摩擦造成了定子和转子的磨损，降低了使用寿命。而非接触超声波电机的定子和 转子是不接触的，它们之间填充着一种介质：液体或气体，当定子振动时，也就 引起了介质的振动，在介质与转子的接触面就形成了摩擦力，从而驱动转子运转。 7 浙江大学硕士学位论文 非接触式电机具有高转速和使用寿命长的优点3 1 。接触型超声波电机主要适用于 低速大转矩的场合，而非接触超声马达主要适用于高速低转矩的场合。 1 6 超声波电机的驱动控制技术 超声电机的性能不仅与电机的设计、制造有关，而且还与电机的驱动与控制 系统有很大的关系。不论各种型号的超声电机都必须使用独特的电源来进行驱动 和控制，该电源不但能够有效的驱动电机运转，还能控制电机的速度、角度，以 实现工运控制领域所要求的伺服功能。对超声电机以及其驱动和控制技术的研究 成为当前电气工程领域的一个热点。 超声电机不像步进电机能在开环系统下工作。在开环控制下，步进电机受连 续脉冲系列所控制。而超声电机是利用摩擦转动的，环境温度会发生变化，定、 转子材料的参数会发生变化，定、转子之间的滑动率不能完全确定，其谐振频率 又会随环境变化发生漂移( 1 4 k h z 左右) ，电机的性能很不稳定。要保证电机始 终在较佳驱动频率下运行，驱动电源还应具备对漂移的谐振频率自动跟踪的功 能，即具备对负载频率变化的自适应功能。除此以外，超声电机实际应用时需要 对位置、速度、力矩控制，以适应超声电机用于伺服系统中，这就对电机的性能 要求较高。所有这一切要求电机采用闭环控制。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，伴随这各国各种原理超声波电机的出现及各特色的 应用，许多国家将超声波电机性能的研究放到了重要位置。日本在超声波电机驱 动控制技术的实用化研究，如定位及速度跟踪控制方面遥遥领先与其他国家。 1 9 8 6 年，日本的t a k e s h ih a t s u z a w a 系统的研究了环形行波型超声波电机控制的速 度控制特性，得到了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 i i 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，1 9 9 1 年，实现了基于模糊推理的高性能速度位置控 制策略，并在1 9 9 4 年分别进行了使用软件变增益比例积分控制器和改进模糊控制 器的超声波电机驱动控制伺服系统的定位控制的研究。1 9 9 0 年，富川义郎研究小 组开始进行了消除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系统。1 9 9 4 年，t o m o n o b u 8 浙江大学硕士学位论文 s e n j y u 等人实现了自适应控制下的超声波电机自适应速度控制，1 9 9 5 年实现了同 时控制频率及相位差的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定位控制，并展开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 8 年，t o m o n o b us e n j y u 等继续应用多控制输入变量的滑模控 制超声波电机的位置，即将输入电压的频率和两相电压的相位差同时作为输入控 制变量，并利用多模自适应控制和自适应死区补偿实现了超声波电机的快速准确 定位控制，提出了基于简化数学模型的自适应控制方案。 以上均是针对行波型超声波电机的驱动和控制，我们知道，行波型超声波电 机是由两相信号激发出弹性体内的两条驻波相叠加后形成行波而运行起来的，因 此，尽管驻波型超声波电机的驱动和控制起步较晚，用行波型的控制方法同样可 行。但某些驻波超声波电机只需要单相信号或同相信号即能激发出模态，我们就 可以运用自振荡电路来进行驱动和控制，可以解决电机的小型化和集成化问题。 1 7 本文的任务 传统的超声波电机驱动器是通过定时器组成的谐振电路产生一定工作频率 的驱动信号，再经过功放电路加载于电机两端。超声波电机中压电陶瓷的介电系 数，等效电容及漏电阻都会随温度的升高发生变化，这将导致谐振频率随之改变， 这就使得整个电路需增加额外的频率自动跟踪回路，从而使得电路更复杂，限制 了超声电机小型化及推广应用。 而在微超声波电机等小型控制装置中，就需要整个系统越小越好，正是这些 原因，才展开了自振荡超声波驱动器的研究。本课题将开发研制自振荡电路，解 决电机因温度升高谐振频率漂移而需要反馈回路的问题。这种驱动电路结构简 洁，体积小，成本低。 本文的目的在于：首先对压电振子的性能进行探讨，分析研究对象的等效电 路；其次分析自振荡电路原理以及适用于超声电机驱动的可行性；然后，通过实 验说明自振荡电路产生的信号与电机谐振频率一致，并对电机性能进行测试，说 明驱动的稳定性。 本文的主要内容如下： 9 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 总结了国内外超声电机的发展状况，介绍了多种类型的电机。介绍了传统的 超声波电机驱动电路和现代的一些控制方法，对自振荡电路研究的课题意义作了 说明。 第二章频率自动跟踪方法 本章介绍了频率自动跟踪的缘由和实质，并介绍了国内几种频率自动跟踪的 方法，并对自振荡电路实现频率跟踪的优势做了阐述。 第三章压电振子谐振特性及斜齿型微超声电机的等效电路 本章对压电陶瓷的压电效应进行分析，简要介绍了试验对象斜齿微超声 电机的工作原理，并用等效电路的形式描述了试验电机。 第四章自振荡电路的研究 本章介绍了l c 、r c 自振荡原理，根据选择的r c 自振荡电路提出整个驱动电 路的设计方案，并做了电源小型化的几种方法的研究。 第五章斜齿型微超声波电机自振荡驱动的试验研究 本章对电机进行扫频计算出等效电路，调试自振荡驱动电路，并用试验验证 了自振荡驱动电路具有频率跟踪的特点，并测试了电机的性能。 第六章总结与展望 今后的研究方向与展望 l o 浙江大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章超声波电机的频率自动跟踪 超声波电机工作在电机的谐振频率，而谐振频率受很多因素影响，如电机的 工作温度，特别是超声波电机工作时，由高频机械振动引起的电机振动体分子问 的摩擦将产生热量，使电机温度升高，导致电机谐振频率发生变化，另外，电机 的负载大小、运转工作时间长短等。则速度稳定的控制原理是：为保持超声波电 机的运行速度的平稳，克服电机谐振频率漂移，电机的驱动频率应当紧紧跟随电 机谐振频率的变化而变化，即需要频率自动跟踪。 2 2 频率跟踪控制的缘由和实质 从电机运动机理和能量转换的角度看，压电陶瓷的驱动状态的稳定在电机运 行过程中尤为重要。图2 一l 为附在钉子上的压电陶瓷片的扫频导纳曲线。在电机 实际运行中，将工作频带分为不稳定工作区、稳定工作区和不工作区。 不，定区尊。 !i 布作区簟 ；1曩盒旺棒踺 专 ；工作囊蕾 譬 ! 1 ，一一 l o 图2 1 定子的电学导纳曲线 电机应根据实际工程需求在稳定工作区域内选择恰当的工作点。然而，压电 陶瓷的性能受工作环境的影响很大，表现出强烈的非线性特性，并导致电机工作 一al一嚣蹄 浙江大学硕士学位论文 状态发生变化。图2 2 为定子谐振频率随温度的变化，图2 3 为定子电学导纳、相 位随驱动频率和电压不同的变化。 0 曩压力i 鼬 4 0 5 面柏 7 0 度 图2 - 2 谐振频率随环境温度的变化 凳 二 量励囊奉o h )l o 图2 3 定子电学导纳相位随驱动频率和电压的变化 因此，为了使超声电机始终在较佳的驱动频带范围内运行，必须以电机的驱 动状态和振动状态反馈信号为参考，对不断漂移的工作点给予跟踪，通过自适应 的调整驱动器的驱动频率，使电机的工作状态始终保持在所希望的区域。 2 3 频率跟踪的控制方法 目前，实现行波型超声电机频率自动跟踪控制的主要途径有两大类【1 4 】： 一是利用附着在定子上的压电陶瓷孤极，通过其反馈电压来反映定子的振动 状态，亦称为基于传感器的频率跟踪方法，它不适用于无法安装( 或构造) 传感器 的超声电机。日本s h i n s e i 公司的电机就采用孤极反馈电压实现频率的自动跟踪控 制。 另一类是利用电机的驱动电压、电流相位等驱动状态，亦称为无传感器的频 率跟踪方法。这种方法所要求的条件较苛刻，实现电路较复杂且参数的选择也较 臼 ：暑 勉 虬 t 4 -羞鼍曩辅找 浙江大学硕士学位论文 困难。日本的p a n a s o n i c 公司的超声电机就采用了以检测施加在电机上的电压与 电流的相位实现了频率的自动跟踪控制。 图2 - 4 为行波型超声电机通常的驱动原理方框图。 图2 _ 4 超声电机驱动原理圈 图上a 点输出为恒定电压值的方波信号；b 点输出为变化的近似正弦波电压信 号；c 点采样输出为变化的交变电流信号；d r 为孤极反馈电压信号。其中反映超 声电机驱动状态和振动状态的可测电学信号有：驱动电压、激励电流、孤极电压、 激励电流与驱动电压间的相位差、驱动电压与孤极电压的相位差等。在一定的条 件下，上述信号会随着超声电机工作状态的变化而改变。若以这些不同的电学信 号作为反馈信号，可以实现行波超声电机的下面讨论的各种不同类型的频率自动 跟踪方法。 1 、基于驱动电压的跟踪控制方法 超声电机的电学阻抗受工作环境的影响很大，随着电机本体温度的升高和相 关材料的老化，必然使其工作状态发生漂移。而反映在b 点则表现为电压幅值的 变化，当工作在谐振频率附近时，电压值很高；工作点漂移后，电压值变小；当 工作在反谐振频率时电压值最小。 因此，如果通过实验研究和分析建立起驱动电压与所期望的工作状态( 如转 速、输出力矩、输出功率、输出效率) 之间的变化关系，就可以以此驱动电压为 反馈依据，实现频率自动跟踪，至达工作状态稳定的目的。 西安科技大学就应用驱动电压与频率变化的关系对电机谐振频率进行跟踪 1 5 1 。图2 - 5 为压电元件产生电压随频率的变化。图2 - 6 为其频率跟踪系统图 浙江大学硕士学位论文 确奄荔_ v 图2 - 5 压电元件产生电压随驱动电源频率的改变 图2 - 6 以单片机为核心的频率跟踪系统 2 、基于驱动电流的跟踪控制方法 由图2 1 的压电陶瓷的扫频导纳曲线可知，其等效阻抗为频率的非线形函数。 因此电机工作状态的变化一定会在驱动电流上反映蹬来，谐振频率附近电流最 大，反谐振频率附近电流最小。同上述的驱动电压方法相似，如果能够建立超驱 动电流与所期望的工作状态之前的关系，同样可以实现频率跟踪。然而这种方法 难度较驱动电压法更难操作。主要原因在于：当超声电机工作在有限的频带范围 内时，交变的电流信号的变化量较小，要达到一定的频率跟踪控制精度非常困难。 因此，上述两种频率自动跟踪控制方法很少单独采用，通常将电流或电压信号与 其它信号配合使用。 哈尔滨工业大学运用电流反馈实现了超声波电机的频率跟踪【1 6 】。它是基于 谐振状态下电机阻抗最小、回路电流最大、搜索电流最大值的跟踪方案。图2 - 7 为具有电流反馈式的频率跟踪功能系统图。 1 4 8 8 霉 宥 盆 o _ ，幽曾章旧廿鹾 浙江大学硕士学位论文 图2 - 7 具有电流反馈式频率跟踪功能的超声发生器结构图 3 、基于孤极电压的跟踪控制方法 基于孤极电源的频率自动跟踪控制技术是目前研究和应用的主要内容。由于 孤极( 传感器) 位置的特殊性，使得孤极电压直接反映了定子的振动状况( 如图 2 8 ) ，而且与超声电机的输出转速有较好的线性关系( 如图2 - 9 ) 。因此，在实际 中，常通过调整超声电机的工作频率来控制定子振幅，以弧极电压为参考实现转 速稳定。 图2 8 孤极交流电压( 峰峰值) 的变化图 夕 转遗o 瞳时 图2 9 孤极平均直流电压与转速的关系 浙江大学硕士学位论文 清华大学就利用了孤极反馈完成了超声波电机的频率自动跟踪【1 7 】。图2 1 0 为其频率反馈跟踪回路。将孤极反馈的信号经r c 滤波，得到一个与交流反馈信号 的峰值电压成正比的直流电压信号。该信号经分压输入到压控振荡器，对振荡器 的频率进行调节。当电机的谐振频率变低，使驱动信号的频率偏向马达工作频段 的高端，则马达转速下降，反馈电压减小，从而使压控振荡器的振荡频率降低， 减小频率的漂移，反之亦然。 图2 - 1 0 频率反馈跟踪回路 将孤极反馈的信号经r c 滤波，得到一个与交流反馈信号的峰值电压成正比 的直流电压信号，该信号经分压输入到压控振荡器的v e i n 端，对振荡器的频率进 行调节。当马达的谐振频率变低，使驱动信号的频率偏向马达工作频段的高端， 则马达转速下降，反馈电压减小，从而使压控振荡器的振荡频率降低，减小频率 的漂移，反之亦然。 若仅满足稳速的要求，则可以直接以弧极电压为参考，调节工作频率来跟踪、 控制其工作状态；然而，若追求力矩、效率、功率等指标是，则需要进行相关实 验研究，建立起输出指标一弧极工作状态一频率之间的关系。该方法较容易实现， 主要是将弧极电压整流、滤波、分压后得到的弧极平均直流电压与期望指标变化 值相比较，产生误差信号来调整工作频率。该方法的不足之处在于，要在压电陶 瓷上额外设一个极化弧极。 4 、基于驱动相位差的跟踪控制方法 基于驱动相位差的频率自动跟踪控制技术存在两种实现方法：一是驱动电压 与电流之间的相位差( 如图2 4 中b 年i a c 点) ；另一种是匹配电感l 两端电压之间的相 位差( 如2 4 中a 和b 点) 。这两种方法其实质是一样的，参考的依据是电机上压电 陶瓷工作时的电学频响特性。由于压电陶瓷的阻抗是频率的非线性函数，频率漂 移和振动情况会在其频响特性上反映出来，因此可以通过调整超声电机的工作频 1 6 浙江大学硕士学位论文 率对其相频特性的变化实现跟踪，达到稳定工作状态的目的。 当驱动相位保持某一定值时，其幅频特性可以在一定范围内保持稳定，从而 稳定工作状态。因此，以通过实验分析，在一定的条件下，寻找到所期望的速度、 力矩、功率、效率等指标对应的相位值，调节工作频率跟踪、控制这个相位值。 该方法较容易实现，特别适宜采用数字锁相环和移位器等数字电路来实现，但相 位随工作状态变化的灵敏度往往限制其频率自动跟踪控制的精度。 南京航空航天大学通过检测某相电压与电流的相位差来实现了频率跟踪控 制【l 聊。图2 1 1 为实现频率跟踪控制的系统图。从电机的a 相取出电压和电流信 号，通过过零检测电路整形使它们变成方波。相位检测是通过一个异或门实现的， 再经过低通滤波器后，所得到的信号与两个输入信号的相位差成正比。用实测的 相位差与设定值进行比较，通过比例积分( p d 控制，改变压控振荡器的输出频率， 从而实现了超声电机工作点的频率跟踪控制。 图2 1 1 驱动相位差的频率跟踪控制 5 、基于驱动与孤极相位差的跟踪控制方法 该频率跟踪方法与基于驱动相位差的跟踪方法在实现技术上是相同的，主要 不同点在于反馈信号。该方法将反映驱动状态的驱动电压( 如图2 4 中b 点) 与反映 振动状态的孤极电压( 如图2 4 中d 点) 相比较，并从其比较结果的相频特性中寻找 频率自动跟踪控制的依据和参考。 因此同3 、4 方法所述，以不同指标对应的相位量为参考，调节工作频率，同样可 以实现超声电机频率自动跟踪控制的目的。 1 7 浙江大学硕士学位论文 2 4 自振荡的频率跟踪优点 以上均是针对行波型超声波电机的驱动和控制，我们知道，行波型超声波电 机是由两相信号激发出弹性体内的两条驻波相叠加后形成行波而运行起来的，因 此，尽管驻波型超声波电机的驱动和控制起步较晚，用行波型的控制方法同样可 行。但某些驻波超声波电机只需要单相信号或同相信号即能激发出模态，我们就 可以运用自振荡电路来进行驱动和控制，可以解决电机的小型化和集成化问题。 自振荡电路驱动电机与非自振荡电路驱动电机相比，它的优点有： 1 、非自振荡电路完全由外部电路产生所需频率的信号，电机只是被动的接 受，不参与信号的产生。温度变化，压电振子谐振频率漂移，需通过反馈电路来 调节外部电路所产生信号频率才能与之相适应。电路较复杂。 2 、自振荡电路中，电机参与信号的产生，电机是决定信号频率小大的因数 之一。当温度变化，压电振子谐振频率漂移时，加在振子上的信号频率会自动与 之相适应。电路元件少。 1 8 浙江大学硕士学位论文 2 5 小结 1 、阐述了频率自动跟踪的缘由和实质，表明在超声波电机的控制中频率自动跟 踪的重要性； 2 、说明了目前频率跟踪的几种方法，比较几种方法的优劣； 3 、提出了自振荡频率跟踪方法相比较与所论述的五种频率跟踪方法的优势 1 9 浙江大学硕士学位论文 第三章压电振子谐振特性及斜齿型微超声电机的等效电路 3 1 引言 超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电效应，激发定子弹性体的超声振动而工 作的。定子振动是超声波电机的动力源，也是超声波电机区别于一般电磁电机的 主要特征。压电陶瓷和压电振子是超声波电机的关键部件，超声波电机中的定予 及其压电陶瓷的振动是主导超声波电机振动性能的决定因素。对压电振子进行分 析获得其等效电路并运用在本文试验对象斜齿型微超声电机上。 3 2 压电陶瓷及压电效应 压电陶瓷性能的好坏是影响压电超声波电机性能好坏的重要因素之一，其压 电效应是超声波电机工作的基本原理。 3 2 1 正压电效应和逆压电效应 对于晶体构造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，如图3 - 1 ( a ) 。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，如图 3 - 1 ( b ) ，两者统称为压电效应。 翔蟹鞘躺 ( a ) 压力产生电压差( ”电压产生形变 图3 - 1 压电效应 蝴 浙江大学硕士学位论文 晶体的压电效应可以用图来解释。图( a ) 表示压电晶体中的质点在某方向上 的投影。当晶体不受外力作用时，正电荷的重心与负电荷的重心重合，整个晶体 表面不带荷电。但是，当沿某一方向对晶体施加机械力时，晶体就会由于发生形 变而导致了正负电荷重心不重合，也就是电荷发生了变化，从而引起了晶体表明 的荷电现象。图( b ) 为晶体x 轴上受压缩时电荷的情况；图( c ) 则是y 轴上受压缩 时的荷电情况( a )，如果将一块压电晶一( b ) 卟电场中，会引：( c )正负电荷 重心的位移。这一极化位移又导致了晶体发生形变，这个效应就称为逆压电效应。 图3 - 2 压电晶体产生正压电效应 p z t 是由贾菲等人发现的p b z r 0 。一p b t i 0 。二元系固溶体。超声波电机使用的是 在p z t 上加入微量的添加物或置换元素经行改性后的压电材料，该材料具有高机 电耦合系数、高机械品质因数和高稳定性等各种特点，在使用温度范围内没有相 交电，温度特性相当稳定，有较高的居里点。 3 2 2 压电材料物理特性的重要参数 ( 1 ) 介电损耗 压电材料是电介质，如果在电介质电极板两端施加交流电压，介质所积蓄的 电荷分为两种分量：一种为有功部分，这部分会产生能量损耗，并由此变为热能， 这种损耗称为介电损耗；另一部分为无功部分。损耗系数通常用损耗角艿的正切 值t a n 8 来表示，这个关系可用图3 - 3 来表示。 如果工作频率远低于共振频率，并且没有介电损耗，一个陶瓷晶片的电学性 能如同一个电容器，通常称为静态电容c o ；当有介质损耗时，在电路中多了一 2 1 浙江大学硬士学位论文 ( a ) 无介电损耗时( b ) 有介电损耗时 v 图3 - 3 交流电路中电流和电压的矢量图 介质损耗电阻，用心表示。k 表示消耗电能使介质发热的有功电流分量，l 为 流向静电容c 0 的纯电容部分电流。t a n # 就可用两个电流分量之比来表示 t a l l j ：拿：l( 3 一1 ) ，co x f o r d 、。 t a i l 万是判别压电材料性能好坏和选择应用与压电超声波电机上的材料的另 一个重要数据。t a i l 万愈小，则材料性能愈好，超声波电机本生的功率损耗也就 越小；另外由于介电损耗与温度、电场强度以及交变电场的频率有关，因而介质 损耗t a n 8 与这些物理量有关。 ( 2 ) 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，会耗散掉一 部分能量，这可通过电学品质因数q 来衡量。 q = 每= 丽1 = a , - c o r d ( 3 - 2 ) ( 3 ) 机电耦合系数 机电耦合系数是综合反应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k 2 定义 如下： 浙江大学硕士学位论文 x 2 = 茎雩主巷擀( 对应于逆压电效应) ( 3 3 ) 置2 = 茎豢契熹i ；：；警c 对应于正压电效应， c 。一4 ， 对于极化陶瓷 k 2 ；e m 2 ( 3 5 ) 乒t 式中e 为极化陶瓷杨氏模量；e o e , 为其介电常数；m ：( 祟) ，s 为应变，e d 占1 为所加电场，t 为应力。可以看出k 2 是压电材料机电能量转换的量度，它本身可 以为正，也可以为负。但注意，它并不代表转换效率，因为没有考虑能量损耗， 是在理想情况下，以弹性或介电能的存贮式进行转换的能量大小。 ( 4 ) 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、黏结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。产生机械损耗的原因是材料存在内摩 擦，当压电元件振动时，要克服内摩擦而消耗能量。绋与机械损耗成反比。级 定义为谐振时振子储存的最大弹性能矸_ 与每周内损耗的机械能的比值的2 万 倍： 级砌甓 ( 3 _ 6 ) q 爪与振子的谐振模式有关，可根据振子的阻抗频率特性求得。 3 2 3 使用在超声电机中的压电陶瓷材料 压电陶瓷在超声波电机中是作为产生超声振动的驱动源，它是将电能转换成 机械能的换能材料。作为换能材料，它应该具有比较高的机电耦合性能和的的机 浙江大学硕士学位论文 械损耗和电损耗。超声波电机在运转中都有温升现象。除了因摩擦生热以外，压 电陶瓷由于机电损耗都会将电能转变为热能，使超声电机升温，这是超声电机中 非常重要的一个问题。如果温升过高将会使压电材料性能严重恶化，从而损害超 声电机的正常运行，压电陶瓷的温升主要是在大功率下介质损耗和机械损耗引起 的，因而介质损耗t 锄占成为影响压电陶瓷材料温升性能的主要原因，所以尽可 能降低介质损耗t a n j 值。 3 3 斜齿型微超声电机的等效电路 3 3 1 斜齿型徽超声电机简介 斜齿型微超声波电机，属于弹性叶片类超声微电机，如东京工业大学的中村 等人提出并试制成功的，定子直径为3 0 m m 、转子直径为5 m m 、空载转速1 5 0 0 r m i n 、 最大力矩3 5 m n m ，其原理是利用带有压电振子( 定子) 的上下振动，通过转子 上面斜齿的弹性形变转换为转子的旋转运动。但此整个电机结构复杂，压电振子 ( 定予) 体积较大，转子上开有斜槽并镶嵌弹性叶片，此斜槽弹性叶片加工艺和 装配较复杂，由于其单向旋转，其应用范围较窄，但该电机可进一步微型化，具 有很大潜力。 我们提出的电机结构与上述弹性叶片超声微电机不同，采用定子斜齿一体化 加工技术，其定子和转子的直径为l o m ，电机的高度可控制在1 7 衄以内，此电 机的特点是结构简单，单方向旋转运动，力矩大，其上安装有磁钢和霍尔元件， 可对电机的转速转角进行无接触测量。如图3 4 。 该电机由固定预载五将转子压紧到斜齿的端面，静预紧力随工作中转矩的变 化而随时通过加紧螺丝调整，图3 - 5 所示。图3 5 所示斜齿尖端振动位移轨迹示 意图，当压电陶瓷电极两端通交流电信号，定子表面产生“。的纵向正弦振动， 借助于定子表面的斜齿与转子的相互压紧，诱发定子上的斜齿产生弹性变形，由 于斜齿的前伸受到转子面的限制，当斜齿端面与转子表面接触时，其斜齿端面沿 转子面移动，斜齿端面质点产生如图3 - 5 所示近似的椭圆运动轨迹，若摩擦力足 浙江大学硕士学位论文 够大，斜齿尖端将粘在转子的表面，从而实现转子单方向旋转运动v ，。斜齿前 端的运动轨迹并不是严格的椭圆运动，斜齿前端与转子表面接触期间，接触点的 位置近似在转子的平面内的直线上，如图3 5 所示，厅静态预压力。 1 、转子 2 、定子下金属体 3 、定子压电振子 4 、外壳 5 、定子上金属体 6 、压紧螺丝 7 、不锈钢滚珠 8 、弹簧 9 、分