（电机与电器专业论文）行波型超声波电机摩擦传动模型分析及模糊自适应变频控制.pdf

a b s t r a c t b e i n ga m o t o r t o t a l l yb a s e do r lu n i q u ew o r k i n gm e c h a n i s m ，t h eu l t r a s o n i cm o t o r ( u s m ) i sq u i t ed i f f e r e n tf r o mt h et 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 ，i ti so p e r a t e do n t h eb a s eo f t h ei n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c to f t h e p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c sa n di t sd r i v i n g t o r q u ei sc o n v e r t e df r o mt h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o ni n s t e a do ff r o mt h ee l e c t r o m a g n e t i c e f f e c t t h et r a v e l i n gw a v e t y p eu s m i sa n a l y z e di nd e t a i li nt h i sp a p e ra sf o l l o w s a t f i r s t ，t h e w o r k i n gm e c h a n i s mo ft h eu s mi sd e s c r i b e d t h e u n i q u e c o n s t r u c t i o no f t h et r a v e l i n gw a v e t y p eu s m i sa n a l y z e di nd e t a i l ，t h ep r i n c i p l eo f t h e p r o d u c t i o no ft h e 、i b r a t i o n ，t h ef o r m a t i o no ft h es t a n d i n gw a v e ，t h ec o m b i n a t i o no f t h et r a v e l i n gw a v ea n dt h er u n n i n gr u l e so ft h ep a r t i c l e so nt h es u r f a c eo ft h es t a t o r a r ed i s c u s s e d t h e nap r a c t i c a l d r i v i n gc i r c u i tf o rt h eu s m i sd e s i g n e d t h eu s mi sab p i c a l m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lc o m p o s i t e ，s oi t s p e r f o r m a n c ei s a f f e c t e dd i r e c t l yb yt h e q u a l i t yo f i t sd r i v i n gc i r c u i t ac o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d a c c o r d i n g t ot h ep e c u l i a r i t y o ft h eu s m ，w h e r eas i g n a lw h o s e f r e q u e n c y i sa d j u s t a b l ei sg e n e r a t e db yt h ev o l t a g e c o n t r o l l e do s c i l l a t o r ( v c o ) ，t h e nt h es i g n a li ss h i f t e di np h a s e ，s of o u rs e t so f s q u a r e w a v es i g n a l st h a td i f f e r9 0d e g r e e si ns u c c e s s i o na r eg e n e r a t e d ，w h i c hc a nb ea p p l i e d t od r i v et w os e t so f p u s h p u l lc i r c u i t s ，t h e nt h et w o s q u a r e - w a v es i g n a l sc a l lb eu s e dt o d r i v et h eu s ma f t e rt h e i rt r a n s f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa td i f f e r e n tf r e q u e n c i e sa r e o b t a i n e dw i t hd i v e r s el o a do nt h eb a s eo f t h e p r o p o s e d c i r c u i t n e x t ，t h em e c h a n i s mo ff r i c t i o n a lt r a n s m i s s i o ni ss t u d i e d t h ee n e r g yc o n v e r s i o n b e t w e e nt h es t a t o ra n dt h er o t o ri sr e a l i z e db yt h ef r i c t i o n a lf o r c e ，s ot h ef r i c t i o n a l t r a n s m i s s i o nm 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 so n eo ft h ec r i t i c a lf a c t o r st o a n a l y z ea n dd e s i g nt h eu s m t h ef r i c t i o n a l t r a n s m i s s i o nm o d e li sa n a l y z e dw i t h c o n s i d e r a t i o no f t h es t i c k s l i pp r o p e r t y ，w h i c hc a l lb ea p p l i e dt oc a l c u l a t ea n ds i m u l a t e t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eu s m t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ev e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n t s b a s e do nt h ep r o p o s e dc o n t r o ls y s t e m a tl a s t ，t h eo p t i m i z e ds p e e dc o n t r o ls t r a t e g yi sd i s c u s s e d u pt ot h ep r e s e n t ，n o a c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e lc a p a b l eo f e x p r e s s i n gb o t ht h ed y n a m i ca n d t h es t e a d y c h a r a c t e r i s t i c so fau s mh a sb e e nd e r i v e d ，b e c a u s eo ft h er e s o n a n tf r e q u e n c yf l o a t ， t h e c o m p l i c a t e dc o u p l i n ga m o n gt h ev a r i a b l e s ，h i 曲n o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s a n d u n c e r t a i n t y o ft h ep a r a m e t e r sa n ds oo n i nt h ec i r c u m s t a n c e st h a tn e i t h e re x a c t p a r a m e t e r sn o rm a t h e m a t i c a lm o d e l sa r eo b t a i n e d ，af u z z ym o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v e s p e e dc o n t r o l s c h e m eb a s e do nt h eg e n e t i cf l g o d t h m ( g a ) i sp r o p o s e d af u z z y c o n t r o l l e rw h o s er u l e sa r ea d j u s t e db yd s po n - l i n eb a s e do ng ai sa p p l i e dt or e a l i z e t h es p e e dc o n t r o lo ft h eu s m e x c e l l e n tf l e x i b i l i t ya n da d a p t a b i l i t ya sw e l la sh i g h p r e c i s i o n a n d g o o d r o b u s t n e s sa r eo b t a i n e d b y t h e p r o p o s e ds t r a t e g y t h e e f f e c t i v e n e s so f t h e p r o p o s e dc o n t r o ls c h e m e i sd e m o n s t r a t e db y e x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cm o t o r ；f r i c t i o n a lt r a n s m i s s i o n ；f u z z yc o n t r o l ；g e n e t i c a l g o r i t h m ；a d a p t i v ec o n t r o l 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘洼盘鲎或其他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 作了明确的说朗并表示了谢意。 学位论文作者签名：行， 签字日期：z o d 弓年i 月5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 衙e 吕埒 导师签名： 方彪 签字f i 期：2 口哜f 月s 日 签字日期： 哆年，月口日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 超声波电动机( u l t r a s o n i cm o t o r ，下文简称u s m ) 是一种利用超声波振动 能驱动的特种电机。u s m 在原理上突破了传统电磁型电机的电磁效应驱动原理， 利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动( 机械振动频率_ 2 0 k h z ) ，然后通过定、 转子之问的接触和摩擦力，将交变的振动转化成旋转运动或直线运动，实现从电 i i i i i 机械能的能量转换。u s m 的能量传递也可以通过气体或者液体媒质耦合来 实现，本文主要研究定、转子接触型u s m 。 由于这种电动机所用的交流电源的频率在超声波频段，因此被称为超声波电 动机简称为超声波电机或超声电机；因为高频机械振动是通过压电陶瓷产生的， 所以它又被称为压电电机或压电马达。 与传统的电磁型电动机相比，u s m 具有诸多优点：u s m 可以在低速下实现 大转矩输出；u s m 结构紧凑，具有较高的功率密度；u s m 具有停电后自锁功能； 由于电机本身没有铁心和绕组，因而不受其他电磁场的干扰，也不会对周围其他 设备产生电磁干扰。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。 超声波电机原理的发现已有几十年的时间，但是由于当时材料科学、电力电 子学等相关学科的滞后发展、加工工艺的落后超声波电机没有得到实际应用。 只是在最近二十年罩，随着材料科学、非线性动力学和电力电子技术等学科的迅 速发展，超声波电机实现了从理论研究到实际应用的迅速发展。 u s m 应用前景广阔，例如：医疗器械、光学仪器、微型机器人、家用电器、 汽车电器、办公自动化设备、精密加工设备、x y 精密绘图仪、高档摄像机或照 相机的自动调焦驱动系统和航空航天等领域。 另外，超声波电机还可以做成能产生多自由度运动的独特结构，应用前景十 分诱人【1 埘。 u s m 的出现为伺服机构提供了一条新的思路，它不仅在机理上突破了传统 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( 即传统电 机低速下难以稳定运行。通常是通过齿轮减速来获得低速运动的) ，使得它很快 在微特电机领域内取得重要的一席之地。 第一章绪论 应该讲，u s m 是材料科学、电力电子技术、超精密加工技术、自动控制技 术等高新技术交叉发展到一定阶段的产物。 1 2 u s m 的发展和研究状况 人们最初了解u s m 的驱动原理是在本世纪4 0 年代 3 = 6 0 年代b u l o v aw a t c h 首次将弹性体振动源应用于钟表上，引起了轰动1 4 】i 最早期的u s m 样机是由前 苏联的m e a r c h a n g e l s k i j 和v v l a r i n e n k o 分别于1 9 6 3 年和1 9 6 4 年设计的 5 】； 1 9 7 3 年立陶宛k a r m a s 科技大学的振动技术研究中心研制了一台模态耦合型可反 转的u s m t s l ；同年代。由s i e m e n s 和m a t s u s h i t a 电子公司制造出了具有应用前景 的u s m ，但是当压电材料在几十千赫兹甚至更高的驱动频率下工作时，振子的 振幅太小，不能获得大扭矩，因此没有得到推广应用；同时期，i b m 公司的 h v b a r t h 用压电元件使一种牛角尖形的机构产生振动，通过该机构与转子表面 摩擦接触来驱使转子运动，可惜的是，它也没有得到实际应用。真j f 使u s m 走 向实用化的是只本的指田年生教授，他在1 9 8 2 年研制成功了两种实用的u s m ： 一种是行波型u s m 。另一种是驻波型u s m 州：日本松下电器产业公司也生产了 两种类型的u s m ：一种是圆盘形u s m ，另一种是圆环形u s m 。 1 9 8 5 年同立m a x e l l 公司筑波研究所的熊羽明生发明了一种单电源驱动的带 纵一扭变换器的复合振动型u s m t 7 】：同年，立陶宛的k a u n a s 科技大学开发了用于 定位控制的步进型u s m ；t 9 8 8 年日本东京工业大学的上羽贞行教授发明了出两 种驱动源驱动的纵扭复合型u s m i s l ，它由扭转振子产生回转位移、由多层纵向 压电振子产生纵向位移，两个方向的位移合成表面质点的椭圆形轨迹。这种类型 电机的特点是输出转矩大，低速下可以平稳运行：日本东京工业大学的高野刚浩 和山形大学的富川义朗等也研制了种应用环形压电振子的u s m ，其工作原理 同其他类型的u s m 相似。 1 9 9 2 年a n i t a m 等发明了用于微机器人中的微型u s m t 。微型u s m 也是当 今智能材料( 将传感器、执行器、驱动电源合三为) 中的关键部件。 1 9 9 3 年同本的藤源信绪等制成了转矩较大的纵一扭复合型u s m ，其规格为巾 8 0 8 8 r a m 。外加压力为8 0 k g 激励频率为2 4 7 k h z ，转矩达1 9 6 n m l l 。 1 9 9 6 年r 本的j i r o m a r ut s u j i n o 等借助于带有斜槽的纵扭交换器制作 了一台大力矩复合振动u s m ，其力矩达2 3 n m ，直径为6 0 m m l l “。 前面介绍的u s m 属于定、转子接触型u s m ，其特点是定转、子依靠摩擦力 驱动，转速低，寿命短。为了克服这些缺点，以牺牲转矩为代价的定、转子非接 触型u s m 应运而生，成为近些年超声波电机领域的一个重要研究方向【1 “”j 。 第章绪论 目前，u s m 的发展有两大趋势：大转矩化和高速化。 u s m 的研究方兴未艾，各种新型的u s m 不断涌现，同时传统结构u s m 的 性能也在不断提高，与最初的u s m 相比，输出转矩、效率、功率因数等技术指 标明显提高，而且经济性、可靠性、寿命等方面都有了显著的提高，u s m 的用 途也在不断扩大。甚至，u s m 与被驱动机构出现了一体化的趋势。而且在纳米 级加工领域特别是半导体加工领域，u s m 正在悄悄地发挥作用 。 8 0 年代末到9 0 年代初，西方发达国家如美国、德国等都有大量超声波电机 研究的报道。进入9 0 年代以后，有关压超声波电机的研究已经趋向大型电机和 微型电机。目前大型超声波电机的扭矩已超过4 0 0 n m ；而微型超声波电机的直 径仅为l 毫米甚至更小，清华大学物理系周铁英教授领导的超声波电机课题研究 组研制成功了直径为1 毫米的弯曲旋转马达样机，经专家论证，认为该样机已 经超过日本人研制的直径为1 4 毫米的同类马达，是目前世界上直径最小的超声 波电w ”1 。 超声波电机是一个复杂的机电耦合系统，它涉及到振动学、摩擦学、波动理 论、材料科学、计算科学、电力电子技术、自动控制技术和实验技术等。是一项 跨学科的高新技术。目前，日本在超声波电机研究领域处于世界领先地位，它拥 有世界上大部分的超声波电机的专利。最近几年，美国和西欧各国也正掀起超声 波电机的研究热潮。 目前，国内对u s m 的研究还大多处在实验室研究阶段，清华大学、浙江大 学、南京航空航天大学、中科院声学所、华中理工大学、哈尔滨工业大学、吉林 工业大学和天津大学等科研单位对不同种类u s m 进行了不同程度的研究，如清 华大学在微型超声波电机研究领域已经达到世界领先水平【l ”，浙江大学u s m 课 题组对行波型u s m 做出了理论上和实验上比较系统的研究，吉林工业大学科研 人员对气体媒质的非接触型u s m 进行了研究。相信在不久的将来，u s m 将在诸 多领域占有重要的地位，使其特长得以充分的发挥。 1 3 u s m 的分类 1 3 1 根据运行方式分类 根据运行方式不同，u s m 可以分为定、转子表面接触式u s m 和非接触式 u s m 两种类型。接触式u s m 的定、转子是接触的，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的电 机所不能及的，但这种电机寿命较低：非接触式u s m 的定、转子是不接触的， 第一章绪论 它克服了接触式u s m 由于摩擦接触所带来的效率低、寿命短等缺点，是u s m 的一个新的研究领域。由于非接触式u s m 的研究工作起步较晚且投入精力有限， 国内外对于非接触式u s m 的研究还处于起步阶段，公丌发表的文献资料较少， 日本东京工业大学上羽贞行教授领导的研究小组分别对定、转子间以气体和液体 为媒质的非接触式u s m 进行了研究，取得了一些成果。 1 3 2 根据功能分类 根据功能的不同，u s m 可以分为旋转型电机和直线移动型电机。其中旋转 型电机又可以分为：连续旋转电机和单步工作电机( 或者单旋向和双旋向电机) 。 而直线移动型电机则是产生直线运动的，一般被应用在物料输送的传动机构上。 1 3 3 根据电机的定子表面产生椭圆轨迹的方式分类 根据定予表面产生椭圆运动的方式，u s m 大致可分为如下三种类型：驻波 型u s m 、行波型u s m 、复合型u s m 。 驻波型u s m 利用单模态( 纵向振子) 激振，使定子表面被激发出椭圆形运 引”1 。它由l a n g e v i n 振子、固定在振子上的楔形振动片和转子组成。当给振子 施加超声频率的交流电时，振子带动振动片做水平方向的振动，由于振子的前端 与转子端面并不是互相垂直的，而是倾斜一定角度目，因而诱发出垂直方向上的 弯曲振动，所以与转子相接触的振子前端的质点做椭圆形运动，当振动片伸长时， 与转子相接触的振子沿转子表面运动，通过摩擦将振动转变为转子的单方向运 动；当振动片收缩时，振子前端自由振动，不与转子表面接触，因而也就不传递 运动。转子的驱动是间歇性的，但是由于定子的振动频率较高和转子存在转动惯 量，转子的速度是稳定的。驻波型电机由于倾角较小，滑动比较困难，因此损耗 较小。因而，这种电机的效率较高。其缺点是振子容易被磨损，电机不容易实现 双向运行。 行波型u s m 在定子侧对压电陶瓷激振，利用压电陶瓷的振动带动弹性体产 生振动行波，然后利用弹性体的厚度( 或齿槽) ，在定子弹性体表面上诱发横向 振动位移，从而与纵向振动位移合成椭圆运动，使得定子表面质点与转子之间有 相对运动。由于与定子相接触的转子表面上粘有摩擦材料，因而在滑动摩擦力的 作用下，转子得以做单方向的回转运动。如果适当地改变所加电源两相电压的相 位，便可以改变行波的方向，进而改变电机的转向，所以此类电机容易实现正、 反转。 纵一扭复合型u s m 由两个振子组成：一个是扭转振子( 类似于行波型u s m 第一章绪论 的振子) ，一个是纵向振子( 类似于驻波型u s m 振子) ，利用两个振子独立激振， 分别产生纵、横向位移，从而合成椭圆运动【1 9 】。 1 3 4 按结构分类 按照电机自身的形状与结构进行分类，u s m 可以分为： ( 1 ) 圆盘或圆形电机； ( 2 ) 棒状或者杆状电机； ( 3 ) 平板电机。 另外，国内外学者还研制了很多新型结构的u s m ：如行波改进型u s m 、球 面结构的u s m 、直线运动的u s m 、单电源驱动的可双向运转的u s m 以及结构 类似于普通电磁型电机的u s m 。因为本文主要以行波型u s m 为研究对象，所以 对其他类型的u s m 不再一一介绍。 1 4 u s m 的特点 与传统的电磁型电动机相比，u s m 具有如下明显的优点； ( 1 )不受磁场影响和不产生电磁干扰 u s m 既无线圈，也不依靠电磁场工作，因而，u s m 自身不受其它电磁场 的影响，同时也不会对周围的设备造成电磁干扰，这是u s m 的一大优点。 ( 2 ) 低速大力矩 u s m 无需齿轮减速便可低速运行，停电后具有自锁能力( 因停电后定、转 子之间仍保持较大的压紧力) ，这不仅简化了传动机构，使整个系统体积小、重 量轻、结构紧凑，可直接用于驱动，而且减少了由齿轮等减速机构带来的噪音和 传动误差。u s m 停电后的自锁能力可保证电机在不同时间的准确定位。另外， u s m 的输出力矩大，例如巾6 0 r a m 的u s m ，其起动力矩可达6 0 n c m ，为同样体 积电磁式电动机的5 到1 0 倍。 ( 3 ) 形式灵活，设计自由度大 u s m 可以根据产生驱动力的位置和实际应用场合的需要灵活设计，自由度 较大。比如将u s m 设计成中空结构、球形结构是完全可能的，并且已经得到实 际应用。环形行波型u s m 产生驱动力的位置在圆环上，因此如果把u s m 做成 环状中空结构，可以省去轴承。这可用于相机的自动调焦系统，充分利用了u s m 安静、调焦精度高、调焦时间短、结构简单等优点。 第一章绪论 ( 4 ) 惯量小、响应快、可控性好、定位精度高 由于u s m 结构紧凑、转动惯量小、力矩大，因而其动态响应快，机械时间 常数在数毫秒以内，其控制性能优越，尤其适用于要求快速反应的高精度定位系 统中，如：微型机器人、x y 坐标记录仪( 可采用直线型超声波电动机) 、转角 分度台、监视摄像机的旋转驱动等精密仪器中，而不必担心采用步进电机时的失 步问题。u s m 已经能够实现纳米级甚至更高级精度的定位。 ( 5 ) 无噪音运行 由于u s m 是工作在超声频率范围内的( 驱动频率大于2 0 k h z ) ，超过了人耳 的听觉范围，因而u s m 可以超静运行，特别适用于高档宾馆、家庭居室内作为 自动卷帘机和百叶窗的伺服机构。 ( 6 ) 结构轻巧，功率密度大 在输出同样功率的情况下，u s m 的重量和体积大约只有普通电磁式电动机 的1 8 至1 5 。 u s m 的历史较短，目前还存在一些问题，主要有以下几点： ( 1 ) 寿命短 个别的u s m 寿命目前大约只有2 0 0 0 小时，与传统的电磁型电机相比，u s m 工作的连续性和耐久性还不尽如人意。 ( 2 ) 热稳定性差 由于u s m 转动是靠定子和转子之间的摩擦力来实现的，因此不可避免存在 摩擦发热和摩擦损耗。当温度上升后，u s m 的转矩和转速均会产生波动。 ( 3 ) 需要高频电源驱动 u s m 工作时需要频率为几十千赫的电源。需要高频电源驱动给u s m 的实际 应用带来了不便。 ( 4 ) 价格高 目前u s m 的价格仍然比较高，这对u s m 的大量推广与应用十分不利。 ( 5 ) 存在振动的影响 u s m 是由超声振动驱动的，其振动对外部的其它设备会产生一定的影响。 1 5u s m 的用途与应用前景展望 由于行波型u s m 的上述特性，使得u s m 能够在许多领域得到广泛的应用， 在一些领域，它的作用是普通电动机无法比拟的： ( 1 ) 在需要低速、大转矩的场合 将u s m 作为直接驱动元件，在驱动源与执行机构之间无需任何减速机构。 第一章绪论 在很多情况下，由于减速机构的存在，限制了传动系统的精度。例如，在双足步 行机器人胯关节处的减速机构中，一个很小的间隙将可能导致足部产生很大的误 差“。另外，减速机构的磨损妨碍了力和力矩的正确传输，导致系统可控性变 差和效率变低。在许多场合，由于减速机构上的摩擦影响，使系统传输功率下降。 若采用无间隙齿轮或小间隙齿轮，则产生的摩擦转矩更大，并且摩擦特性变得非 常复杂，难以预测和补偿。减速机构的弹性变形和柔顺性不仅使伺服机构的位置 控制精度下降，也限制了系统的响应速度。 如果利用u s m 作为直接驱动器，那么系统就可以去掉复杂的减速机构，不 但简化了系统的结构，并且由减速机构带来的摩擦、噪声、传动误差等一系列问 题都不存在了，从而保证了系统的控制精度提高了系统的效率和响应速度。 ( 2 ) 需要快速响应的场合 u s m 制动性能好、响应速度快的优点使它在许多场合得到了应用。例如， f 1 本人已经将环形行波型u s m 用于自动聚焦的单透镜反射式照相机中的镜头驱 动 2 q 。u s m 的采用，省去了普通电动机为了降低转速、保持一定的转矩而使用 的减速机构，该u s m 的上升时间为3 m s ，从无限远到3 m 的焦点调节时间只有 0 8 s ，其寿命在百万次以上。 ( 3 ) 在有磁场干扰或者不允许产生电磁干扰的场合 在有些地方，由于存在很强的磁场干扰，普通电磁式电机不能很好地运行。 例如，西门子医疗器械公司的r i c t 使用2 t 以上的强磁场，而且在调整中要检 测线圈周围的磁场，不允许会产生电磁干扰的磁体接近该装置，因此，目前只有 u s m 能很好地满足其要求。 ( 4 ) 在一些对驱动电机的外形及结构有特殊要求的场合 例如，丰| ；= f i 公司生产的轿车的门玻璃窗自动升降系统：该车车门厚度小，车 间夹层空间有限，而且驱动整块玻璃的升降所需的力矩也很大，用普通电磁式电 动机不容易达到以上要求，由于u s m 内部结构非常简单，只有定子和转子组成， 并且它的输出力矩基本上只与它的圆周尺寸有关，与厚度关系不大。一般情况下， u s m 的厚度可控制在4 0 m m 以内，而输出力矩则随着圆周尺寸的加大而增加。 另外，一些光学仪器中调节镜头的装置( 照相机也属于其中一种) ，往往要 求电机做成中空的，因为光线要从电机中间通过，而环形行波型u s m 可以做成 中空结构，满足这种要求。 ( 5 ) u s m 在航空领域的应用1 2 2 1 随着空间技术的发展，航天器的功能越来越多，结构也复杂多了，此时需要 考虑航天器所载燃料的限制，而且航天器中许多部件都需要低速、大力矩的驱动 电机如电磁波发射和接收天线的驱动装置。其次，在航天器设计中一个必须考 第一章绪论 虑的问题是电磁干扰问题，电磁干扰会严重影响航天器上的电子设备的工作性能 及程序的正常运行，由于u s m 本身无铁心绕组，因而也就不存在电磁干扰。若 采用u s m 驱动，不仅不会对信号产生任何电磁干扰，而且便于实现快速、准确 的定位，还可以锁定位置，具有自保持功能。此时，u s m 是最佳选择之一。可 见，u s m 在航天领域中的应用前景是很广泛的。 当然，除了以上提到的五个方面以外，u s m 还可在许多其它领域得到了广 泛的应用，如车辆刮水器、x y 绘图仪、升降式门帘等。 值得一提的是，上述清华大学超声波电机课题研究组，研制成功了世界上最 小的超声波电机，这一成果使人类制造出更加微小的机械设备和微型机器人成为 可能，这种微型设备首先可以在医疗技术领域得到很好的应用，比如，微型超声 波电机可以驱动微型机器人进入人体内部，探测肠胃疾患，切除病灶，或将药物 放入预定部位；更微小的机器人甚至可以进入人的血管，轻松自如地清除心血管 和脑血管的堵塞，抢救心脏病患者和脑血管梗塞患者。 可以想象，超声波电机将在越来越多的领域发挥更为重要的和独特的作用。 我们应当看到，u s m 的出现，不仅仅预示着我们能在许多场合用它替代普 通电磁式电机、简化系统的结构、提高系统稳定性、降低噪声，更应当看到，它 的出现标志着一种新型的驱动方式( 摩擦驱动方式) 的问世，这突破了统治电机 领域上百年的电磁驱动理论是革命性的、具有划时代意义的。随着我们对u s m 研究的不断深入，它必将在电机领域占据更加重要的地位。 另外，u s m 有与被驱动的装置合二为一的倾向，从而彻底改变了传统驱动 器的概念，生产真正的“机电一体化”产品。 关于u s m 的应用前景，日本的秋山勇治曾经做出预测，其预测的结果如图 1 1 所示，可以看出u s m 的历史和未来可以分为四个阶段：7 0 年前后为基础研 究阶段( a ) ；8 2 年前后为第二次基础研究阶段( b ) ，既专利创造阶段；8 7 年前 后为产品化研究阶段；自9 0 年起呈上升趋势( d ) ，即实用化阶段( d 1 、d 2 波 比预想的晚4 5 年) 。其中考虑到性能价格比，d 波可能为d 1 或者d 2 ，在特 殊用途情况下，价格因素并不十分重要，会出现d 1 波的情况；d 2 波是能够和 普通的电机( 或者执行器) 竞争的情况。至于具体的实际发展，随着u s m 实用 化的来临将越来越清楚。 翌二雯丝堡 实用化 产品开发d 1 基础研究( 砷 c 专利刨造期 1 9 7 01 9 8 01 9 90 2 0 。0 0 2 蚓i 1 u s m 的研究历史与前景预测 1 6 课题的来源及研究的主要内容 u s m 的发展历史虽然比较短，但是由于其独特的驱动机理和良好的性能， 吸引了许多大公司、高等院校及科研机构投入大量的人力、物力对其进行研究 取得了很多可喜的成果。u s m 的研究涉及到摩擦磨损这一具有一定模糊性的传 统难题，而且u s m 的历史较短，所以迄今为止还没有建立一套完整的理论体系， 还有许多问题需要解决，主要为： ( 1 ) 在理论上，希望建立考虑各种因素的定子振动的数学模型，以期望对 u s m 的结构设计、u s m 的驱动电源设计具有指导意义，从而设计出结构优良的 u s m 和适应性强的u s m 控制器，但是，这方面的工作进展比较缓慢。其次，希 望建立比较精确的定、转子摩擦接触传动模型； ( 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，进而 影响u s m 运行的稳定性； ( 3 ) 在材料方面，需要开发出机电转换效率高、机械强度高、不易破碎的 压电材料。并且开发出适合u s m 特点的低损耗因数、大摩擦系数、耐磨、寿命 长的摩擦材料； ( 4 ) 在逆变器方面，需要设计出比较稳定的频率自动跟踪电路、高精度快 响应电路，以及高效率的驱动容性负载的逆变器； ( 5 ) 在控制策略方面，针对u s m 系统随温度变化等特点，可以采用能适 应非线性受控对象的控制器：如模糊控制器、神经网络控制器等，以期望获得高 性能的速度和位置控制系统。 鉴于上述情况，本文展开了研究工作。本课题的研究得到了国家自然科学基 金项目( 5 0 2 0 7 0 0 6 ) 与天津市自然科学基金项目( 0 2 3 6 0 3 3 1 1 和9 9 3 7 0 0 6 1 1 ) 的 资助。本文系统地论述了行波型u s m 的运行机理，结合行波型u s m 驱动特点， 牛* 嗤蜒 坐曼 第章绪论 设计了一套实用的u s m 驱动- 控制电路，对其摩擦传动机理进行了分析，并且采 用模糊控制理论对行波型u s m 进行自适应变频速度控制。具体的研究工作主要 包括以下几个方面： ( 1 ) 行波型u s m 的结构和运行机理 行波型u s m 有着本质上与传统的电磁型电机截然不同的结构和运行机理， 它利用压电陶瓷的逆压电效应实现电机的驱动。本文阐述了行波型u s m 的特殊 结构，从其结构特点出发，论述了驻波的产生及行波的合成原理、定子表面质点 的运动规律。 ( 2 ) 行波型u s m 的驱动控制电路研究 作为一种典型的机电一体化电机，u s m 驱动控制电路的好坏直接影响着电 机的性能。本文针对行波型u s m 自身特点设计了其控制系统，系统由压控振荡 器产生可以调节频率的脉冲信号，将该信号作移相处理，产生4 路依次相差9 0 度的方波信号，这些方波信号可以用来驱动两路推挽功放电路。推挽功放电路的 输出信号经过升压即可以直接驱动u s m 。利用所设计的驱动电路。可以方便地 实现u s m 的变频调速，得到u s m 不同负载下的变频调速特性。 ( 3 ) 定、转子之间的摩擦传动模型分析 因为u s m 通过定、转子之间的摩擦力实现能量传递，所以其定、转子的摩 擦传动模型是分析和设计u s m 的关键环节之一，本文对定、转子的摩擦接触模 型进行研究，得到u s m 的运行特性的计算方法，该方法可以得到u s m 特性的 仿真曲线，利用所设计的驱动电路对仿真结果进行了验证。 ( 4 ) 基于遗传算法的超声波电机模糊自适应速度控制 u s m 压电陶瓷的谐振频率存在漂移，超声波电机系统存在高度非线性，超 声波电机是复杂的多变量、强祸合、时变系统，因此，迄今为止，还没有能够完 全表达超声波电机动态和稳态特性的精确数学模型。在未知u s m 精确参数及数 学模型的情况下，本文提出基于遗传算法的超声波电机模糊自适应速度控制新方 法，利用模糊控制器实现超声波电机的速度控制，其控制规则基于遗传算法，由 数字信号处理器( d s p ) 在线调节，系统具有较高的控制精度和较好的鲁棒性。 第二章行波型u s m 的结构和运行机理 第二章行波型u s m 的结构和运行机理 2 1 行波型i - 8 m 的结构 u s m 基本上由两大部分组成：一部分为高频交流电源：另一部分是电机本 体，它是一种典型的机电一体化产品。 按照u s m 的定、转子接触方式接触式的u s m 可以分为两大类：一类u s m 的定转子接触区域不断变化，随定子振动行波一起运动，定转子总是在波峰附近 接触；另一类为“间歇式”接触型u s m ，如复合型u s m ，定转子接触不连续， 接触区域保持不变。 行波接触型的u s m 结构如图2 1 所示，与电磁型电机相同，u s m 也是由定、 转子构成，不同的是u s m 的定、转子皆不包含绕组。本文主要研究环状行波接 触型u s m ，其定、转子均为环状结构，转子接触表面覆有一层特殊的摩擦材料， 定、转子依靠锥形弹簧产生的轴向压力紧压在一起。 压力弹簧 卜 p 图2 i f 波型u s m 的结构示意图 图2 2 所示为u s m 的定、转子模型图，定子为带齿槽的环状弹性体( 如磷 青钢、黄铜、不锈钢等) ；转子也是由弹性体( 如杜拉铝、不锈钢等) 组成，而 且转子受到锥形弹簧挤压，保证定、转子紧密接触。在定子环的背面粘贴了一层 经过极化处理的压电陶瓷，以产生超声频域的振动( 频率大于2 0 k h z ) 。转子的 弹性体下面粘有摩擦材料，以实现将高频超声振动通过摩擦力转换为单方向的运 动。定、转子间摩擦力连续地对转子施加作用，使之产生旋转运动，完成定、转 子之间的能量传递。由于电机依靠摩擦传动，能量传递过程损耗比较大，电机的 效率也就比较低。 第二章行波型u s m 的结构利运行机理 图2 2u s m 定、转子模型图 此外，从图2 2 中可以看出，定子环上开有许多槽，它的齿部一般称作副振 片，其作用是：首先，可以在不提高复合梁弯曲刚度、固有频率的情况下，增加 定子的等效厚度，因此，振动幅值增大，使得转子速度相应提高；其次，副振片 可以认为是一段固定于弹性体表面的振予，能提高定、转子之间的摩擦传动效率； 除此之外，因磨损产生的微小粒子落入齿槽中而不会影响定、转子之间的摩擦传 动，保证电机的长时间正常工作 2 ”。 u s m 中压电陶瓷的分布情况如图2 3 所示，压电陶瓷共有2 组，分别分布 在a 区和b 区。a 区和b 区为极化区，分别由四对极化过的压电片组成，而且 相邻的压电陶瓷极化方向相反，两组压电元件在空间上相差四分之一波长。若分 别在这两组陶瓷上通以时间上互差9 0 度的超声频域交流电，则在弹性体内便产 生一个弯曲行波，引起接触面的轴向位移；同时，由于弹性体有一定的厚度，因 此位于弹性体上表面的质点便被诱发出周向的位移。两个方向的位移进行合成， 决定了弹性体上表面的质点做椭圆形运动，使得定子表面质点与转子之间有相对 运动。与定子相接触的转子表面粘有摩擦材料，在滑动摩擦力的作用下，转子作 单方向旋转运动，其旋转方向与定子行波的运行方向相反。如果把所加的两相交 流电的相位差改为负9 0 度，则可以改变行波的前进方向，进而改变电机的转向， 所以此类电机很容易实现双向运行。这里阐述了行波型u s m 运行的物理过程， 后文将用数学方法对这个过程进行解析。 u s m 有两个非极化区，c 区和d 区：c 区长度为四分之一波长，该区域内 粘贴了一块孤立的压电片，可以作为传感器，用来检测定子振动，进而获得与电 机转速相对应的反馈信号；d 区长度为四分之三波长，作为a 区和b 区的公共 地。 第二章行波型i j s m 的结构和运行机理 圈2 3 压电陶瓷极性分布图 压电元件通常用p z t 或p l z t 陶瓷制成，用于定子前需经极化( p o l t a m i d e ) 处理，u s m 中使用的压电陶瓷应该具有如下特点：( 1 ) 能量转换效率高：( 2 ) 大振幅工作时，各项特性稳定可靠；( 3 ) 内部损耗低；( 4 ) 耐应力性强。 摩擦材料般采用芳香族聚酰胺，并用聚酰亚胺等树脂作为粘接剂粘贴在转 子上，所用的摩擦材料性能要求为：( 1 ) 保证加在定子接触面的压力均匀分布： ( 2 ) 弹性好；( 3 ) 耐磨性好，易于精密加工，不产生摩擦噪声：( 4 ) 摩擦系数 大。 如上所述，u s m 并不是利用人耳听不到的超声波，而是利用压电陶瓷在超 声频域内的振动，将超声振动能转化为机械能来实现电动机的能量传递。 2 2 行波型u s m 的运行机理 u s m 是靠定、转子摩擦传动的，是典型的机电一体化产品。u s m 是多变量、 强耦合系统，对其研究涉及压电晶体学、弹性力学、机械振动学、摩擦学等多门 学科。u s m 历史比较短，迄今为止，国内外学者还没有完全掌握u s m 的运行机 理，笔者尝试对其工作原理进行分析。 2 2 1 基本假设 为了便于分析，得到u s m 的运行规律，在对行波型u s m 运行机理分析之 前，作如下假设【2 1 l ： ( 1 ) 由于定子齿高远小于弹性体厚度，将定子环等效成无齿槽的横梁； ( 2 ) 忽略由于定子齿槽的存在引起的谐波成份，将定子环的振动近似为正 弦波； ( 3 ) 认为弹性体的振动是微幅的，是线性的； ( 4 ) 忽略定子环由于振动而发生的形变，认为其振动服从虎克定律； 第二章行波型u s m 的结构和运行机理 ( 5 ) 忽略定子环振动时的径向位移，认为定子环弹性振动只限于轴向位移。 ( 6 ) 所有的外力都作用于梁的结构对称平面内，而且，所有力的作用线都 与形心轴线相正交。 2 2 2 压电振动的产生 在将压电陶瓷用于行波型u s m 前需对其做极化处理，根据