（电机与电器专业论文）行波型超声波电机的模型仿真与试验研究.pdf

东南大学博士学位论文行波型超声波电机的模型仿真与试验研究 a b s t r a c t t h eu l t r a s o n i cm o t o r ( u s m ) i san e wk i n do fc o n c e p t u a le l e c t r i c a lm a c h i n e b r e a k i n g t h r o u g ht h ep r i n c i p l eo ft 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 , u l t r a s o n i cm o t o r su t i l i z et h e c o n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c ta n dt h ef r i c t i o nc o u p l i n go p e r a t i o no ft h es t a t o r r o t o rt op e r f o r mt h e e n e r g yc o n v e r s i o nb e t w e e nt h ee l e c t r i ce n e r g ya n dt h em e c h a n i c a le n e r g y t h er e s e a r c ho f u s m i s r e l a t e dt om a n yf i e l d s ，a n di t sh i s t o r yi sn o tl o n g t h ep r o f o u n dr e s e a r c ho ft h eu s mo p e r a t i o n m e c h a n i s mi se x p l o r i n ga n do p t i m i z i n g ，s ot h ef u r t h e rs t u d yo f t h eu s ms h o u l db et a k e n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h r e em e t h o d sa r eu s e dt os t u d yt h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e t r a v e l i n gw a v et y p eu l t r a s o n i cm o t o r ( t w u m ) ，a n ds o m ep e r f o r m a n c et e s t sa r ed o n e a tt h el a s t , t h ed e s i g nm e t h o do f t w ot y p e so f u s mi si n t r o d u c e d t h ed i s s e r t a t i o nc o n t a i n se i g h tc h a p t e r s i n15 c h a p t e r , t h eu s m sd e v e l o p i n gh i s t o r y , f e a t u r e s ，c l a s s i f i c a t i o n ，a p p l i c a t i o na n dp r e s e n tr e s e a r c hs t a t ea r ei n t r o d u c e dr e s p e c t i v e l y , a sw e l l a st h ec o n t e n ta n dp u r p o s eo ft h i sd i s s e r t a t i o n i n2 “c h a p t e r , t h ec o n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c to f c e r a m i ci si n t r o d u c e d s i m p l i f i e dw i t ht h ee q u i v a l e n tr i n gt y p ep l a t e ，t h el a t e r a lb e n d i n gv i b r a t i o n a n do p e r a t i o nm o d eo fu s m ss t a t o ri s p r e s e n t e d t h eo p e r a t i o nm e c h a n i s mo fu s mi s a l s o i n t r o d u c e di nt h i sc h a p t e r i n3 “c h a p t e r , t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) m e t h o di su s e dt o s i m u l a t eu s m s t h em o d e la n a l y s i s ，h a r m o n i ca n a l y s i sa n di m p e d a n c ea n a l y s i sa r eu s e dt os t u d y t h eu s m s s t a t o rw i t h6 0 m ma n dl o o m mi nd i a m e t e r t h eo p t i m u md e s i g ni sa p p l i e dt ot h e s t r u c t u r eo fs t a t o ra n dr o t o ri nu s mw i t hl o o m mi nd i a m e t e r w i t ht h eo p t i m u ms t r u c t u r es t a t o r a n dr o t 0 5t h eu s m so p e r a t i o np e r f o r m a n c ei si m p r o v e d i n4 “1c h a p t e r , t a k i n gi n t oa c c o u n tt h e u s mw i t h6 0 m mi ns t a t o rd i a m e t e r , t h ec o n t a c tm o d e lb e t w e e ns t a t o ra n dr o t o ri ss t u d i e d i nt h i s m o d e l ，t h es t a t o ri ss i m p l i f i e da sa ne q u i v a l e n tc o m p o s i t eb e a m ，a n dt h et e e t ho nt h es t a t o ra r ea l s o c o n s i d e r e d i nt h ee n do ft h ec h a p t e 5t h em o t i o ne q u a t i o n so ft h er o t o ra r ec o m b i n e dw i t ht h e c o n t a c tm o d e l ，a n dt h e2 dl i n e a rc o n t a c ts i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e db yu s i n gt h a tm o d e l ，t h e o p e r a t i o np e r f o r m a n c eo fu s mi sc a l c u l a t e d i n5 “c h a p t e 5w i t ht h ea s s u m e dv i b r a t i o nm o d e l s h a p eo fu s ms t a t o r , u s i n gt h eh a m i l t o ne n e r g yv a r i a t i o np r i n c i p l e ，t h ec o m p l e t ed y n a m i c s s i m u l a t i o nm o d e lo f u s mi se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls t r u c t u r ep a r a m e t e r so f u s m ，t h e m o d e lp a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e d ，b ys t u d y i n gt h a td y n a m i cm o d e l ，t h es t a r t i n gp r o c e s si so b t a i n e d ， a n dt h ee f f e c to f p r e - p r e s s u r ea n dd r i v i n gf r e q u e n c yo no p e r a t i o np e r f o r m a n c ei sa l s op r e s e n t e d i n 6 “c h a p t e gt h ei n p u ti m p e d a n c e s t a r t i n gp r o c e s sa n dt h et e s tm e t h o do fu s m so p e r a t i o n p e r f o r m a n c ea r ep r e s e n t e d ，b yu s i n gt h a tm e t h o d ，t h et e s t i n gr e s u l t sa r eo b t a i n e da n dc o m p a r e d w i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s i nt h i s c h a p t e r , t h et e s to fp r e - p r e s s u r e se f f e c ta n dt h eu s m m i c r o - s t e p p i n gc h a r a c t e r i s t i ci sa l s oi n t r o d u c e d ，a n dt h et e s tr e s u l t sa l ep r e s e n t e d i n7 。c h a p t e l t h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no ft h ec y l i n d e rs t a t o r3 - f r e e d o mu s ma n dt h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i c l i n e a ru s mi sp r e s e n t e d a n dt h es t r u c t u r ed y n a m i c sc o r r e c t i n gm e t h o d so ft h et w ot y p e su s m a r eb r o u g h tf o r w a r d t h el a s tc h a p t e ri st h es u m m a r yo f t h i sd i s s e r t a t i o n k e y w o r d s ：t r a v e l i n gw a v et y p eu l t r a s o n i cm o t o r , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，o p t i m i z e dd e s i g n ，m o d e l s i m u l a t i o i l ，t e s t i n gr e s e a r c h 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。 研究生签名： 金薹! 揖 日期：型 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：绘苤：缉导师签名：声她迭堑日r i ：, z j 6 - r o 第1 章绪论 超声波电机( u l t r a s o n i cm o t o r ，简称u s m ) 是一种全新概念的电机，它突破了传统电 磁感应电机概念，不再使用电磁相互作用来传递能量，利用压电陶瓷的逆压电效应来使电能 转换成机械振动能量，然后通过摩擦耦合作用使电机定子的振动能量转换成电机转子的转动 能量输出随着材料工程、控制技术机械加工以及分析设计等技术的飞速发展，近十多年， 超声波电机作为一种直接驱动电机取得了飞速发展，并且日益表现出其优良工作特性：低速 大转矩，响应速度快，无输入自锁、结构简单噪音小，不受电磁场干扰，不产生电磁辐射 因此超声波电机成为现在一个研究热点也正因为这些优点，超声波电机在工业控制系统， 汽车电机，机器人，航空航天等领域有广阔的应用前景 1 1 超声波电机发展历史 自1 8 8 0 年j 居里和p 居里发现压电效应以来，压电学已经成为现代科学与技术的一个 重要领域。压电学是晶体物理学的一个重要分支，它研究机电相互作用过程及能量的耦合和 转换，它是关于压电体的弹性、介电性、压电性、热电性、铁电性、光学特性、声传播特性， 以及压电铁电材料和应用的学科。超声波电机便是压电学和材料学、电力电子及自动控制等 多个学科结合的产物。 早在1 9 4 8 年英国的a w i l l i a m s 和wb r o w n 就申请了“压电马达”( p i e z o e l e c t r i cm o t o r ) 的美国专利【l j ，其结构原理如图1 - 1 所示，四片压电陶瓷分为两组粘在长方体弹性振子的四 个侧面上，如图在两组压电陶瓷片分别施加两相正交电压激励，能够在长方体弹性振子中激 励起两个方向频率相同的弯曲振动，从而在弹性振子端部质点形成椭圆摇摆运动，此椭圆摇 摆运动就可驱动压于其上的转子或移动体。 图1 - 1a w i l l i a m s 和w b r o w n 发明的压电马达图1 2h vb a r t h 发明的超声波电机 1 9 7 3 年美国m 公司的hvb r a t h 发明的超声波电机 2 1 是第一个具有实用意义的超声 波电机，其结构如图l - 2 所示。这个结构的电机由两个压电振子、两个角型驱动足以及转子 组成，两个压电振子分别安装在转子两侧与驱动足与转子边缘接触。当激励一个压电振子时， 转子往一个方向转动，当激励另一个时，转子便往相反方向旋转。 1 9 8 0 年日本的t s a s h i d a 在前苏联p e v a s i l i e v 研究的基础上，提出了一种驻波型 - 2 - 2 - 2 第1 章 a )b )c ) a ) 音叉结构b ) 板式结构c ) 环形结构d ) 圆柱结构 图i - 5 超声波电机结构分类 根据电机的振动模态和工作原理，超声波电机可以分为三类：驻波型电机、行波型电机、 混合模态电机。 1 驻波型电机 驻波型超声波电机一般只有一个压电振子，单相驱动，并且电机运行也只依赖于这一个 振子激励的一个主振动模态。下面根据不同的结构形式来介绍几种驻波型电机： a ) 柱体结构 如图l - 3 所示，1 9 8 0 年日本的t s a s h i d a 研制这个超声波电机便为一个典型的驻波型电 机。其结构如图1 - 6 所示【3 】，电机的振子和转子的轴线重合，振动片和振子作成一体并且稍 稍倾斜子转子轴线。 滑 块 图1 _ 6 旋转型驻波电机结构图l - 7 音叉结构的直线型驻波电机结构 b ) 音叉形结构 图1 - 7 所示为j i l f r i e n d 等人研制的音叉结构的直线型超声波电机 6 1 ，该电机也是一个 驻波型的。电机采用多层压电陶瓷和音叉结合，使用其的二阶振动模态，单相电压驱动。整 个电机长度为2 5 m m ，通过控制驱动电压的相位可以实现双向运行，该电机驱动频率为 4 7 i k i - i z ，空载情况下滑块的直线运行速度为1 6 5 c m s ，最大驱动力为1 8 6 n ，最大效率达到 1 8 9 。 c ) 环形结构 多相步进电机也为一种典型的驻波型超声波电机【7 ”，电机结构如图1 8 a 所示，电机的 转子上有齿，定子背面贴有压电陶瓷。该电机采用( 8 ，0 ) 的驻波振动模态，电机的运行机 理如图1 8 b 所示，电机的压电陶瓷有2 0 个分区，分成5 组，驱动器按先后次序分别给电机 的a 、b 、c 、d 、e 5 组电极施加电压，当驱动a 组电极时，电机定子产生如图中实线所示 的振动，电机转子上面的某个齿运动到p l 点；当驱动b 组电极时，电机定子产生如图中虚 线所示的振动，整个电机的振动按顺时针方向旋转了1 8 0 ，这时转子上的这个齿运动到p 2 点，转子逆时针旋转了4 5 0 。如此继续下去，该电机则以每步4 5 0 的步距角运行下去。 3 r u 曲 东南大学博士学位论文行波型超声波电机的模型仿真与试验研究 a ) 电机结构b ) 运行机理 图1 8 多相步进式超声波电机 由板式结构 图1 9 为板式结构直线驻波超声波电机 9 1 。电机的振动体为一个自由自由的矩形梁( 相 当于薄板) ，梁底部带有两个突出的齿，板的上端黏结有一片压电陶瓷，整个电机即为一个 动子，电机工作模态为一阶弯曲共振模态。对于自由自由的梁，在以一阶弯曲模态振动时， 梁上有两个位置a 、b 的横向位移为零。将齿i 如图设置在位置a 的左边，齿2 设置在b 的左边，这样当在压电陶瓷上施加激励电压时，设电机首先中间向上拱起，则齿1 受到向右 下方推力，齿2 受到向左上方拉力，齿1 底部摩擦力相应会大于齿2 的，则齿2 向左滑动一 步；接下来电机中间下凹两端上翘，齿1 受到向左上方拉力，齿2 受到向右下方推力，齿1 向左滑动一步。电机只能往图中左方运行，整个过程就如一只幼虫在爬行。 振动后 压电陶瓷 滑 面 图l - 9 板式结构直线驻波超声波电机 2 行波型电机 行波型超声波电机一般有两个压电振子，两相电压驱动。行波型电机的两个压电振子分 别激励出两个振型相同、时间相位差为9 0 。的共振模态，这两个模态合成便为一个行波。行 波是由两个在空间和时间上都相差9 0 0 ，并且振幅相同的两个驻波合成而得到的。 a ) 板式结构 图1 1 0 为一种行波型直线超声波电机【1 q “】。这种电机采用两个朗万之形式的压电振子， 在左边的一个振子上施加电压，使其产生纵向振动，左边振子的振动激励金属粱产生弯曲行 波的振动。右边连接有电阻电感匹配电路的振子会吸收金属梁的振动，尽量使行波在金属粱 的左端不产生反弹，从而在金属梁上获得一个纯的行波。这样梁的表面质点会产生椭圆运动， d 第1 章绪论 通过粱和滑块之间的摩擦力推动滑块运动。 图1 1 0 行波型直线超声波电机 b ) 环形结构 行波型电机的一种典型结构形式是环形行波型超声波电机( r i n gt y p et r a v e l i n gw a v e t y p e u l t r a s o n i c m o t o r ，简称r t w u m ) ，其原理如图1 - 4 所示，该电机由t s a s h i d a 发明并试 制成功1 4 j ，并且成为一个研究热点。现在这种结构的电机已经有多家公司生产，并且在多个 领略都有应用。如图1 - l l a 所示，其结构简单，整个电机分6 个部分组成，包括：上端盖、 下端盖、轴、转子、定子、压电陶瓷。电机的定子上黏结有如图1 - l l b 所示的压电陶瓷，陶 瓷上分a 、b 两个区，a 区和b 区间分别相距1 4 个波长( 相当于空间上差r d 2 ) 和3 4 个 波长( 相当于空间上差3 n 2 ) 的位置，当在a 、b 两个区施加相位差为9 0 * 的两相激励电压， 并且激励信号频率和电机定子的谐振频率接近时，电机定子表面会产生一个行波，从而推动 压在定子上的转子转动。 a ) 行波型超声波电机结构b ) 压电陶瓷极化图 图1 1 1 行波型超声波电机 c ) 圆柱结构 图1 1 2 为圆柱结构的行波型超声波电机【1 2 】，这种电机又被称为摇摆型柱体电机。图 5 - 东南大学博士学位论文行波型超声波电机的模型仿真与试验研究 i - 1 2 a 为单相电压激励时，电机驻波振动形式，图i - 1 2 b 表示了这个电机压电陶瓷极化和激 励方式，从图中可以看出这种电机也是利用时间上相差9 0 的激励电压施加在空间上相差r d 2 相位的压电陶瓷上面，因此这种电机也是行波形式的。电机由采用夹心式结构，用上下两个 匹配块夹住中间的压电陶瓷，匹配块之间用螺杆绞联。这种电机无需黏结，结构更加简单， 因此成本低廉，而且压电陶瓷的激振效率高，电机的运行性能良好。近几年对这种电机的结 构进行改进，使其有了广泛的应用。 曲圆柱电机单相激励振动形式b ) 陶瓷激励方式 图1 1 2 圆柱结构的行波型超声波电机 m 音叉结构 图1 1 3 为音叉结构的行波型直线超声波电机旧，它可以看做是行波型的超声波电机。 该电机本身就是一个动子，并由弹性体和两组压电堆黏结组成。当a 和b 两个压电堆分别 受到相位差为9 0 0 的两相交变电压激励时，就会在电机的足部形成椭圆运动，因此在摩擦力 的作用下，电机就会在平台上左右滑动。 图1 1 3 音叉结构行波型直线超声波电机 3 混合模态电机 前面的两种电机，工作时实际上都只用到电机的一个共振模态，但是与前两种电机不同， 混合模态电机的工作模态不再是由同一个模态组成的，它通常是由两个或者两个以上的不同 的共振模态耦合组成的。因此这种电机的结构形式很多。 曲板式结构 如图1 1 4 所示为基于薄板面内振动的直线型超声波电机 1 4 , 1 ”，电机定子由一个板式的 压电陶瓷片构成，定子上黏结有驱动头，并由它和滑块接触，推动滑块运动。电机定子在长 度方向上有两个共振模态，分别是一阶纵向振动模态和二阶弯曲振动模态，电机设计时，将 这两个共振模态设计成同一个共振频率。这样当在i 、3 两个电极施加电压时，电机定子会 同时激励出两个振动模态，使驱动头压紧滑块，并往一个方向弯曲，从而推动滑块向这个方 - 6 - 第1 章 向运动；同样，当在2 、4 两个电极施加电压时，滑块会朝相反方向滑动。这种电机的分辨 率很高，通过控制电路和控制策略的改进1 6 1 7 1 ，可以大大提高其定位精度。 预 压 力 接地 定子驱动头 图l 一1 4 基于薄板面内振动的直线型超声波电机图1 1 5 风车式环形超声波电机 b ) 环形结构 图1 1 5 为一种风车式环形超声波电机【，l q 。电机定子由金属环和压电振子组成，定子外 径3 m m ，厚o 5 m m 。压电振子由一个外径为3 m m 的压电陶瓷环构成，压电陶瓷在厚度方向 上极化。金属环为一个带有4 个向内伸出爪的环，金属环与压电振子黏结在一起，四个爪不 粘在陶瓷上，并保持自由状态，相当于一个悬臂粱。通过选择这些爪的长度和截面形状，使 它们的二阶弯曲振动模态与定子环的一阶径向收缩振动模态频率相同，两个模态相互耦合。 在施加电压时，定子环收缩膨胀，收缩时给转子一个径向的推力，同时四个爪会产生二阶的 弯曲振动，产生一个切向的推力，从而推动转子转过一定角度。该电机在驱动电压为2 0 v 时，最大输出力矩达到1 7 9 n m ，空载转速达到6 0 0 r p m 。 c ) 圆柱结构 图1 1 6 为纵扭复合型超声波电机”。电机的定子由纵向振动陶瓷和扭转振动陶瓷以及 金属匹配块组成。电机的工作模态为纵向振动模态和扭转振动模态的频率耦合模态。纵扭复 合型超声波电机的工作过程如下 2 0 1 ：1 i 扭转压电陶瓷产生方向向右的扭振，纵向振动陶瓷 伸长产生纵向振动，转子与定子接触，定子驱动转子同方向旋转；2 扭转压电陶瓷向右运 动到最大位置，速度为0 ，纵向振动陶瓷回到原来的位置，转子和定子分离；3 转子靠惯性 运动，扭转振动陶瓷的运动速度方向反向，即向左运动。纵向振动陶瓷缩短；4 扭转振动 陶瓷向左到最大。纵向振动陶瓷回到原来的位置。如此循环，定子便周期性的在不断冲击转 子的同时推动转子转动。通过改变激励电压的幅值和两相激励电压间相位差，就可以控制该 电机的转动速度和转动方向。 - 7 东南大学博士学位论文行波型超声波电机的模型仿真与试验研究 挡环弹簧纵向振动陶瓷 瓷 啻零啻 雷 ，室 1 = l 匮| 圆 i 一 a ) 电机结构b ) 工作过程 图1 1 6 纵扭复合型超声波电机 1 2 2 超声波电机特点 1 超声波电机的优点 曲低速大转矩 超声波电机是一种通过摩擦力来驱动的电机，这也就决定了这种摩擦式的电机转速不会 太高，否则在高速情况下，电机定子和转子间摩擦面的磨损和热量产生是难以想像的。超声 波电机的转速较低，同时输出力矩较大，对于较常用的环形行波型超声波电机，不同直径的 电机转速在l o r p m 到2 0 0 r p m 范围内，相应输出力矩在4 0 5 n m 到o o l n m 范围内，电机的输 出功率也较大。 m 机构精简、重量轻、易于生产 超声波电机结构简单，一般都是由压电陶瓷、弹性振动体、动子( 可能是滑块或者转子) 、 施加压力装置等部件组成。而且在系统中使用时，可以直接将一些系统中的部件作为超声波 电机内部机构，因此电机的结构十分精简，电机重量也可以大大减轻。 超声波电机定子和转子一般都是由金属加工而成，压电陶瓷通过烧结成形，因此超声波 电机的零件易于大规模的生产。电机本身没有线圈绕组，简化了生产工艺。有些种类的超声 波电机甚至不需要黏结，直接将零件组装即可，进一步简化生产过程。 n 结构形式灵活 超声波电机结构形式多种多样，可以设计成旋转、直线以及多自由度超声波电机，即使 同一种驱动原理的超声波电机，也可以设计成不同的安装形式，超声波电机的定子和转子可 以与运动系统中的固定部件和运动部件做成一体，简化整个系统的体积和重量。 d ) 直接驱动 由于超声波电机前面的几大优点，电机在系统中使用时就可以不需要添加减速机构，而 且进一步可以将系统中的动作部件直接作成电机的转子。这样不仅缩减了电机和系统的机构 和成本，而且可以提高系统的稳定性。 酌无输入自锁 8 - 第1 章 超声波电机是依靠摩擦力驱动的，在电机不工作时，也会有较大的静态摩擦力存在于电 机的定子和转子的接触界面上。因此，在没有输入电压激励的时候，电机存在一个静态保持 力矩。 f )优良的控制性能 超声波电机无输入自锁，可以简化位置控制。并且电机的启动特性和关断特性非常快， 如环形行波型超声波电机在空载状态下的启动时间在5 m s 以内，关断时间小于i m s ，这对 于速度控制与力矩控制都是十分有利的。 g ) 运行无噪声 超声波电机的工作频率为2 0 k h z 以上，这以频率远高于人耳所能听见的频率。另外， 使用超声波电机可以省掉一些减速机构，这也减少了噪声的产生。 h ) 不产生并且也不会受到电磁干扰 超声波电机依靠定子与转子间的摩擦来驱动，没有磁极和绕组，因此，电机在工作时不 会有电磁场产生，也不受外界电磁场及其他辐射源的影响。 2 超声波电机的缺点 a ) 驱动、控制电路复杂 为了能够激发定子振动体中的超声振动，并使能量转换效率达到最大，就必须有专用的 高频激励电源，一般需要能够输出两相或多相交变高频电压，并且每相电压的相位必须可调。 同时，为了使超声波电机工作稳定，一般还需要引入频率自动跟踪电路，以跟踪电机定子振 动模态变化，一般使用压电陶瓷的孤极信号作为超声波电机控制装置的状态反馈信号。 ”运行效率低 前面提到超声波电机有两个能量转换过程，在摩擦耦合这个能量转换过程中，摩擦损耗 是无法避免的，而且这一部分能量损耗比较大。另外，结构振动、压电陶瓷都会产生能量损 耗。因此，和传统电磁电机相比，超声波电机的运行效率较低。 c ) 寿命较短 超声波电机的工作原理决定了这种电机的运行寿命受到较大限制。由于依靠摩擦力驱 动，电机定子和转子间摩擦材料的摩擦磨损是不可避免的，摩擦产生的热量也会加速摩擦材 料的磨损。电机工作时候产生的温升还会加速压电陶瓷的退极化，缩短电机的使用寿命。 因此超声波电机适合工作在断续工作状态下，相对于电磁电机，它更适合于在控制、定 位等领域内工作。 m 成本高 超声波电机的几个基本的零件包括压电陶瓷、定子和转子都有较高的精度要求，生产加 工成本高，并且电机的驱动电源和控制器制作成本也要比传统电磁电机的高。这使得超声波 电机整个系统的成本较高，目前其价格还无法同早已成熟的微型电磁电机的价格竞争。但在 一些特殊场合，超声波电机优越的性能是电磁电机无法达到的，在这些场合再使用超声波电 机的话，性价比还是比较高的。 e ) 电机性能对温度变化敏感 超声波电机用压电陶瓷的温度稳定性差，特别是在高温情况下。当温度达到陶瓷的居里 9 - 东南大学博士学位论文行波型超声波电机的模型仿真与试验研究 温度点时，压电陶瓷会产生退极化现象。而在正常工作温度范围内，压电陶瓷也体现出很大 的非线性。 1 1 2 3 超声波电机应用 如1 2 2 中所述，超声波电机具有一系列优良性能，如：结构简单、体积小、低速大转 矩、响应速度快、定位精度高、无电磁干扰等。因而相关的应用开发一直受到业界的重视， 超声波电机被认为在机器人、计算机、汽车、航空航天、精密仪器仪表、伺服控制等领域有 广阔的应用前景，有些领域已有成功应用。目前也已经有多家公司在进行超声波电机的产品 开发，如日本的佳能公司、日本的新生公司、德国的p i 公司、以色列的n a n o m 0 1 1 0 n 公 司、德国e l l i p t i c 公司、瑞典的p i e z o m o t o r 公司等。下面分别介绍超声波电机的几个应用情 况。 1 照相机对焦 早在1 9 8 7 年，日本佳能公司就最先将超声波电机应用于单反相机镜头的驱动电机。该 镜头高速、低噪音的自动调焦性能( a u t o f o c u s ，简称a f ) 震撼了整个世界的专业摄影师们。 这一技术的应用也使得摄影师们在拍摄运动物体时也可以使用a f 拍摄，而原来由于响应问 题，摄影师们只能通过手动对焦来拍摄，这样大大提高了照片成像质量。 佳能所使用的超声波电机有两种：环形行波型超声波电机、柱体微型超声波电机。如图 1 1 7 所示，左边为环形电机，右边为柱体电机。前者是佳能中、高级镜头采用的对焦电机， 其驱动组件是环形的，在驱动时不需要使用任何齿轮之类的传动件。因扭矩很大，所以启动 和对焦速度比一般电机快很多，并且噪音很小1 2 l j 。柱体微型超声波电机是一种小型圆柱状 超声波电机，在速度和安静程度上不如环形超声波电机，但因其较低的制造成本，所以较多 用在中低档的相机镜头和卷片机构上。 图1 1 7 佳能相机用超声波电机 目前，除了佳能，日本的尼康“、奥林帕斯等相机生产厂商也开始在镜头的自动调焦 机构中使用超声波电机。 2 光纤交叉开关 f u m i k a z uo o h i r a 等人将微型超声波电机用在光纤的交叉开关上田】，他们提出了两种工 作模式来完成光束的交叉：一种是使用直线超声波电机推动折射镜片，使光束产生偏转角度； 另外一种是使用微型旋转超声波电机驱动反射镜片，通过简单的光路使光束到达输出光纤。 如图1 - 1 8 a 所示为使用直线超声波电机驱动的系统，该系统用的直线电机驱动电压峰一 峰值为5 v ，频率8 0 k h z ，电机工作时振幅大约o 1 - 0 2 # m ，电机工作分辨率达到1 0 - 2 0 r i m 。 1 0 第1 章 整个机构很简单，而且精度很高。图1 - 1 8 b 中系统使用了微型旋转超声波电机，并且使用精 度为0 5 。的光栅作为反馈元件，电机的旋转角度可以控制的非常精确，而且在断电时，电机 自锁，给整个系统使用带来了极大的方便。 a ) 使用直线超声波电机b ) 使用微型旋转超声波电机 图l - 1 8 光纤交叉开关工作原理图 3 钟表 a k i l l j r oi i n o 等人将一种由自激振荡电路驱动的微型超声波电机应用在手表上脚】。如图 1 1 9 所示，超声波电机在手表中分别做振动报时和日历翻转用，整个手表的性能有很大提 高，这里使用的超声波电机为环形驻波电机阱j 。 图1 - 1 9 a 中的振动报时超声波电机的直径只有8 m m ，其成本和传统的电磁电机成本相 当，该电机使用( 3 ，1 ) 振动模态，电机由铝合金制造，它的压电陶瓷只有8 毗m 的厚度，1 5 v 的电池电压就可以驱动该电机，电机的工作频率为3 4 3 k h z 。振动报时的时候利用转子飞速 转动的离心力产生振动，并且不会让手表的使用者产生不适的感觉。 图1 - 1 9 b 的日历翻转电机，它的直径4 5 m m 、厚度2 5 m m ，是世界上用于日历翻转机构 的最小的电机。传统的日历翻转机构采用步进电机作为动作元件，为了得到较大的力矩，需 要增加很多齿轮减速提高力矩。而该超声波电机驱动电压为3 v ，工作频率6 3 0 k h z ，空载情 况下转速2 0 0 0 r p m ，启动力矩达到0 2 9 c m ，是传统的步进电机的两倍。电机的输出力从电 机的转子到最后的驱动日期表盘只要经过3 组齿轮。 定子 日 a ) 用于振动报时的超声波电机 b ) 用于日历翻转的超声波电机 图l 1 9 手表中使用超声波电机 轮 东南大学博士学位论文行波型超声波电机的模型仿真与试验研究 4 机器人 如果使用电磁电机作为机械臂的驱动部件，为了获得多个自由度的运动就要使用好多个 电磁电机和十分复杂的安装机构，这样整个机械臂就会又大又重。为了解决这个问题，n a o k i f u k a y a 等人利用超声波电机作为机械臂的驱动部件1 2 6 j 。图1 2 0 为他们在机械臂中使用的两 种电机：球转子超声波电机幽1 和双定子夹心式超声波电机。如图1 2 1 所示，为n a o k if u k a y a 等人研制的机械臂，组装好的机械臂可以完成一个简单的“抓”的动作，机械臂使用一个球 转子超声波电机作为腕关节，一个夹心式超声波电机作肘，3 个夹心式电机做肩关节。因此 整个机械臂一共具有7 个自由度，包括手指在内一共6 5 e m 长，可以比较好的模拟人手的运 动。与使用传统电机的机械臂相比，使用超声波电机的优点就在于体积小、重量轻并且力矩 大，因此有足够的空间安装反馈元件和控制器。 输出 a ) 球转子超声波电机 b ) x x 定子夹心式超声波电机 图1 - 2 0 机械臂上所使用超声波电机 图1 - 2 1 使用超声波电机的机械臂 另外，韩国的b h c h o i 和h r c h o i 2 8 2 9 1 和日本i k u o y a m a n 等人p 0 1 还将超声波电机用在 机械手的手指关节驱动上，并取得了成功。 5 玩具 德国e l l i p t e c 公司使用一种直线型超声波电机来做某些玩具的驱动部件阱j 。如图1 - 2 2 a ) 中所示，超声波电机的振动体被压在一个仿造眼球的眼睑上，这样通过驱动电机，这个玩偶 眼睛就可以完成眨眼的动作。图1 - 2 2 b ) 中，将超声波电机和玩具汽车前轮组装在一起，这样 就能控制玩具汽车的前轮摆过一定角度，完成拐弯的动作。超声波电机在玩具上的使用，大 大降低了其成本，并且结构更加简单。 - 1 2 第1 章绪论 a ) 会眨眼的玩偶b ) 能拐弯的玩具汽车 图l - 2 2 德国e l l i p t e c 公司利用超声波电机制造的玩具 1 3 超声波电机研究现状 由于超声波电机的一系列优越性能，许多知名大学、科研机构和大公司都在进行超声波 电机的一系列研究。目前，日本的超声波电机技术处于世界领先地位，掌握着世界上大多数 超声波电机的技术发明专利。美、英、法、德等国紧随其后，各自在相关的方面取得了一定 的研究成果。目前，在环形和棒形行波型超声波电机规模化生产和应用的同时，新型电机研 究仍在不断的进行。 我国于八十年代末开始超声波电机的研究，起步虽晚，但发展迅速。1 9 8 6 年，四川压 电与声光技术研究所的王大春等人将日本有关超声波电机的研究情况介绍到了国内p 2 捌。此 后，先后有包括哈尔滨工业大学、浙江大学、长春光机所、吉林工业大学、南京航空航天大 学、东南大学、电子部2 1 所、天津大学、北京科技大学、上海冶金研究所、华中理工大学 等十几个单位开展了超声波电机的研究。在电机的结构和驱动控制方面，各校和科研单位的 侧重点有所不同，但基本上涵盖了目前已经出现的超声波电机类型，并且取得了显著成果。 1 3 1 超声波电机本体的研究 1 新结构、新原理电机的研究 超声波电机结构简单、形式灵活，因此，新机构、新原理电机层出不穷。 沈阳大学的白东哲等人提出了一种新型超声波电机1 3 4 1 ，如图1 - 2 3 所示，这种电机的定 子和转子都是由外径为3 2 m m 的环形弹性振动体做成的，定子和转子的金属振动体背面都贴 有压电陶瓷，接触面上都贴有摩擦材料。工作时在定子和转子上的两个陶瓷上都施加激励电 压，并且激励电压频率不同。这种电机的一个特点是：电机旋转速度只与施加在定子和转子 上的两个激励电压频率的差值有关系，在电机最大转矩范围内，转速而与电机的负载的大小 无关。这种电机的最大的优点就是电机运行特性很硬，克服了原来超声波电机转速随负载变 化大的缺点。 1 3 东南大学博士学位论文 行波型超声波电机的模型仿真与试验研究 转子 定子 支架 体 体 压电陶瓷定子转子 图1 2 3 白东哲等人研制的行波型电机图1 2 4 pj u a n g 等人研制的板式电机 另外如图1 2 4 ，p j u a n g 等人提出了一种板式超声波电机m j ，这种电机由三个不对称 的脚支撑着一个圆盘，圆盘在扭转的同时还发生直线运动，其边缘和转子摩擦接触，就能推 动转子转动。 2 多自由度超声波电机的研究 通常的电机都是做旋转或平移运动的，针对平面移动、机器人关节等作多自由度运动的 要求，目前已经设计出一些多自由度的超声波电机。如t a m a n o 3 7 1 、k t a k e m u r a t 3 ”、金龙 p ”等人研制的单定子三自由度超声波电机如图1 - 2 5 所示，这种电机的定子为柱体结构，采 用一阶纵向和二阶弯曲振动耦合，转子可以向任意方向运行。 图1 2 5 柱体三自由度超声波电机图1 2 6 板式结构的三自由度超声波电机 图1 2 6 为m a o y a g i 等人【蛐】研制的板式结构的三自由度超声波电机，该电机在0 2 5 m m 的薄铝板上粘上厚度只有9 5 b i n 的压电陶瓷，并且电机利用了薄板的( 2 ，0 ) 和( 3 ，o ) 振动 模态耦合，使球转子转动。 另外还有其他形式结构的多自由度超声波电机，如s s h i m o d a 等人研制的金字塔形定 子结构的球转子两自由度超声波电机h ”，k t a k e m u r a 等人研制的一种板式多自由度电机【4 2 j 。 3 高性能超声波电机的研究 超声波电机的性能也在不断改进中，目前在提高电机的输出力矩、分辨率、运行寿命等 方面作了许多工作。 a )超声波电机输出力矩的提高 r a j a g o b a l a nr 两k u m 等人提出了一种提高环形行波型超声波电机输出力矩的方法【4 3 】， 这种方法如图1 - 2 7 所示，先用2 个定子夹持一个转子做成夹心式环形行波型电机，这种电 1 4 第1 章 绪论 机的输出力矩理论上会是单定子单转子电机的两倍，再将n 个夹心式电机联结在一起组成 一体，则在理论上，最后的力矩输出为单定子单转子电机的2 n 倍。 图1 2 7 提高超声波电机输出力矩的方法 b ) 超声波电机运行分辨率的提高 超声波电机由于定子和转子间摩擦接触界面的影响，决定了电机步进运行时的分辨率有 一定限制。李龙土，董蜀湘等人提出了一种提高超声波电机运行分辨率的控制方法m 】，并 且运用在他们研制的1 5 r a m 摇摆型柱体超声波电机上m j 。他们提出了一种新的超声波电机 控制方法：差动合成运动( d i f f e r e n t i a lc o m p o s i t em o t i o n ，简称d c m ) 原理，这种方法是先 控制电机顺时针走一步，再控制使其逆时针退一步，这两步大小不同，当顺时针走的一步较 大时，两步合成，最终电机还是向顺时针方向走了一小步，电机的运行分辨率就可以大大提 高，从原来每步4 6 ”提高到现在的1 2 ”。 1 3 2 电机仿真模型的研究 1 有限元分析模型的研究 超声波电机一般在定子上都加工有齿、槽，电机定子结构比较复杂，因此理论分析和解 析建模困难，往往需要进行一系列简化，这使得理论分析模型难以很好的模拟实际电机情况。 而有限元法( f i