（电机与电器专业论文）基于超声波电机的二自由度机械臂驱动控制系统的研究.pdf

东南大学颐士学位论文 a b s t r a c t u l t r a s o n i cm o t o rf a b b fu s m ) i sar e l a t i v e l yn e wt y p em o t o rt h a th a sb e e nd e v e l o p e ds t e pb y s t e ps i n c ee i g h td e c a d eo f l a s tc e n t u r y i t so p e r a t i n gp r i n c i p l ei sq u i t ed i f f e r e n tf r o mt h eo n eo f t h e t 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 u s mu f i l i z e st h em e c h a n i c a lv i b r a t i o ni nt h eu l t r a s o n i c f r e q u e n c ys c a l et h a tw a sg e n e r a t e db yt h ec o n v e 倍。p 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 cc e r a m i c s i th a s t h es t a t o ri nd i r e c tc o n t a c tw i t ht h er o t o rd r i v e nb yaf r i c t i o nc o n t a c t u s mh a sm a n y e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e sa n df e a t u r e ss u c h h i g ht o r q u ea tal o ws p e e d ，c o m p a c t n e s si ns i z e ，h i g h h o l d i n gt o r q u ew h e np o w e ri so f f , i n s e n s i t i v et om a g n e t i cf i e l d s , f a s tr e s p o n s e 。n on o i s ea n ds oo i l i th a sm o r ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c et h a nt h ee l e e t m m a g n c t i em o t o ri nt h ef i e l dn e e d i n gc o m p a c t ， e f f i c i e n t i n t e r m i t t e n tm o t i o na n df i n ec o n t r o l s f o raf e wy e a r sn o w , r e v o t v i n gu l t r a s o n i cm o t o r s ( u s m s ) ，i np a r t i c u l a rt h o s ee m p l o y i n gr o t a r yl l a v e l i n g - w a v e 咖p eu s m 。h a v ea t t r a c t e ds p e c i a l i n t e r e s ta sd i r e c t m r i v e - t y p ea c t u a t o r sf o rs e r v o s y s t e m si ni n d u s t r i a lc o n s u m e ra n da u t o m o t i v e p r o c e s s i n gf i e l d s t h ep a p e rd e s c r i b a st h ec o n t r o ls y s m mu s e dt oo p e r a t et w ou s m st h a tm o v et h e j o i n t so f a r o b o t i ca r n l ，a n do f f e r s t h e e m b o d ys c h e m e t h ec o n t r o l - b o a r d m a k e su s eo ft h e c h i p m s p 4 3 0 f 1 4 7 m a k i n gu s eo f m s p 4 3 0 f 1 4 7m a k e sf o rt h ei n d u s t r i a l i z a t i o no f t h ec o n 订o l b o a r do f ij s m s t h ec o n t e n t sa r gs u m m a r i z e d 聃f o l l o w s t h ed e v e l o p m e n t ，c h a r a c t e r i s t i ca n dc l a s s i 每a r es u m m a r i z e dc o n c r e t e l y t h r o u 曲t h e c o m p a r eb e t w e e nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f u s m sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f e l e c t r o m a g n e t i s mm o t o r s ， i ti st e s t i f i e dt h a tu s m sw i l ld e v e l o pr a p i d l yp r e s e n tt h es i g n i f i c a n c eo f r e s e a r e ho nu s m o nt h e b a s i so f t h i s ，t h et h e m eo f t h ep a p e ri sg i v e n t h ec h a r a c t e r i s t i co fs t r o c t o l ea n dt h em e c h a n i s mo fm o v e m e n to fr i n g - t r p e t r a v e l l i n g w a v eu l t r a s o n i cm o t o r sa r es u m m a r i z e d b a s e do nt h i s ，t h ec o n t r o lt e c h n i q u e ，f o r e n a m p l e ，f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，p h a s em o d u l a t i o n ，a m p l i t u d em o d u l a t i o n ，a r es u m m a r i z e da n d t h ed r i v em e t h o d ，f o re x a n l p l e ，p u s h p u l l ，h a l f - b r i d g e ，f u l l b r i d g e ，r r ea s os u m m a r i z e d d r i v ea n dc o n t r o ls y s t e mf o rt w o d e g r e eo ff r e e d o mb a s e do nt h er i n g - t y p et r a v e l l i n g - w a v e u l t r a s o n i c m o t o r s i sd e s i g n e d f i r s t l y ，t h e p l a na n d p u r p o s e o f d e s i g n e d a r ep u t f o r w a r d s e c o n d l y , t h et e c h n i q u ea n dt h e o r yo f c o n t r o l b o a r da r ed e s c r i b e d t h es o i 盹v a r ed e s i g no f t h ec o n t r o lb o a r da n dp ci n c e r f a c ea ”d e s c r i b e d p r e s e n tt h et h e o r yo f t h i ss p e e da n dp o s i t i o nc o n 【r o ls y s t e m i nt h ee n d ，a n a l y s i so nt h ee x p e r i m e n tc u r v ei sg i v e n t o s o l v et h en o n l i n e a rp r o b l e mi nt h ee x p e r i m e n t as i m p l ea n de f f e c t i v em e l h n di sb r o u g h tf o r w a r d ， p r e s e n tt h es u m m a r yo ft h ep a p e ra n dg i v es o m ea d v i c e sa c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m so ft h i s p o s i t i o n i n ga n ds p e e dc o n t r o ls y s t e m k e y w o r d ：u l t r a s o n i cm o t o r s ；r o b o t i ca l t n ；s i n g l ec h i p 。p i 【 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈变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，除了文中特别加以杯注和致谢的地方外，论文中不包含其他入 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 作了明确的院明并表示了谢意。 研究生签名：整日期：堑遁垒 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，可以公南( 包括f u 登) 论文的全部或部分内容。论文的公粕( 包括刊登) 授权东南大学研究尘院办理。 研究生签名：壹匝导师签名：辫日 期：哇幽 第一章绪论 第一章绪论 随着现代科学技术的迅速发展，各种电子设备、精密仪器光学系统以及f a 、0 , i 设备 日益趋向于小型化、精密化静音化。作为这些设备中的执行电机，曲然要求在提高性能的 前提下，向体积4 、，精度高、噪音低等方面发展世界各国的科技人员为此进行了不懈的努 力，促进了各种新型电机的发展。超声波电机作为上个世纪8 0 年代快速发氍起来的一种直 接驱动电机，由于性能卓越，应用前景广泛，备受科技界和工业器的重视。已成为当前机电 控制领域的一个研究热点本章综述了超声波电机的原理分类、特点厦应用，以及研充超 声波电机的重要意叉；在对超声波电机的研究历史和现状进行分析的基础上，提出了本文的 主要研究内容。 1 1 研究超声波电机的重要意义 2 0 世纪8 0 年代末期，兴起了一种新型学科微电子机械系统( m e m s ) ，该学科以微 机械和微电子技术为基础。在许多领壕如生物、医学、信息、航空航天、国防、人民生活 等) 有广泛的应用因此倍受各国政府和学者的重视并投入巨资进行开发和研究。信息系统 的微型化不仅使系统体积大大减小、功能大大提高，同时也使性能、可靠性得到优化，功耗 和价格却大幅度降低。目前，采用微电子技术可以方便地将电子系统微型化，但在非电子系 统方面，其微型化能力远远落后于电子系统，已成了进一步发展的“瓶颈”，迫切需要取得 突破。这就对作为动力组件的微电机提出了更高更苛刻的要求。由于自身工作原理和结构等 的限制，传统电磁型电机进一步的小型化已十分困难。微电机是微电子机械系统中的核心， 其体积大小和性能的优劣直接影响到微系统的总体品质，也一定程度上体现了一个国家微系 统的发展水平。因此，高性能微电机的研制已成为该领域关键问盟之一p j 。 近年人们借助微电子技术、新材料技术、精密机械技术、生物技术以及计算机技术等， 开发研究出不少新原理的微电机，并且在各个领域得到广泛的应用。具有代表性的，并已实 用化的是超声波电机。 超声波电机( u l t r a s o n i cm o t o r ，简称u s m ) 的诞生为微电机的研究和应用开辟了一块新的 天地。u s m 采用了一种全新的运行机理，不仅在思想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。虽然u s m 的发展历史很短。但已显示山潜 在的和良叠了的应用前景。超声波电机平传统的电磁式电机相比，u s m 具有低速大转矩、无 电磁干扰、动作响应快、运行无噪声、无输入自锁等卓越特性，因此在非连续运动领域，精 密控制领域要比传统电磁电机性能优越。u s m 在工业控制系统、汽车专用电器、精密仪器 仪表、办公自动化设备、智能机器人等领域有广阔的应用前景，近年来倍受科技界和工业界 的重视，为当前机电= 降制领域的一个研究热点。 。 1 2 超声波电机的发展 同传统电磁式电机不同，超声波电机没有磁极和绕组，不依靠电磁相互作用来传递能量， 而是利用压电陶瓷逆压电效应激发的超声振动作为驱动力，靠振动部分和移动部分之间的摩 擦力耦合转换成移动体的旋转或者直线运动。它是多学科交叉的产物，涉及机械、声学、振 动、材料、摩擦、电力电子及自动控制等多学科领域。超声波电机制造技术的完善是随着以 上学科的发展而发展的，是随着各种新结构、新原理超声波电机的出现而逐渐完善的。超声 东南大学顾士学位论文 波电机的发展可分为三个阶段，即超声波电机概念阶段、具有实用前景的样机阶段和产业化 生产及应用阶段。1 9 4 2 1 9 7 0 年为理论基础研究及实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 年下半年开始进入工业廊用阶段川。 2 0 世纪6 0 年代初苏联科学家首先提出了超声波电动机的设想。1 9 6 9 年英国s a l f o d 大 学的两名教授介绍了一种伺服压电电机。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电机所不能及的。十年后，德国西门子公 司申请了超声波电机的第一个专利，他仃1 研制出了利用压电谐振工作的直线驱动机械。1 9 7 3 年美国i b m 公司的h v b a r t h 提出了超卢渡电机原理模型，并研制出了以超声振动驱动的 电机。1 9 8 0 年日本的指田年生研制了驻波型超声波电机pj ，所用振子是用螺栓压紧的兰杰 文振于它使超声波电机真正走上实用。1 9 8 2 年指田年生又研制成功了行波型超声波电 机，解决了制约实用超声波电机发展的瓶颈问题之一振动面的摩擦。这台电机的研制成 功，为超声波电机走向实用开辟了道路，也吸引了不少研究单位和企业的关注。同时，指田 年生也创建了新生工业公司，并在1 9 8 7 年正式商业销售这种电机。同年，日本佳能公司研 制出用于相机调焦的超声波电机，在相机业界为之一振，是迄今为止超声波电机市场化应用 中最成功的一例，标志着超声波电机开始走向实用阶段。1 9 8 5 年m a x e l l 公司的熊田明生研 制第一台复合振动型超声波电机单电源驱动型纵扭振动超声波电动机”j 。随后，1 9 8 7 年东京工业大学教授上羽贞行教授提出了纵扭复台振动超声波电机p j 。 日本在超声波电机设计、制造和销售方面的成功引起了其它国家的广泛重视，进入九十 年代后，各国都将超声波电机的研究开发放到了重要位置，建模与分析、驱动控制等逐步成 为研究的土要内容州【i 叫i l “。另外，在非接触式超声波电机、大转矩超声波电机、微型超声波 电机以及多自由度超声波电机等领域的研究也进一步深入。目前大多数超声波电机是通过定 转子之间的摩擦力来传递力矩的，定转子之同产生的摩擦会对定转子产生磨损，从而降低电 机的使用寿命。微型超声波电机在办公用品、医疗工具等方向有广泛的商业价值，日本东京 大学的黑泽实( m k u r o s a w a ) 已经研制出旋转型微型超声波电机“，定子外径1 a m m ，内径 1 2 m m 长5 m m ，使用6 微米的p z t 激发柱体的弯曲振动。针对平面移动、机器人关节等要求 作多自由度运转的场合，日本已经开始研究多自由度和三自由度的超声波电机。 目前，日本在超声波电机技术方面的研究仍处于世界领先地位，掌握着大多数的超卢波 电机发明专利，几乎所有的知名公司和大学都在进行超声波电机的研究。德、法、美、英， 中、韩等图于2 0 世纪加年代末9 0 年代初，西班牙、葡萄牙、波兰等国于9 0 年代以后纷纷 投入到超声波电机的研究和制造行列中来。目前，美国已将超声波电机成功应用到航空航天、 信息和汽车产业领域口”，法国用于空一空导弹导引装置_ l ”，德国用于飞机的电传操纵系统 中等【1 4 】。 国内研究超声波电机是在二十世纪8 0 年代未9 0 年代初开始的，虽然我国超声波电机及 其控制技术的研究起步较晚，但是发展迅速。国内主要有清华大学、南京航空航天大学、 东南大学、中国科学院、浙江人学、啥尔滨工业大学、吉林工业大学、陕西师范大学、华中 科技大学、上海交通大学、电子t 业部2 】所、天津人学等高等院校和科研单位开展了超声 波电机的研究。他们对几种超声波电机的运行原理、数学建模、仿真计算、样机制作及驱动 技术等方面的研究，并取得了一批研究成果”j 。 1 3 超声波电机介绍 第一章绪论 1 3 1 电机的原理及特点 虽然超声波电机种类繁多，结构形式多样，但工作原理都相似；利川压电陶瓷的逆压电 效应( 即在交变电场作用下。压电材料会产生伸缩现象) 来工作的。也就是说，在超声波电 机工作时，在振动体的压电陶瓷上施加超声频率的交流电压，通过压电体的逆压电教应在振 动体内激发出超声频率的微观振动，使得振动体表面质点形成一定运动轨迹的超声频率微观 振动，该微观振动通过振动体( 定于) 和移动体( 转子) 之间的相互作用使移动体沿某一方 向做连续宏观运动”儿2 1 。为了提高出力、降低定转子金属材料的磨损承l 减少金属摩擦可能造 成的机械噪声，转子表面需贴上一片摩擦材料。 与传统的电磁型电机不同，超声波电机不靠电场与磁场之间的相互作用产生机械能输出 的而是靠压电陶瓷的压电振动而获得机械能输出的。由于两者之间的工作原理不同，使得 超声波电机具有以下不同于电磁型电机的特点驯： 1 低速、太转矩”1 断电自锁 一般情况f 。超声波电机在运行时的转矩密度是电磁电机的1 0 倍以上。可直接驱动。 在位置控制系统中，当需要电机在低转速下输出大转矩时，超声波电机不像电磁电机一样需 要减速齿轮，因此不仅能缩小系统的体积。还能提高系统控制精度、响应速度。由于超声波 电机特别是接触式超声波电机主要靠定子与转子问的摩擦力来驱动，所以具有较大的静态保 持力矩，实现断电自锁，这正是普通电磁型电机所不具有的。 2 易调速，控制特性好 在电磁电机为执行组件的定位控制系统中。系统的性能很大程度t 取决于电机起停时的 瞬态响应特性。电磁电机转速高、转矩小、转子惯量大，响应时间常大于l o m s ，且随着减速 箱的增加而增大。由于响应慢，电机的起停角度很大，通常是转动的一部分。超声波电机， 特别是接触式超声波电动机，瞬态响应时间短，启动响应时间在毫秒级范围内，而且由丁其 转子结构简单，转动惯量小，所以制动相应更快。 3 无电磁噪声、电磁兼容性好 超声波电动机的运行是通过超声振动传递能量的，人耳听不到声频范围外的声音。同时 在系统低速大转矩运行时，超声波电机无需齿轮减速机构，运行非常安静，减少了噪声源。 这使得超声波电机非常适用于光学系统或超精密仪器上。 4 微情移特性 超声波电机震动体表面振幅一般为微米、亚微米甚至纳米数量级。在直接反馈系统中， 位置分辨率高，而且没有齿轮减速装置中的时间延时，微位移步进定位精度高。 5 结构简单、形式灵活、自由度大，以实现小型化和多样化 根据技术指标的不同( 如额定转速、额定转矩、最大转速等) 或者应用场合的不同超 声波电机可以采取不同的驱动机理进行设计，同一驱动原理的超声波电机也可以设计成不同 的安装形式( 如旋转、直线或者多自由度超声波电机) ，也可根据驱动要求嵌入与系统集成。 6 输出功率小。效率低，寿命问题等 目前，环形行波型超声波电机的最大输出功率不大于5 0 w 。且由于超声波电机在运行 过程中，存在两种能量转换：一种是压电陶瓷的逆压电效应产生的电能转换为机械能另一 种是定子的振动转换为转子的轴向输出。能量转换过程中的效率比较低。同时，超声波电机 及其驱动控制装置的寿命跟其制作材料有着极大的关系，定转子接触界面闸的磨损问题会直 接影响超声波电机的长久稳定工作。 3 东南大学硕士学位论文 1 3 2 超声波电机的分类及应用 ( 一) 超声波电机的分类 近2 0 多年出现了各种原理、形式和结构的超声波电机。根据电机工作模态、机械振动 获取方式和定转子接触方式可以将超声波电机进行多种分类“”，见表卜1 。 表1 1 超声渡电机 电机上作摸态机械振动菝取方式定转子接触方式 行波 驻波型混合型 谐振振动 非营振振动型摩擦型 非摩擦型非接触 型 趔 型 本文的主要研究对象为环形行波型超卢波电机。 ( 二) 超声波电机的应用 由于超声波电机的性能优良，它具有低速大转矩、无电磁干扰、动作响应快、无输入自 锁等特性，在短时非连续运动、精密控制等领域要比传统的电磁电机有更强的适用性。超声 波电机被认为在机器人，仪器仪表等领域有广泛的麻用前景。目前已经成功地应州在以下领 域； 1 照相机镜头调焦 与采用电磁型电机的镜头相比，采用超声波电机的镜头具有几个优点：结构紧凑简单、 静音、定位精度高、调焦时间短、无齿轮减速机构等。早在1 9 8 2 年，日本佳能公司开始研究 在 ! c l 相机镜头调停中使用超声波电机，目前为止已经成功开发了三种利用超声波电动机调焦 的j i c 相机产品i i 6 1 0 此外，尼康公司的相机也栗崩了超声波电机，西格玛公司也将超声波电机 应用到大口径望远镜上。 2 精密定位系统“7 ”1 超声波电机响应快一旦位置传感器检测到目标位置信号瞬间就断电，电机将立即停机， 定位准确 控制上可实现步进驱动，而且定位精度高；无齿轮减速装置产生的间隙，可精确定 位。冈此，超声波电动机可用于坐标平台等精密定位系统中和随动系统中。目前，日本已经 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【j ，法国c e d r a t 公司生产的直线 型超声波电机用于卫星平台中。 3 棱磁共振仪 应用超声波电机的电磁兼容性好的特点，西门子旭医疗器械公司( 东京) 将三个超声波 电机用于核磁共振仪( m r t - - c t ) 的线圈浏整装置l ，微渊附属于线圈上的可调电容的电 容量。m r t - - c t 具有2 特斯拉以上的强磁场，普通电磁电机在此场合下不能稳定工作。 4 机器人的关节驱动 机器人的关节要求要实现多自由度运动，以实现其手脚的功能。对于传统的电磁驱动电 机而言，要实现多自由度运动，一般要求每一个自由度都提供一个电视，通过对多个单自由 度电机作复杂的机械连接来实现，而且提供电机数与所要求的自由度数必须相等。因此这个 系统往往结构复杂、笨重、动静态刚度低，造价昂贵，此外齿轮变速机构中存在着问隙、摩 擦、弹性变形，很难保证有高的运动精度和定位精度，往往不能满足机器人向高速、高精度、 大承载和轻量化发展的要求。三自由度超声波电机的结构精巧，为多自由度运动机器人的驱 动给出了较好的解决方案。美国n a s a 火星探测者计划中，采用了高转矩密度的双面齿结构超 4 第一章绪论 声波电机，实现多功能自动爬行系统( 1 i a c s ) 直线和旋转运动脚1 ，不仅满足了手臂运动所需 的转矩、能量、尺寸及驱动特性的要求而且能够可靠地工作在火星恶劣的环境中。 5 阀门控制 由于超声波电机无需减速机构即可实现低速运行，因而在各种阀门中有其广阔的应用前 景。尤其是它的自锁特性和快速响应特性可用于阀门的精确流量控制中。 6 汽车电器设备 由于超声波电机工作时噪音很低，可以傲摄很簿，安装空间小，而且无需变速机构就可 实现低转速大转矩适合汽车中使用。德国奔驰汽车公司准备将其应用在奔驰汽车车窗的驱 动装置中。它还可用在雨刮器、电动开关车窗和汽车座椅调整等的驱动装置中。 1 4 超声波电机控制技术的发展 超声波电机本身呈现出复杂的非线性：超声波电机利用摩擦驱动，定转子之间相对滑动 系数不能确定；电机谐振频率随连续运行时间的增加温度升高而变化；压力和摩擦驱动转矩 枯定子环的分布性。由于超声波电机的基本结构及工作原理完全不同于传统的电磁电机一理 论上的动态及静态数学建模非常困难目前还没有基于超声波电机传递酌数的可同时表示其 动静态性能的数学模型，因而传统的控制策略在超声波电机控制上遇到了挑战。在对位置、 速度、转矩有精确要求时需要采用闭环控制方式”。 1 9 8 6 年日本人t a k e s h ih a t s u z a w a 系统研究了环形行波型超声波电机的速度控制特性 雌。，得到了环形行波型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 ii 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o ”，次年实现丁基于模糊推理的高性能速度位置控制策略。，1 9 9 4 年分别进行了使用 软件变增益p i 控制器和改进模糊控制器的超声波电机驱动伺服系统的定位控制研究m 1 。此 后，研究人员又陆续将柔顺控制。”、自适应控制阱1 、频率和相位差的取模控制、神经元网 络技术”等引入到超声波电机控制中来，并将其不断完善、综台，形成了多种有利于改善超 声波电机位置、速度控制精度的控制方法。 一般而言，不管何种控制方法，对于行波型超声波电机而言，在直接驱动控制系统中， 控制变量的选择：一般选用相位差或者驱动频率作为控制变量，在辖密快速定位夏速度跟踪 控制时，也常常将二者都选作控制变量，通过一定的控制策略进行实际的控制应用。 目前，超声波电机控制策略及与之相辅相成的控制装置的研究正走向更深层次。控制目 的正朝着实现静态微误差，动态误差不断减小的快速精密的超声波电机定位与速度控制方向 发展。探索运用恰当的现代数学分析手段及与之相对应的控制策略，利用先进技术开发高性 能的超声波电机驱动控制装置，不断提高超声波电机应用水平是超声坡电机研究的重要方向 之一。 1 5 本课题的研究工作 目前，我国的超声波电机仍未实现产业化，为此无论是在理论分析还是驱动控制的研究 上都需要大量投入。本论文主要研究了基于超声波电机的二自由度机械臂控制系统的整体设 计，并在该控制系统的基础上研究了行波超声波电机的速度、位置控制特性。由于系统核心 部分为价格低廉功能强大的单片机控制器，控制简单易行，性价比也比较高，因此比较适用 东南大学硕士学位论空 于工业控制。 本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、分类、特点、应用以及研究超声波电机的意义，给出本论文 的研究内容。 第二章行波超声波电机驱动控制原理 介绍了环形行波超声波电机的结构特点、运行机理和驱动控制原理。介绍了超声波电机 的控制方法：调频调速、调压调速以及调相调速等。 第三章二自由度机械臂的控制系统硬件设计 根据超声波屯机驱动控制方面的要求给出了基于单片机的超声波电机控制系统实验平 台，包括基于单片机的超声波电机控制器、驱动电路等。 第四章二自由度机械臂控制系统软件设计 在第三章基础上，根据系统控制要求，详细介绍了该控制系统的软件构成和具体实现方 法，包括上位机软件、下位机软件以及通讯部分。同时，结台实验结果进行了分析。针对调 速过程中的非线性问题提出了简单易行的解决方法。 第五章总结和展望 对全文内容进行总结，根据超声波电机控制系统的实际廊用情况以及在研究行波超声波 电机速度、位置控制中出现的问题，提出一些建议。 6 第二章环形行波型趣声波电机机理及驱动控制原理 第二章环形行波型超声波电机机理及驱动控制原理 根据上一章的介绍，本系统是关于基于超声波电机的位置速度控制系统因此，本章 将着重介绍超声波电机的运行机理以及控制特性在此基础上，给出了超声波电机常用的一 些控制方法，并分别指出了它们的优缺点 2 1 结构特点和运行机理： 2 1 1 环形行波型超声波电机的结构特点 就结构来看行波型超声波电机分为环形行波型超声波电机( r i n g - t y p e t r a v e l l i n g - w a w u l t r a s o n i cm o t o r s ，简称r t w u s m ) 和圆盘式超声波电机( d i s k - t y p eu l t r a s o n i cm o t o r s ，简 称d t u s m ) 【l l 。 r t w u s m 是目前应用和研究最多的电机，其基本结构分解图见图2 - i ，由外壳、轴承、 碟簧、转轴、转子、定子、压电陶瓷片和底座等部什组成。其结构上最大的特点是：定子和 转子均为一薄圆环，使得整个电机结构星扁圆环形。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。定转子依靠蝶簧变形所产生的轴向压力紧压在一起。 图2 1 行波形超声波电机结构 6 0 m m r t w u s m 压电陶瓷的电极结构如图2 - 2 所示。图中，压电陶瓷环的周长为行波波 长五的整数倍。压电陶瓷的上下极扳被图中的阴影区域表示的未敷银区分隔成不同的区域。 相邻两个压电分区构成一个完整的五，它们的极化方向相反，分别以“+ ”“一”表示，见 图2 - 2 ( a ) 。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 化分区可纰成三个电极，其中a 区和b 区表示驱动r t w u s m 的两相电极( 利用压电陶瓷 的逆压电效应) ，各分区所占的宽度为五2 ：s 区是传感器区( 利用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，宽度为五4 ； g n d 区为3 丑4 ，作为a 区和b 区的公共地”。 2 1 2 环形行渡型超声波电机的运行机理 ( 一) 定子行波的产生 由于压电陶瓷相邻分区极化方向相反，在电压激励下，相邻压电分区通过压电陶瓷的非 零压电系数d ”分别伸张和收缩，从而激发横向长度伸张和收缩振动模，可以在定子弹性体 中激励出弯曲振动，如图2 - 3 所示。 东南大学顾上学位论文 ( a ) 正面 图2 - 2 环形压电陶瓷的极化分割 定f 压囫 佧t b 陶瓷 二 电极 鼢一融 ( b ) 反面 图2 - 3 定子弯曲振动产生机理 由于压电体在一个驱动信号作用下，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；而使用两相交变电压 同时激励a 区和b 区，在一定条件下就可以在定子环中激发出行波振动( 图2 - 4 ) 。具体推 导过程如下1 4 j ： 设a 相( e - ) 、b 相( e 2 ) 驱动激发的驻波分别为： j ( “) 2 c o s 舡c o s 。( 2 - 1 ) 【”_ ( x ，f ) = 乞e o s k ( x a ) c o s ( t 一妒) 其中、为弹性体表面横向位移；、靠分别为a 相和日相振动的振幅；k = 2 形 ， 为弹性波振动的波数；五= = 为弹性波波长；诈为周向振动模态阶数；l = 2 n - r 为定于环 h 圆周长；置为定子环平均半径；k = 州r ；d 为a 相振子与b 相振子问的空间间隔( 对应 图2 - 2 的电极结构，有口= 2 4 ) ；庐为a 相、b 相驱动间的相位差；则有 ( x ，f ) = 靠s i n 。c c o s ( t o t + ) ( 2 - 2 ) 。 一 第一章环形行波型超声波电机机理及驱动控制原理 振动定f 图2 - 4 由驻波合成行波的原理 两相驻波叠加可得定子环表面质点的横向振动位移 w ( x ，哆= 如0 + 缸，t ) = 乞c o s 奴c o s f + 乞s i n k x c o s ( d o t + # ) ( z - 3 ) 当压电陶瓷对称极化时，有= 磊= 盏，当a 、b 相激励电压的相位差在时问上差9 0 0 则= j r 2 ，有 w ( x ，r ) = 品c o s k x c o s c o t 一点s i r t k x s i n c o t = 岛c o s ( 舡+ r ) ( 2 - 4 ) 当氦= 磊= 磊，= 2 时 w ( x ，r ) = 彘c o s k x c o s c o t + 彘s i n k x s i n c o t = 彘e o s ( h m f ) ( 2 5 ) 由上两式可知，只要a 、b 两相驱动电压相位差为石2 时，在定子环中形成行波，而 且当其中某一相反相时，行波的行进的方向相反，即转子反向旋转。 ( 二) 定子表面质点的椭圆运动轨迹分析 图2 - 2 中“+ ”极化区和相邻的“一”极化区产生形变帽反，从而在圆周上形成行波， 如图2 - 5 所示。 设h 为定子上表面到中性层的距离( 即贴存定子e 的压电陶瓷厚度的一半) ，对于 w ( x ，f ) = 厶c o s k 】c c o s 6 0 r + 岛s i n k x c o s ( c o t + ) ，定子表面质点纵向振动位移u ( x ，) 可表 示为 吣 r ) “等堕 ( 2 - 6 ) a 【 ( 2 6 ) = 一 ( 一s i n k x c o s c o t + 磊c o s o c c o s ( c o t + q ) ) 当= 靠= 彘，= n 1 2 时， “r ) = 一舶彘s i n ( k r + t o t ) ( 2 _ 7 ) 东南大学硕十学位论文 顸压力 鬲葡五莉而 图2 - 5 定子振动机理 综合式( 2 6 ) 、( 2 8 ) 可得定子表面质点运动轨迹方程： 可c o o , t ) + 娶娑：1 ( 2 - 8 ) 彘2( 腼彘) 2 由式( 2 - 7 ) j 可以获得定子表面质点运动的纵向速度为 v a x = 塑笋一眦( 驯n 椭n c o t - 和s h s i i l ( 卅鲫 当= 品= 彘，= a 2 时， 匕嘶) = 丝笋一拍和c o s 鹂( 2 - 9 ) 在椭圆运动晟高点时( 即波峰处) ，横向位移w 最大，而纵向位移“为零，利用 塑盟：o ， 可s 舡2 面萧篇蒜，s m 肌露磊与菰c o s ( c 丽o t + 妒)爵c o s 2 甜r + 品c o s 2 ( 田f + 妒)爵c o s 2 曲，十嚣c o s 2 ( 耐+ p ) 此时n 获得最大值 一 一舳己品s i n v “5 霭菰菰毳意菰霸 当毛= 品= 磊，= ，r 2 时 ( 2 - 1 0 ) 心一= 一拍品 ( 2 1 1 ) 式中的负号表示定子表面质点运动到椭圆最高点时的运动方向正好与行波前进方向相 反。若不计定转子问滑动，且设转子接触面与定子振动波形相切，则此时转子速度也为 一肋嘉，负号同样表示转子速度与定子振动行波前进方向相反。 ( 三) 环形行波型超声波电机的电学等效模型 第二章环形行波型超声波电机机理及驱动控制原理 环形行波超声波电机的控制系统应当围绕超声波电机模型分析来设计实现。i i 前对超 声波电机模型分析通常采用解析法、有限元法和等效电路法这三种方法。通过等效电路法分 析得到的环形行波超声波电机电学等效模型能够很好的模拟电机系统的电输入特性州捧l ，对 于超声波电机控制技术的研究具有重要的参考价值和指导意义。 单相驱动的环形行波超声波电机其自由定子在谐振频率附近的固定频率点可用一个等 效电路来表示，如图2 - 6 所示。其中g 表示由压电陶瓷介电性引起的夹持电容，玛表示压 电陶瓷的介电损耗。厶表示定子质量效应的等效电感c 二表示定子弹性效应的等效电容 咒表示定子内机械损耗的等效电阻习。 图2 - 6 自由定子单相等效电路 通过对环形行波超声波电机运行机理分析可知，环型行波超声波电机正常运行时利用两 个同型驻波霍加形成的行波作为驱动源通过摩擦带动转子转动，其类型为单压电环双相驱动 型超户波电机，因而整个电机的等效电路可由圈2 - 7 所示的表示”。 国2 7 两相驱动的环形行波超声波电机完整等效电路 2 2 环形行波超声波电机驱动控制原理 2 2 1 环彤行波型超声波电机逆变主电路 驱动行波超声波电机需一定幅值的数十千赫兹( 一般为2 0 k h z 6c 3 k h z ) 的交流电压， 佃驱动电路供电电源一般为低压直流电源。需通过逆变电路进行逆变升压满足电机驱动的需 要。驱动行波超声波电机的逆变电路主要有三种形式：推挽式逆变器、半桥式逆变器、全桥 式逆变器。 ( 一) 半桥式逆变器 半桥式驱动主电路( 见图2 - - 8 ( a ) ) 的士要优点是效率高，变压器的利用率高，抗不平衡能 东南大学硕上学位论文 力强。缺点是逆变器主回路的桥臂电压只是直流电源电压的一半，因此所需直流电源的电压 较高【6 】。为解决这一问题，可采用全桥式逆变器结构，但主回路电元器件的数目要增加一倍。 成本较高。 ( a ) 半桥式逆变电路( b ) 全桥式逆变电路( c ) 推挽式逆变电路 图2 8三种主要逆变方式 ( 二) 全桥式逆变器 在所有隔离型开关中，采用相同电压和电流容量的开关时，全桥式开关( 见图2 - 8 ( b ) ) 可以达到最大功率，但其电路较复杂，常用丁中大功率的系统中。 ( 三) 推挽式逆变器 图2 - 8 ( c ) 是推挽逆变电路产生单相电压的电路图，同半桥逆变电路相比。每相逆变电路 两支场效戍管的栅极驱动信号是共地的，因而前置驱动电路非常简单；而且变压器原边电压 为直流电压，在同等电压下逆变器输出功率较大。每一时刻只有一个场效应管导通，开关损 耗小。 2 2 2 超声波电机控制方法 根据式( 2 一1 1 ) ，匕胁= 1 亍丝竺皇竺；! 二。在行波超声波电机结构设计完成 、，c o s 2d 玎+ c o s 2 ( m r + 尹) 后， 、由确定，可以分别通过调节压电陶瓷的两相激励电压的幅值f ，a 、b 两相之间的相 位差伊以及驱动频率厂( 厂= 昙) 来调节行波波峰点的速度来控制转子的转动速度、输出转 矩。超声波最常魁的三种控制方法是调颠、调相和调压。 ( 一) 调频控制 超声波电机的驱动频率是由定子的共振频率决定的，当定子发生共振时，振子呈现的阻 抗最小，振幅最大，当电机的驱动频率向反谐振点变化时，电流减小，振幅减小，电机转速 降低。也就是说可以通过调节电机的驱动频率可调节电机定子的振动幅度，实现调速的目的。 第二章环形行波型超声波电机帆理及驱动控制原理 调频调速具有非单调性，在谐振点的右侧曲线相对分段平滑，可调节频带宽可作为稳定运行 区；谐振点左侧曲线与右侧相反，为不稳定运行区h 。当电机工作在谐振点时，机电能量转 换效率最高，但当电机负载出现扰动时。容易造成不稳定运行，同时当环境温度变化时电 机的谐振频率会产生漂移，更容易造成不稳定运行，因而通常电机工作点在谐振频率点的右 侧，并与谐振频率有一定的偏差，但偏差不宜太大，以免机电能量转换效率过低m j 。图2 - 9 为本课题组自行研制的r t w u s m 6 0 行波型超声波电机空载，两相驱动电压恒定为3 5 0 v ， 相位差为9 0 度时的频率一转速关系曲线，其谐振点为3 84 k h z 左右。 频率皿z ) 图2 - 9r t w u s m 6 0 的频率速度关系曲线 ( 二) 调压控制“ 通过改变施加在电机上的电压幅值来改变行波振幅，这种调压调速方法简单，但是具有 明显的死区和饱和区。死区的大小与电机的转动部分静摩擦转矩、外转矩及工作频率有关。 但在死区和饱和区之间近似为线性区，横坐标代表驱动电压的有效值。调压调速控制在死区 和饱和区之间接近线性控制，控制效果比较好，由于死区的存在及其随转矩、工作频率变化 而变化，使得调速范同变窄，低速时难以控制。所以一般不宣将电压幅值作为单一的控制变 晕来进行超声波电机的凋速控制j 。图2 1 0 为实际的r t w l 3 s m 6 0 行波超声波电机空载， 驱动频率为3 9 0 0 1 d - l z , 相位差为9 0 度时的驱动电压一转速关系曲线。 ( 三) 调相控制“” 调相调速范围宽，无死区，在大部分区域转速与相位差的正弦值呈线性关系。只有在相 位差接近0 。或1 8 0 。时，由于定子行波要克服转动部分静摩擦力而出现非线性。调相调速 可以方便的使电机反转这是其它两种控制方法无法达到的。采用相位差调速时，电机能实 现平稳的换向，可川于位置伺服系统中的精密定位控制。但其对指定位置响应速度慢。所以 改变电压相位差的凋速方法麻和其它潍速方法如变频调速，结合起来使用，发挥各自的特 点，就能更好地满足超声波波屯机复杂速度特性的要求。图2 一1 1 为r t w u s m 6 0 行波超声波电 机空载驱