集成式超声波直线电机的驱动方式研究

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1、集成式超声波直线电机的驱动方式研究【摘要】许多场合都需要平移的驱动而不是旋转式的驱动。例如，为了获得能支撑起汽车顶棚或者汽车窗户的驱动器，人们可能把多个微特电机组合在一起。但是这样的话就会产生很多的问题，例如单个电机的机电特性并不是完全的一致，集成后的电机的机电特性很大程度上取决与驱动电路的参数和负载的特性，因此在许多应用场合，例如克服周期性的更大的负载，就需要一些特殊的电源。因此，为了使集成的电机不至于过分的庞大和昂贵，就必须对其控制进行优化以达到满意的结果。【关键词】超声波直线电机大功率控制系统建模特性1介绍振动马达无论在运行机理还是特性上都与常规的电磁马达有根本的不

2、同。它们大致的工作原理是：先有压电陶瓷将电能转化为机械振动，然后通过振子和滑条之间的摩擦耦合以达到输出驱动的目的。因其结构非常简单，使得这种超声电机在很多的应用场合相对传统电机都用很大的优势。特别是振动型直线电机不需要传动装置就能提供直线式的驱动。相对于传统的旋转电机的解决方案，振动型电机具有效率高、占用空间小、无后坐力等优点。例如，为了能推动汽车天窗或关闭汽车的窗口，需要把多个微特电机结合起来。但在这样，会有其他的问题出现。由于制造和装配公差，单个马达的机电特性可能不同。单个电机的特性很大程度上依赖于驱动参数（频率，电压，温度，预应力等）和负载的参数。在许多应用场合，例

3、如，汽车天窗的驱动器，需要克服一些更高的力量（例如，特殊情况下进入密封驾驶）因此就需要特殊的电源。因此，集成电机必须具有良好的机电特性，至少是可控的，这样才能通过优化得到体积较小的而且不是很昂贵的电机。2廉价的超声波直线电机文献中提到的几个超声波直线电机都是基于振子两个不同的振动模式，通常是以弯曲和纵向的联合式，实现振子表面点椭圆微动，例如：[1-3]。这种微动可以直接转化为驱动滑条的直线运动。为了能获得更大的微动振幅，超声波振动器应在与其固有频率接近的频率范围内工作。此外，较低的机械和电气损失可以产生很高的效率以及振幅在共振点处放大。这就要求在设计振子时尽量使两个振动模

4、态相互一致。即使两者的频率相差只有几个百分点仍然可能导致不能产生椭圆运动。因此，振动器的设计要做得非常精细，因为成本低所以公差可能更大一些。非线性可能是造成两种振动模态频率偏差的原因，例如，振动和驱动部分材料之间的非线性的间歇性的接触。因此为了获得这种振动马达的最佳工作状态就必须做非常精细的调整。为了得到宽带较宽和对频率偏差不敏感马达，人们开发了这样一种振动模式，即振动器采用双重同一纵向振动。通过延时移相的驱动方式获得椭圆运动[见图。1（1）][4]。该振动器由四个相同的黏结在黄铜基材的压电陶瓷片组成。把氧化铝制成的驱动条放在压电陶瓷附着的基板上。每两个压电陶瓷板可以建立

5、一个驱动系统。该系统需要一个对具有频率和振幅的交流驱动电源，但两者相位相差90°。其工作原理如图1（b）所示。90°的相位差使驱动足向上和向下运动，并合成为椭圆运动，通过摩擦将运动传递给紧压其上的滑条。3驱动方式和控制策略小型化低成本的集成电机的控制策略需要实现三个任务：单个电机的控制，相互集成的电机之间的协调，以及能够满足集成配置方式的驱动参数的调整3.1单个电机的控制通常情况下，电机的状态受到外界的强烈的影响，比如不同的操作参数，磨损，老化，温度变化。在文献中能看到调整压电陶瓷驱动系统参数的策略，以便能达到最优的状态。然而，基于模态的分析能说明驱动频率，输入功率，预紧

6、力是否需要调整以达到单个电机的最佳工作状态。单个电机的控制包括一个在线测量装置，对一个实际的模型参数而言，它可以从系统的频率响应计算出来。系统的频率相应特性可以这样测量，对系统施加刺激或者白噪声，然后测量在频率范围内的相应，或者在感兴趣的频率范围内给系统施加恒幅的振动测量其输出水平。一旦系统的参数确定下来，马达的驱动驱动参数便能以同样的最优化的方式得到。为了使电机在其整个寿命中正常运转，参数辨识就非常的必要。3.2集成电机一般来说，单个电机的推力简单相加应该得到集成电机的总推力，无负载条件下，集成电机的速率等同于单个电机的速率。但是由于相互间的冲突或则不同部分之间的协同作

7、用使得集成电机的整体特性更为复杂，因此需要对其进行重新建模。（见[6]）。评估集成驱动方式需要考虑的标准有：健壮性，效率，功率，复杂程度，成本等。图二描述的是8个同类型压电系统的频率相应描述。每个电机两个共振频率仅有很小的差异，并且所有电机的振动频率都集中在150Hz。相对与其他类型的电机而言这是个非常小的带宽，因为这些电机的结构非常的小。基于对单个马达的驱动策略的考虑，我们设计了一组四个不同的马达驱动策略。（1）“分别驱动”：每个振动系统根据其自身的共振频率进行激励。（2）“同一频率的激励”：所有的驱动马达都在一个频率下进行