超声波电机转矩特性的研究

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1、超声波电机转矩特性的研究季炜，金龙，徐志科(东南大学，江苏南京210096)摘要：超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电效应，将电能直接转变成机械振动能的一种驱动装置。具有结构简单、可直接驱动、响应速度快、控制精度高等特点，本文介绍了超声波电机驱动控制原理以及定转了的一种接触模型，然后针对这种接触模型从理论上研究其转矩特性，最后比较了两种采用砰砰控制思想的恒转矩控制的效果。关键词：超声波电机；接触模型：转矩控制；砰．砰控制O引言超声波电机(UltrasonicMotor，简称USM)不同于一般的电磁电机，它利用压电陶瓷(Piezo．

2、electricCeramic)具有的逆压电效应，即在交变电场作用下，压电陶瓷会产生伸缩现象，通过各种伸缩振动模式的转换与耦合，将电能直接转变成机械振动能，并利用摩擦转变成旋转(或其它运动方式)机械能的驱动装置目前最常用的超声波电机为环形行波型超声波电机(Ring—typeTraveling—WaveUltrasonicMotors，简称RTWUSM)，其结构特点是定子和转子均为一薄圆环，使得整个电机结构呈扁圆环形。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

3、。与传统电磁电机相比，超声波电机有许多独特的优点：低速大转矩、电磁兼容性好、响应快、断电自锁、运行无噪声等【l之J。因此在消费数码、家电、军工、汽车、航天和机器人等领域有着广泛的应用前景。为了提高超声波电机的应用水平，拓展超声波电机的应用领域【4。5J，要加快对超声波电机瞬态特性的分析和研究。对于瞬态分析主要是研究其转矩变化的特点，使能控制其起动和停止的响应时间，另外在追踪轨迹运动时的速度控制可以通过研究转矩特性来实现。1超声波电机运动分析环形行波型超声波电机运行的基本原理是利用两相交变激励电压在黏贴在定子上的压电陶瓷中产生定

4、向移动的行波，通过定转子接触的摩擦力驱动转子转动。定子上的压电陶瓷相邻分区极化方向相反，在电压激励下，相邻压电分区通过相关的压电陶瓷的非零压电系数，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，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，在一定条件下叠加就可以在定子环中激发出行波振动。可以证明在行波的作用下定子表面的质点作椭圆运动【2】。．239·转子速度【12

5、】可以由以下公式表示：其中40为A相和B相振动的振幅；k=2万／五为弹性波振动的波数；h为定子上表面到中性层的距离(即贴在定子上的压电陶瓷厚度的一半)；西为A相、B相驱动间的相位差。在行波超声波电机结构设计完成后，九、h确定，可以分别通过调节压电陶瓷的两相激励电压的幅值岛，A、B两相之间相位差矽以及驱动频率厂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。超声波最常见的三种控制方法是调频、调相和调压。2定转子接触模型由于定子在振动状态下，表面质点运动具有横向位移和纵向速度，使定子通过摩擦带动转子转动成为可能。通过对行波超

6、声波电机定转子接触面特性的分析，可以进一步研究定转子间力的传递机理。图3定子与转子接触不意图当定子振动为理想行波时，以式w(x，r)=一岛cos(kx+O)t)为例，在此情况下，定子行波的振幅与时间无关，稳态下行波的形状保持不变。为简化分析，可取t=Tr时刻定子和转子一个波长的接触面进行分析，如图3(a)所示。在此时波动方程为：w(x，0)=40coskx(1)定子表面质点的纵向速度为：Vx=km缸coskx(2)图4中，以定子未形变时中性层的位置作为横轴。(．xO，xO)为定转子接触区，可利用赫兹接触模型确定接触区域宽度。图

7、4(b)为定子表面质点纵向速度vx分布曲线，设转子速度为w，±xs为vx=vr的质点位置。由于纵向速度vxvr的质点推动转子转动。质点的制动和驱动的作用可以通过符号函数表达：11，，一v，>0s(x)=sgn(v，一Vr)={o匕一v=0(3)I_1v，一1／，<0在实际中摩擦材料具有粘滑特性(Stick-Slip)，由于粘滞特性的作用区域比较小仅在h=Vr处，本文为简化分析，忽略了摩擦材料的粘滞性。式(2—3)中当双x)等于l表示定子表面质点在(吖。，Xs)区间内，起推动作用，该区间

8、称为驱动区域；而文x)等于．1表示定子表面质点在(一工o，-z。)和(xs，XO)内，起阻碍作用，称为制动区域。．240．．在对行波超声波电机的接触面情况进行分析时，通常将摩擦材料等效为～个弹簧队列。在接触面内，由于定子表面质点的横向位移造成定子与转子间的压力变化。压力分布函