第09章超声波电动机

-1-第九章第九章 超声波电动机超声波电动机*控制电机控制电机-2-超声波电动机超声波电动机（Ultrasonic Motor Ultrasonic Motor USM USM）是）是 2020世纪末发展起来的一种新的微型驱动电机，它的基本结世纪末发展起来的一种新的微型驱动电机，它的基本结构及工作原理与传统电机完全不同，没有绕组和磁路，构及工作原理与传统电机完全不同，没有绕组和磁路，不以电磁相互作用来传递能量，而是基于压电材料的不以电磁相互作用来传递能量，而是基于压电材料的逆逆压电效应压电效应（即（即电致伸缩效应电致伸缩效应），利用超声波振动来实现），利用超声波振动来实现机电能量转换。机电能量转换。由于这种新型电机的工作频率一般在由于这种新型电机的工作频率一般在20kHz20kHz以上，所以称为超声波电机。以上，所以称为超声波电机。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-3-超声波电机打破了传统电机必须由电磁效应产生转超声波电机打破了传统电机必须由电磁效应产生转矩和转速的固有概念，矩和转速的固有概念，与电磁式电机相比，超声波电机与电磁式电机相比，超声波电机具有以下特点：具有以下特点：(1)(1)体积小，重量轻。体积小，重量轻。(2)(2)低速大转矩。低速大转矩。(3)(3)响应迅速，控制特性好。响应迅速，控制特性好。(4)(4)有断电自锁功能。有断电自锁功能。(5)(5)与外界无相互电磁干扰。与外界无相互电磁干扰。(6)(6)结构形式多样化。结构形式多样化。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-4-第一节第一节 超声波电动机的基本结构超声波电动机的基本结构 超声波电动机的分类还没有统一的标准，按照驱动超声波电动机的分类还没有统一的标准，按照驱动转子运动的机理可分为转子运动的机理可分为驻波型驻波型和和行波型行波型两种。驻波型是两种。驻波型是利用与压电材料相连的弹性体内激发的驻波来推动转子利用与压电材料相连的弹性体内激发的驻波来推动转子运动，属间断驱动方式；行波型则是在弹性体内产生单运动，属间断驱动方式；行波型则是在弹性体内产生单向的行波，利用行波表面质点的振动轨迹来传递能量，向的行波，利用行波表面质点的振动轨迹来传递能量，属连续驱动方式。属连续驱动方式。目前，环形行波型超声波电动机的基目前，环形行波型超声波电动机的基础理论和应用技术均较为成熟。础理论和应用技术均较为成熟。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-5-环形行波型超声波电动机环形行波型超声波电动机的基本结构如图的基本结构如图9-19-1所示，所示，主要包括定子、转子、压力弹簧和转轴等部件。主要包括定子、转子、压力弹簧和转轴等部件。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-6-第二节第二节 超声波电动机的工作原理超声波电动机的工作原理一、逆压电效应简介一、逆压电效应简介 压电效应压电效应 是是 在在18801880年由法国的居里兄弟首先发现年由法国的居里兄弟首先发现的。一般在电场作用下，可以引起电介质中带电粒子的的。一般在电场作用下，可以引起电介质中带电粒子的相对运动而发生极化，但是某些电介质晶体也可以在纯相对运动而发生极化，但是某些电介质晶体也可以在纯机械应力作用下发生极化，并导致介质两端表面内出现机械应力作用下发生极化，并导致介质两端表面内出现极性相反的束缚电荷，其电荷密度与外力成正比。这种极性相反的束缚电荷，其电荷密度与外力成正比。这种由于机械应力的作用而使晶体发生极化的现象，称之为由于机械应力的作用而使晶体发生极化的现象，称之为正压电效应正压电效应。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-7-反之，将一块晶体置于外电场中，反之，将一块晶体置于外电场中，在电场的作用在电场的作用下，晶体内部正负电荷的重心会发生位移，这一极化位下，晶体内部正负电荷的重心会发生位移，这一极化位移又会导致晶体发生形变。这种由于外电场的作用而使移又会导致晶体发生形变。这种由于外电场的作用而使晶体发生形变的现象，称之为晶体发生形变的现象，称之为逆压电效应逆压电效应，也称为，也称为电致电致伸缩效应伸缩效应。正压电效应和逆压电效应统称为。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应压电效应。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-8-超声波电动机就是利用逆压电效应进行工作的超声波电动机就是利用逆压电效应进行工作的，图，图9-29-2进一步说明了逆压电效应的作用。进一步说明了逆压电效应的作用。当外电场的交变当外电场的交变频率与压电体的机械谐振频率一致时，压电体就进入机频率与压电体的机械谐振频率一致时，压电体就进入机械谐振状态，成为械谐振状态，成为压电振子压电振子。当振动频率在当振动频率在20kHz20kHz以上以上时，就属于超声振动时，就属于超声振动。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-9-二、椭圆运动及其作用二、椭圆运动及其作用 超声振动是超声波电动超声振动是超声波电动机工作的最基本条件，起驱机工作的最基本条件，起驱动源的作用。但是，并不是动源的作用。但是，并不是任意超声振动都具有驱动作任意超声振动都具有驱动作用，用，它必须具备一定的形它必须具备一定的形态，即态，即振动位移的轨迹是一振动位移的轨迹是一椭圆时，才具有连续的定向椭圆时，才具有连续的定向驱动作用驱动作用。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-10-那么，怎样才能形成椭圆运动呢？那么，怎样才能形成椭圆运动呢？设有两个空间相设有两个空间相互垂直的振动位移互垂直的振动位移u ux x和和u uy y，均是由简谐振动形成，均是由简谐振动形成，振动振动角频率角频率0 0为，振幅分别为为，振幅分别为x和和y，时间相位差为，时间相位差为，即即有有 （9-1）第九章第九章 超声波电动机超声波电动机)sin()sin(0yy0 xxtutu（9-2）22y2yyxyx2x2xsincos2uuuu-11-在上式中，当在上式中，当 时，两个位移为时，两个位移为同向运动，合成轨迹为一条直线；当同向运动，合成轨迹为一条直线；当 时，其轨迹时，其轨迹为一椭圆，并且在为一椭圆，并且在 时为一规则椭圆。时为一规则椭圆。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机),2,1,0(nnn2 n-12-由此可见，相位差由此可见，相位差 的取值就决定了椭圆运动的旋的取值就决定了椭圆运动的旋转方向，当转方向，当0 时椭圆运动为顺时针方向，时椭圆运动为顺时针方向，当当0时椭时椭圆运动为逆时针方向。圆运动为逆时针方向。由于椭圆运动的旋转方向决定了由于椭圆运动的旋转方向决定了定子对转子的拨动方向，所以也就决定了超声波电动机定子对转子的拨动方向，所以也就决定了超声波电动机的转子转向。的转子转向。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-13-三、行波的形成及特点三、行波的形成及特点 上面讨论的是一个质点椭圆运动的作用。单靠一个上面讨论的是一个质点椭圆运动的作用。单靠一个质点的椭圆运动还不足以推动转子并驱动一定的负载，质点的椭圆运动还不足以推动转子并驱动一定的负载，而而 应该依靠一系列质点的连续椭圆运动来推动转子旋应该依靠一系列质点的连续椭圆运动来推动转子旋转转，也就是说这些质点需要进行，也就是说这些质点需要进行行波性质行波性质的运动。的运动。根据波动学理论，两路幅值相等、频率相同、时间根据波动学理论，两路幅值相等、频率相同、时间和空间均相差和空间均相差/2/2的两相驻波叠加后，将形成一个合成的两相驻波叠加后，将形成一个合成行波。行波。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-14-如图如图9-5(a)9-5(a)所示，将极化方向相反的压电体依次粘所示，将极化方向相反的压电体依次粘贴在弹性体上，当在压电体极化方向施加交变电压时，贴在弹性体上，当在压电体极化方向施加交变电压时，压电体在长度方向将产生交替伸缩形变，在一定的激振压电体在长度方向将产生交替伸缩形变，在一定的激振电压频率下，弹性体上将产生如图电压频率下，弹性体上将产生如图9-5(b)9-5(b)所示的驻波。所示的驻波。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-15-其数学表达式为其数学表达式为 第九章第九章 超声波电动机超声波电动机txy0sin2sin（9-3）设在弹性体上同时存在两相驻波设在弹性体上同时存在两相驻波A A和和B B，它们的频率，它们的频率同为同为0 0，波幅同为，波幅同为，波长同为，波长同为，并且在时间和空间，并且在时间和空间上均相差上均相差/2/2，即，即 txytxy0B0Acos2cossin2sin（9-4）-16-其合成为其合成为 第九章第九章 超声波电动机超声波电动机AB02(,)cos()y x tyyxt（9-5）这是一个频率为这是一个频率为0 0、波幅为、波幅为、波长为、波长为的行波。的行波。-17-在环形行波型超声波电动机中，定子上的在环形行波型超声波电动机中，定子上的压电陶瓷压电陶瓷环是行波形成的核心，它的电极配置如图环是行波形成的核心，它的电极配置如图9-69-6所示。所示。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-18-由两个驻波叠加而形成行波，这在机理上与电机学由两个驻波叠加而形成行波，这在机理上与电机学中的旋转磁场理论有诸多相似之处。中的旋转磁场理论有诸多相似之处。由第四章由第四章“伺服电伺服电动机动机”知道，当在单相绕组中通入单相交流电流时产生知道，当在单相绕组中通入单相交流电流时产生的是脉振磁场，如果有两个匝数相同、空间互差的是脉振磁场，如果有两个匝数相同、空间互差9090电电角度的绕组，当在其中通入幅值相等、时间相位互差角度的绕组，当在其中通入幅值相等、时间相位互差9090的对称交流电流时，所产生的两个脉振磁场的合成的对称交流电流时，所产生的两个脉振磁场的合成就是一个圆形的旋转磁场，旋转磁场的转向取决于电流就是一个圆形的旋转磁场，旋转磁场的转向取决于电流的相序。的相序。在这里，弹性体中的驻波与单相脉振磁场相对在这里，弹性体中的驻波与单相脉振磁场相对应，而合成行波与旋转磁场相对应。应，而合成行波与旋转磁场相对应。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-19-四、转子运动速度四、转子运动速度 下面通过分析弹性体表面上任意一点的运动轨迹，下面通过分析弹性体表面上任意一点的运动轨迹，来确定转子运动的速度。来确定转子运动的速度。根据式（根据式（9-59-5），在任意时刻，弹性体表面上某点），在任意时刻，弹性体表面上某点P P的的纵向振动位移纵向振动位移为为第九章第九章 超声波电动机超声波电动机（9-6）)2cos(),(0ytxtxu设弹性体的厚度为设弹性体的厚度为h h，则，则P P点的点的横向振动位移横向振动位移为为 )2sin(),(2),(0 xtxhxtxyhtxu（9-7）-20-由以上两式，得由以上两式，得 第九章第九章 超声波电动机超声波电动机（9-8）22yx22(,)(,)1(/)ux tux th 由此可见，弹性体表面上任意一点的运动轨迹为椭由此可见，弹性体表面上任意一点的运动轨迹为椭圆形，这种椭圆运动使得弹性体表面质点对转子产生连圆形，这种椭圆运动使得弹性体表面质点对转子产生连续的续的定向拨动作用定向拨动作用，且转子的运动方向与行波方向相且转子的运动方向与行波方向相反，如图反，如图9-79-7所示。所示。显然，如果改变激振电源的电压极显然，如果改变激振电源的电压极性，便可以改变转子的运动方向。性，便可以改变转子的运动方向。-21-第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-22-根据式（根据式（9-79-7），弹性体表面质点的横向运动速度为），弹性体表面质点的横向运动速度为 第九章第九章 超声波电动机超声波电动机（9-9）横向速度的最大值应出现在行波的波峰或波谷处，横向速度的最大值应出现在行波的波峰或波谷处，此时的表面质点没有纵向速度，且横向速度与行波方向此时的表面质点没有纵向速度，且横向速度与行波方向相反。若定、转子接触面之间没有滑动，则转子的运动相反。若定、转子接触面之间没有滑动，则转子的运动速度与波峰处质点的横向速度相等，其值为速度与波峰处质点的横向速度相等，其值为 )2cos(),(),(00 xxtxhttxutxv0rxmaxhvv（9-10）负号表示转子的运动方向与行波方向相反负号表示转子的运动方向与行波方向相反 -23-设行波在定子弹性体中的传播速度为设行波在定子弹性体中的传播速度为v v，第九章第九章 超声波电动机超声波电动机这样，转子运动速度又可写为这样，转子运动速度又可写为（9-12）200 fv（9-11）激振电压频率激振电压频率 002f22r02hvfv-24-可见，在行波传播速度可见，在行波传播速度v v为恒值的情况下，为恒值的情况下，改变激改变激振电压的频率振电压的频率f f0 0可以快速改变转速，但存在一定的非线可以快速改变转速，但存在一定的非线性。而改变激振电压的大小，即改变行波的振幅性。而改变激振电压的大小，即改变行波的振幅，也，也可以改变转速。可以改变转速。如果忽略压电体逆压电效应的非线性，如果忽略压电体逆压电效应的非线性，则转速可以随激振电压作线性变化，这是超声波电动机则转速可以随激振电压作线性变化，这是超声波电动机变压调速的特点。变压调速的特点。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-25-五、工作特性五、工作特性 一般而言，超声波电动机的工作特性与电磁式直流一般而言，超声波电动机的工作特性与电磁式直流伺服电动机类似，伺服电动机类似，电动机的转速随着转矩的增大而下电动机的转速随着转矩的增大而下降，并且呈现一定的非线性。而超声波电动机的效率则降，并且呈现一定的非线性。而超声波电动机的效率则与电磁式电机不同，与电磁式电机不同，最大效率出现在低速、大转矩区最大效率出现在低速、大转矩区域域，如图，如图9-89-8所示。因此，所示。因此，超声波电动机非常适合低速超声波电动机非常适合低速运行运行。总体而言，超声波电动机的效率较低，这是它的一总体而言，超声波电动机的效率较低，这是它的一个缺点。目前，环形行波型超声波电动机的效率一般不个缺点。目前，环形行波型超声波电动机的效率一般不超过超过50%50%。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-26-第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-27-第三节第三节 超声波电动机的驱动控制超声波电动机的驱动控制一、调速控制方法一、调速控制方法 （1 1）变频控制）变频控制 变频调速超声波电动机最为合适，因为电动机工作变频调速超声波电动机最为合适，因为电动机工作在谐振点附近，通过调节谐振点附近的频率可以快速控在谐振点附近，通过调节谐振点附近的频率可以快速控制电机的转矩和转速，并且易于实现低速起动。由于工制电机的转矩和转速，并且易于实现低速起动。由于工作时谐振频率可能有漂移，要求有自动跟踪频率变化的作时谐振频率可能有漂移，要求有自动跟踪频率变化的反馈回路。反馈回路。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-28-（2 2）变压控制）变压控制 改变激振电压的幅值可以直接改变行波的振幅，从改变激振电压的幅值可以直接改变行波的振幅，从而达到调速的目的，并且调节特性线性度较好。但在实而达到调速的目的，并且调节特性线性度较好。但在实际应用中一般不采用变压调速方案，因为这种方案低速际应用中一般不采用变压调速方案，因为这种方案低速时转矩小，不易起动。如果电压过低压电体有可能不起时转矩小，不易起动。如果电压过低压电体有可能不起振，而电压过高又有可能击穿压电体。振，而电压过高又有可能击穿压电体。（3 3）相位差控制）相位差控制 改变两相激振电压的相位差可以改变定子弹性体表改变两相激振电压的相位差可以改变定子弹性体表面质点的椭圆运动轨迹，从而改变电动机的转速。这种面质点的椭圆运动轨迹，从而改变电动机的转速。这种方案的优点是可以方便地控制电动机的转向，但缺点是方案的优点是可以方便地控制电动机的转向，但缺点是低速起动困难，并且实现电路较为复杂。低速起动困难，并且实现电路较为复杂。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-29-二、驱动控制电路二、驱动控制电路 超声波电动机利用摩擦传动，定、转子间的滑动情超声波电动机利用摩擦传动，定、转子间的滑动情况不能完全确定。因此，要实现对超声波电动机转速的况不能完全确定。因此，要实现对超声波电动机转速的精确控制，必须采用精确控制，必须采用闭环控制系统闭环控制系统。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-30-由于超声波电动机强烈的非线性，其控制不同于常由于超声波电动机强烈的非线性，其控制不同于常规的电磁式电动机，这主要是因为超声波电动机靠磨擦规的电磁式电动机，这主要是因为超声波电动机靠磨擦传动，定、转子之间的滑动率不能完全确定，并且谐振传动，定、转子之间的滑动率不能完全确定，并且谐振频率本身又会随着温度而变化，导致系统参数及其控制频率本身又会随着温度而变化，导致系统参数及其控制特性都会改变。因此，特性都会改变。因此，实际上超声波电动机的控制是十实际上超声波电动机的控制是十分复杂的分复杂的，其控制策略的研究吸引了不少学者，目前仍，其控制策略的研究吸引了不少学者，目前仍处于探索与发展之中。处于探索与发展之中。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-31-第四节第四节 超声波电动机的应用超声波电动机的应用 一、超声波电动机与电磁式电动机的比较一、超声波电动机与电磁式电动机的比较 （1 1）基础理论）基础理论 超声波电动机是超声波电动机是基于刚体的波动理论基于刚体的波动理论，利用压电晶，利用压电晶体的逆压电效应实现电能到机械能的转换。由于超声波体的逆压电效应实现电能到机械能的转换。由于超声波电动机的定、转子之间没有气隙，其能量完全是通过刚电动机的定、转子之间没有气隙，其能量完全是通过刚体的变形和接触来传递的，所以超声波电动机的基础理体的变形和接触来传递的，所以超声波电动机的基础理论是机械波动理论；电磁式电动机是论是机械波动理论；电磁式电动机是基于传统的电磁感基于传统的电磁感应理论应理论，其能量是通过定、转子之间的气隙来传递的，其能量是通过定、转子之间的气隙来传递的，即电磁转矩是由励磁磁场中的通电电枢导体而产生，所即电磁转矩是由励磁磁场中的通电电枢导体而产生，所以电磁式电动机的基础理论是电磁场理论。以电磁式电动机的基础理论是电磁场理论。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-32-（2 2）运行特性）运行特性 超声波电动机的突出优点就是能实现低转速、大转超声波电动机的突出优点就是能实现低转速、大转矩的负载运行，但其缺点也比较明显，主要是超声波电矩的负载运行，但其缺点也比较明显，主要是超声波电动机是依靠机械摩擦来传递能量，不仅电动机的效率较动机是依靠机械摩擦来传递能量，不仅电动机的效率较低，而且使用寿命也较短。据统计，超声波电动机的平低，而且使用寿命也较短。据统计，超声波电动机的平均寿命大约为均寿命大约为20002000小时，小时，与电磁式电动机相比，长时间与电磁式电动机相比，长时间工作的能力还较欠缺。工作的能力还较欠缺。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-33-（3 3）控制特性）控制特性 从理论上来说，从理论上来说，目前超声波电动机还没有一个能准目前超声波电动机还没有一个能准确描述其定子振动过程和转子运动过程的数学模型。确描述其定子振动过程和转子运动过程的数学模型。由由于压电材料的非线性、摩擦发热、摩擦滑动和环境温度于压电材料的非线性、摩擦发热、摩擦滑动和环境温度等的影响，驱动转子的摩擦力将产生严重的非线性变化，等的影响，驱动转子的摩擦力将产生严重的非线性变化，这种变化使得精确控制电机转速的难度大大增加。另外，这种变化使得精确控制电机转速的难度大大增加。另外，由于压电材料特性的不同，每台超声波电动机的驱动电由于压电材料特性的不同，每台超声波电动机的驱动电源都不相同，这样电机和电源必须一一配套，不利于大源都不相同，这样电机和电源必须一一配套，不利于大规模生产。规模生产。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-34-二、超声波电动机应用实例二、超声波电动机应用实例 尽管超声波电动机在一些方面还不尽人意，各类标尽管超声波电动机在一些方面还不尽人意，各类标准还没有统一，但是由于其特色鲜明，优点突出，经过准还没有统一，但是由于其特色鲜明，优点突出，经过2020多年的研究和发开，已经在航空航天、机器人、精密多年的研究和发开，已经在航空航天、机器人、精密仪器、医疗设备和影像设备等诸多领域得到了重要的应仪器、医疗设备和影像设备等诸多领域得到了重要的应用。下面介绍几个应用实例。用。下面介绍几个应用实例。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-35-1.1.用于机器人关节驱动用于机器人关节驱动第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-36-2.2.用于汽油发电机的油门调节用于汽油发电机的油门调节第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-37-3.3.用于照相机的自动调焦用于照相机的自动调焦第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-38-本章小结本章小结 超声波电动机是一种新原理、新结构的控制电机，超声波电动机是一种新原理、新结构的控制电机，它利用压电晶体的逆压电效应实现电能到机械能的转换，它利用压电晶体的逆压电效应实现电能到机械能的转换，其基础理论完全不同于传统的电磁式电动机。本章主要其基础理论完全不同于传统的电磁式电动机。本章主要介绍了行波型超声波电动机的基本结构、工作原理和驱介绍了行波型超声波电动机的基本结构、工作原理和驱动控制。动控制。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-39-环形行波型超声波电动机环形行波型超声波电动机的特点就是在与压电晶体的特点就是在与压电晶体紧密相连的环形弹性体内激发单向运动的行波，利用行紧密相连的环形弹性体内激发单向运动的行波，利用行波表面质点的椭圆振动来带动转子转动。这个行波是由波表面质点的椭圆振动来带动转子转动。这个行波是由两路幅值相等、频率相同、时间和空间均相差两路幅值相等、频率相同、时间和空间均相差/2/2的两的两相驻波叠加而成的，为此需要在环形压电晶体的极化方相驻波叠加而成的，为此需要在环形压电晶体的极化方向上同时施加两相时间和空间均相差向上同时施加两相时间和空间均相差/2/2的交流激励电的交流激励电压。压。这种工作机制与两相对称交流绕组产生圆形旋转磁这种工作机制与两相对称交流绕组产生圆形旋转磁场是非常相似的场是非常相似的。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机-40-超声波电动机必须配有专用的驱动电源，因此它是超声波电动机必须配有专用的驱动电源，因此它是一种一种机电一体化产品机电一体化产品。其调速控制可通过变压、变频和。其调速控制可通过变压、变频和变相位差来实现。变相位差来实现。变频控制变频控制可以充分利用超声波电动机可以充分利用超声波电动机低速大转矩、动态响应快等优点，且具有较高效率，因低速大转矩、动态响应快等优点，且具有较高效率，因而成为首选。变压调速线性度较好，但低速特性较差；而成为首选。变压调速线性度较好，但低速特性较差；相位差控制可平滑调速和改变转向，适用于需要柔顺驱相位差控制可平滑调速和改变转向，适用于需要柔顺驱动的场合。动的场合。本章最后对超声波电动机与电磁式电动机进行了比本章最后对超声波电动机与电磁式电动机进行了比较，并介绍了超声波电动机的一些实际应用，其中引人较，并介绍了超声波电动机的一些实际应用，其中引人注目的是注目的是 多自由度超声波电动机用于机器人的关节驱多自由度超声波电动机用于机器人的关节驱动动。第九章第九章 超声波电动机超声波电动机