复合型超声波电机的设计制作及控制分析

金立峰 绍兴市科技信息研究院 312000

【文章摘要】

超声波电动机是目前应用较为广泛的一种全新概念的微特电机，有多重应用优势。本次研究结合超声波电动机的构成和工作原理以纵扭复合型超声波电动机为例对其设计和控制进行了分析。

【关键词】

超声波电机；工作原理；设计执着；控制策略；优势

超声波电动机（简称USM)）目前是研究领域重点深入研究实践的一种全新概念的微特电机，通过利用压电材料的逆压电效应促使振动机在超声波段内产生持续振动从而借由动子与定子之间的摩擦实现能量的生成和输送，它与传统磁式电机相比具有多重优越性，因而现在应用愈加广泛。关于超声波电动机的设计、研究和控制也逐步深入。下面我们对复合型超声波电机的设计制作和控制进行分析。

1 超声波电机的构成和工作原理

超声波电动机是由动子（也称转子，移动体）和定子（振动体）两部分构成，与传统电磁式电机不同，它内部并没有线圈和永磁体，而是由压电陶瓷(PC) 和弹性体（EB）构成，二者在强大的压力下紧密接触，在摩擦材料的辅助下能够尽可能的减少磨损，实现能量输出，目前已经广泛应用于各个领域。超声波电机运作中，高频电压形成驻波，压电陶瓷粘附于弹性体上，在施加交变电压的过程中压电陶瓷出现交替伸缩变形现状，在保持特定电压和频率的情况下，这个过程用计算方程式可表述为：行波的形成与两驻波相关，我们假设两驻波A 与B 的振幅同为 ，二者空间和时间上分别相差90°，其形成过程可用方程式表述为：

在弹性体中，这两个驻波的合成为一行波，其方程式可表述为：

2 复合型超声波的设计制作与控制

基于以上超声波电机的工作原理，关于复合型超声波电机的设计制作和控制可以其为参考进行。我们选择驻波型电动机中的旋转式，根据激励两个驻波方式的不同采用纵扭复合型为设计和控制对象。

纵扭复合性超声波电机是利用弹性体激发电波完成能量生成，配合弹性体表面的质点运动完成能量输送，所以其设计需要通过激发并合成相互垂直的连个驻波，并且促使其弹性体表面的质点做椭圆运动轨迹，以完成能量的生成和输送。设计中，其电动机结构要采用两个独立的振子构成定子，通过振子控制转子与定子之间的正压力（即摩擦力），通过控制扭转振子控制输出转矩，这样做的好处在于能够分别独立控制两种复合运动，工作稳定，输出转矩大，并且可进行双向运动，有着多重优势。我们结合超声波电动机的工作原理进行设计，假设两个振子分别为A 和B，其空间间隔为= /4，那么振子的驻波形成过程可用方程表示为：假设定子表面质点的纵向振动位移，其可表示为：定子表面质点的、运动轨迹方程式为：当时定子表面质点的、运动轨迹方程式为：可见如同我们所设计的那样，质子的运动轨迹为椭圆。当质子运动到椭圆轨迹的最高点时（即波峰处），横向位移最大，而纵向位移u 为零，利用, 即：此时获得最大值：根据以上方程，可知两相电压的频率、幅值和相位差出现变化，质子的纵向运动速度也会出现变化，例如：上式中负号表示质子运动到椭圆最高点时，其运动方向与驻波行波前进方向恰巧相反。目前超声波电机的控制策略有多种，常见几种控制策略的控制特点和不足之处见下图。通过以上利弊分析，我们可以选择双模模糊控制策略，选用数字信号处理运算的微控制器DSP 控制为基准，其作为超声波电机系统的控制单元，能够产生满足电机谐振频率的高频的方波信号，经过前级驱动电路来控制MOSFET 的开关，由此产生两路高频的方波来驱动超声波电机，由此实现电机的正、反转控制。以上设计能够在满足应用需求的情况下最大限度的规避各类问题。总之，超声波电机将超声振动、电致伸缩和波动原理等众多概念联合运动形成了一种全新概念的电动机，能够提供低速大转矩，振动振幅小，振动速度小，低转速带来足够压力时可不断增大转矩，适应性非常好；且这种电机的构成不需要采用永磁体和线圈等，有效缩小了电动机的体积和重量，且不影响其转矩功率，无疑是未来电动机的主流发展形式；因为电动机的工作原理主要是依靠摩擦力来驱动，所以运动惯性小，相应速度快，无论是起动还是停止时间都很快，所以可以实现高精度的控制需求，且不受电磁环境影响，在对电磁干扰要求较为严格的环境中也可顺利工作；在设计时，超声波电机的驱动部分可根据实际需求进行灵活调整，设计自由度较高，形式灵活，无疑进一步增强了其适用性。当前，超声波电机已经广泛应用于精密定位、航天、医疗器械、汽车、机器人和微型机械等领域，比如核弹头、探测器、宇宙飞船、自动聚焦单镜头反射式照相机等，无疑应用潜力十分巨大，应用前景十分广阔。

【参考文献】

[1] 姜楠, 方光荣, 刘俊标, 束娜. 国内外超声波电动机驱动技术的最新进展[J]. 微特电机,2011(9).

[2] 赵淳生, 李朝东. 口本超声电机的产业化、应用和发展[J]. 振动、测试与诊断,2009(1).