超聲波電動機(jī)控制技術(shù)研究的發(fā)展及現(xiàn)狀

胡敏強(qiáng)  石  斌錢俞壽（東南大學(xué)南京210096）

 

摘  要  綜述目前超聲波電動機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r，著重介紹超聲波電動機(jī)控制方法、控制策略方面的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。

敘  詞  超聲波電動機(jī)控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

    超聲波電動機(jī)簡稱usm是一種利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激發(fā)超聲振動，通過摩擦耦合驅(qū)動，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出的新型直接驅(qū)動電機(jī)。usm性能****，具有諸如低速大轉(zhuǎn)矩、功率密度大、無電磁干擾、動態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)行無噪聲等特點(diǎn)。在非連續(xù)運(yùn)動領(lǐng)域及精密控制領(lǐng)域，usm要比普通的電磁電機(jī)優(yōu)越的多。在工業(yè)控制系統(tǒng)、汽車專用電器、精密儀器儀表、辦公自動化設(shè)備、智能機(jī)器人等領(lǐng)域，usm有廣闊的應(yīng)用前景。

    1980年，日本的t．sashida設(shè)計(jì)制造了第一臺能滿足實(shí)用要求的usm電機(jī)之后，usm就倍受科技界和工業(yè)界的重視，掀起了研究浪潮，成為當(dāng)前電氣工程領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前，日本在usm的研究及應(yīng)用江蘇省青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目：bq96010領(lǐng)域處于世界****地位。我國于90年代初開始步入usm的研究行列，開展了usm的理論及實(shí)驗(yàn)研究與殲發(fā)，已取得了可喜的成果。隨著大量的不同的結(jié)構(gòu)的usm的開發(fā)和基礎(chǔ)理論研究的深入以及usm的商業(yè)化，目前在日本usm的研究更多地側(cè)重于usm的控制技術(shù)研究和控制裝置的開發(fā)。

    usm作為一種新型的小電機(jī)，其本身的技術(shù)發(fā)展就離不開電子控制和驅(qū)動，以電機(jī)本體很難確定電機(jī)的性能、價(jià)格和功能。控制技術(shù)的好壞，關(guān)系到能否充分發(fā)揮usm****性能，會直接影響usm的應(yīng)用和推廣，因而開展usm控制方面的研究是非常重要的。

    usm與傳統(tǒng)的電機(jī)不同，無繞組和磁極，無需通過電磁作用產(chǎn)生運(yùn)動力。它一般由振動體（相當(dāng)于傳統(tǒng)電機(jī)中的定子，由壓電陶瓷和金屬彈性材料制成）和移動體（相當(dāng)于傳統(tǒng)電機(jī)中的轉(zhuǎn)子，由摩擦材料及塑料等制成）組成。在振動體的壓電陶瓷振子上加高頻交流電壓時(shí)，利用逆壓電效應(yīng)或電致壓縮效應(yīng)產(chǎn)生幾十千赫的超聲波振動，將這種振動通過振動體與移動體間的摩擦耦合，變換成移動體的旋轉(zhuǎn)或直線型運(yùn)動。

    對于行波型usm，通過對usm定子兩相壓電元件施加具有一定相位差的高頻交流電壓，可在定子中激發(fā)一行波，定子表面質(zhì)點(diǎn)作與波行進(jìn)方向相反的橢圓運(yùn)動，若將轉(zhuǎn)子壓在定子上，則兩者僅在（行波）波峰點(diǎn)接觸，受摩擦力的作用，轉(zhuǎn)子向行進(jìn)波的反方向移動。依靠行波驅(qū)動方式可連續(xù)地對轉(zhuǎn)子施加驅(qū)動力，改變波的方向，即可改變轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向。

    通過改變激勵usm定子兩相電壓的幅值，調(diào)節(jié)兩相相位差及驅(qū)動頻率，可以控制行波波峰點(diǎn)的速度，進(jìn)而達(dá)到控制usm電機(jī)運(yùn)動特性的目的。由于行波型usm是所有類型中結(jié)構(gòu)******、用途****、商業(yè)化最早的一種，因而目前的usm控制技術(shù)和控制器的研究多是針對行波型usm而言的。

    由usm定義及其基本工作原理可知，在usm中存在兩個(gè)能量轉(zhuǎn)化過程，一個(gè)是電能通過壓電元件的逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為超聲振動機(jī)械能的機(jī)電耦合過程；另～個(gè)是由振動的機(jī)械能通過摩擦耦合轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)械能的運(yùn)動耦合過程。對于usm的控制，控制量的選取要考慮到控制量與這兩個(gè)能量轉(zhuǎn)化過程有關(guān)。即可以通過改變機(jī)電耦合過程及定轉(zhuǎn)子相互作用的運(yùn)動耦合過程控制電機(jī)的性能指標(biāo)。在直接驅(qū)動的伺服控制系統(tǒng)中常需要對usm的位置、速度和力矩進(jìn)行控制，這可通過改變定子環(huán)的振動改變定子表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動軌跡形狀和大小進(jìn)行控制（見表1）。

    超聲波電動機(jī)的速度控制可采用改變電壓、頻率、相位差實(shí)現(xiàn)；也可以通過改變通電時(shí)間（低頻調(diào)節(jié)占空比）實(shí)現(xiàn)調(diào)速。超聲波電動機(jī)的位置控制可通過位置傳感器進(jìn)行反饋控制；轉(zhuǎn)矩大小可由相位差控制實(shí)現(xiàn)。電機(jī)轉(zhuǎn)向的改變可通過改變兩相供電電源相位實(shí)現(xiàn)。本文對現(xiàn)有usm的幾種控制方法的性能進(jìn)行了分析比較，結(jié)果如表1所示。

    由表1可見，變頻控制最適合于超聲波電動機(jī)的控制，它一方面可充分利用超聲波電動機(jī)的低速大轉(zhuǎn)矩、動態(tài)快速響應(yīng)、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能保持較高的工作效率。相位差控制技術(shù)可無切換地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的平滑改變，通過控制相位差控制