超聲電機機電耦合動力系統及其建模方法綜述
陳波，趙向東，王育平
（山東科技大學，泰安271019）
摘要：以旋轉行波型超聲電機為例，初步構建了超聲電機理論體系，系統地提出并闡述了超聲電機機電耦合動力系統的構成、模塊劃分及其在整個超聲電機理論體系中的關鍵地位，分析并指出了超聲電機機電耦合動力系統建模的思想方法、技術路線和實現措施，提出了超聲電機需進一步研究的關鍵技術問題。
關鍵詞：超聲電機；機電耦合動力系統；理論體系；數學模型
中圖分類號：tm359. 9 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848(2010)05-0086-03
o引 言
隨著材料科學、控制技術、現代加工制造技術的發展，超聲電機由于其固有的優越性具有極大的發展潛力。目前，國際國內都當作重點課題加以研究，被稱為面向21世紀的電機產品。但由于我國超聲電機研究起步較晚，目前開發出的原型機普遍存在性能不穩，效率低、機械特性難以預測、難以實現精確控制等問題，離實際應用標準尚有一定的差距。國外雖然有些論著有所涉及，但至今超聲電機的理論體系還沒有構建起來。為了開發出效率高、性能好、運轉穩定、可產業化的超聲電機產品，對超聲電機進行深入系統的研究仍然是必要的。
1 機電耦合動力系統的模塊劃分
綜合考慮超聲電機及其動力學行為，可發現這是一個機、電、控耦合的復雜的動力學系統。可大致分成機電耦合系統和驅動控制系統兩大部分，如圖1所示。
驅動、控制系統主要由驅動電路及控制電路組成。驅動電路的作用是為壓電材料提供適宜的電壓／電流，以便達到****的驅動效果。控制電路的作用是利用反饋信號檢測器（如行波超聲電機的孤極）和檢測轉子運動的傳感器（如光電編碼器）等，實時地檢測定子的振動狀態和轉子的運動狀態，并通過調整驅動電壓／電流的幅值、相位、頻率來對電機進行控制。
超聲電機的機電能量轉換是利用壓電材料的逆壓電效應實現的，它將所施加的電量（電壓）轉換成機械量（變形）。而電機動力的輸出包含兩個過程：
①將壓電材料的機械變形轉換成定子的超超聲電機機電耦臺動力系統及其建模方法綜述陳波，等聲振動，并使定子產生行波，從而使定子表面質點產生橢圓軌跡運動；
②利用定子表面質點的橢圓軌跡運動，通過定、轉子之間的摩擦將其切向力傳輸給轉子，以帶動負載。
超聲電機機電耦合系統指的就是上述能量轉換及動力傳遞、輸出的整個過程及其實現手段，其核心就在于定子表面質點橢圓運動的激發及動力和運動的摩擦傳遞，實質上也就是預期振動模態的激發以及振動能量的動力和運動輸出。這也正是建模研究的主要內容。
機電耦合系統又可進一步劃分為定子共振模塊和摩擦驅動模塊。前者主要是指壓電陶瓷復合定子，后者主要是指定轉子間的摩擦界面及其帶動的轉子。定子是超聲電機的核心部分，由壓電材料與其它材料（一般為金屬）固接在一起構成復合結構，其主要功能是產生某一特定模態的超聲共振。由于在壓電材料中存在機電耦合現象，即把交流電壓加到壓電振子上利用逆壓電效應激發振子產生機械振動的同時，機械振動又通過正壓電效應產生反饋電流。只有當外加交變電壓的頻率與定子的共振頻率一致時，外加電流與反饋電流同相疊加，壓電材料的激振效果才能得以充分發揮，定子振幅達到****。不同型式的超聲電機對壓電振子的振動模態右不同的要求，如行波型電機利用的是壓電振動的te模態，即平行于電場方向的伸縮振動。故此對定子的振動模態進行充分的分析是該模塊研究的中心內容，壓電陶瓷復合定子的形狀、尺寸等應最有利于該模態的機電能量轉換，而壓電材料的分割、極化、配置等也是圍繞這一目的進行的。
2超聲電機建模方法研究
超聲電機機電耦合動力系統建模實質上包含兩個方面：
一是系統集成問題，即把動力系統當作一個整體傳遞函數來看，建立電量輸入與動力輸出間的直觀聯系，以便實現對電機的控制；
二是分立模塊問題，即將各機構裝置的幾何及材質參數同它們的動力學行為緊密地結合起來，使其因果關系能 |
