核心提示：　　利用壓電材料具有的逆壓電效應，即在交變電場作用下，壓電材料會產生伸縮現象，通過各種伸縮振動模式的轉換與耦合，將電能直接轉變成機械振動能，并利用摩擦轉變成旋轉或其它方式運動的驅動裝置。與電磁型電機相

　　利用壓電材料具有的逆壓電效應，即在交變電場作用下，壓電材料會產生伸縮現象，通過各種伸縮振動模式的轉換與耦合，將電能直接轉變成機械振動能，并利用摩擦轉變成旋轉或其它方式運動的驅動裝置。與電磁型電機相比，具有以下的特點：①結構緊湊簡單，根據驅動結構要求可嵌入，可與系統一起集成，如Canon相機自動變焦鏡頭，其電機為兩個定轉子圓環，可與鏡頭集成在一起，圓環中間可通過光線；②能量密度是電磁型電機的5倍，是典型的低速大力矩電機，可用于直接驅動，因此可減輕飛行物的重量，用于航空航天領域另外，也較適合空間特殊環境；③易調速，低速區平穩無脈動，但在控制上又可實現步進驅動，而且定位精度高，④停電后具有摩擦自鎖功能，且因在高頻域振動，能量衰減極快，有極高動態響應特性（機械時間常數在數個ms以內），故易實現高精度的速度和位置伺服控制；⑤無齒輪減速裝置產生的間隙，可精確定位；⑥有與直流電機相似的下垂的轉矩轉速特性；⑦由于無鐵心和線圈，因此抗電磁干擾性強，即電磁兼容性（EMC）妊其不足之處是：①制造成本相對較高，但批量生產時成本可大幅度降低；②因為靠摩擦驅動，摩擦材料的壽命問題，會影響電機的工作壽命，目前行波型超聲波電機連續運行的壽命已達600Ch，縱扭復合型超聲波電機亦已在。復合型超聲波電機的兩PZT振子分別激發兩個相互垂直且同頻的強迫振動，兩種振動可單獨調節。扭振子產生扭轉振動，用以驅動轉子輸出力矩，縱振子產生軸向振動，以控制定子和轉子間的摩擦力，實現將交變的扭轉振動轉換成轉子單方向的旋轉運動，其過程類似整流過程根據扭轉振動與轉子運動方向的異同，復合型超聲波電機在一個振動周期內的運動可分為兩個過程：在扭轉振動正半周（2卜（3），扭轉振動的方向與轉子旋轉的方向相同，縱振動沿軸向伸長，軸向位移如箭頭所示，定轉子間逐漸緊密接觸，定子彈性體的扭轉振動通過摩擦耦合傳遞到轉子，驅動轉子旋轉；在扭轉振動負半周（3h（1），扭轉振動的方向與轉子旋轉的方向相反，縱振動的方向與前半周相反，沿軸向縮短，定轉子快速脫離。由于縱、扭轉振動在正半周和負半周內不同的疊加效果，形成了轉子單向的旋轉運動。這種超聲波電機的特點是能夠獨立地改變扭轉壓電陶瓷振子和疊層壓電陶瓷的驅動電壓，控制表面質點的振動軌跡，從而能夠很好地控制電機轉速和轉向，低速運行穩定。由于轉矩由單獨的振子產生，特別是定轉子斷續面接觸驅動，故易于實現低速大力矩輸出2電機結構和調諧縱扭復合型超聲波電機由于需要縱扭同頻振動共同作用，為使兩振動的振幅都較大，電機工作在縱扭振動的諧振點或接近諧振點，所以必須使電機結構的縱扭兩振動諧振點一致或接近，這就是縱扭復合型超聲波電機的調諧問題但由于縱、扭振動在定子的聲傳遞速度不同，造成縱、扭振子的諧振頻率不同，對于等截面定子，同階諧振頻率縱振大于扭振，一般為1.6倍另外，也很難用其縱、扭振子的高階頻率，因為頻率一高，定子表面的振幅很小，使得轉子無法把定子振動能量通過摩擦接觸面取出，所以最初研制的電機，其工作在扭振子一階諧振頻率上，而縱振子則通過疊層壓電堆使其有較大的縱振振幅181，但這種壓電堆的粘接困難，且因承受剪力作用，有強度問題因此很自然地提出了把定子作為縱振子（亦可扭振子），轉子作為扭振子（或縱振子），其定轉子可根據工作頻率設計思想，這種電機，因轉子需要電刷導電使結構相對較復雜，而且樣機的bookmark1振動能量集中到一點或微小局部（往往變幅桿頂端的直徑與壓電片的直徑相比小很多），相似地，采用定子階梯軸結構來降低縱振頻率提高扭振頻率，這樣定子表面的軸徑要比壓電片的直徑小，提高了電機轉速，但降低了電機的力矩，而對超聲波電機要得到大力矩盡量要把振動能量傳到大的圓環上另外，通過配重塊來調節縱振動頻率亦是一法，但使系統的質量增力P.我們提出的定子結構外直徑與壓電片是一致的，內部則是中空變截面結構，如所示，這不僅可使縱扭振動的諧振頻率接近，還可提高扭轉振幅定子中縱扭壓電片的位置其影響較大，過去的方法是把縱扭壓電片安裝在定子中各自振動的節面上，但由于電機轉子壓緊力和轉子負載等的影響，其效果并不好，實際應考慮定轉子耦合下的振動節面，由于影響因素眾多，要完全理清有一定難度，但可根據等效參數法估算，從定轉子的相互耦合和負載的影響等多角度分析考慮另一方面，從數據采集卡用PCL-818，卡上有I/O功能的接口和三個定時器/記數器可供使用。，從測試結果看，瞬態過程與理論分析是一致的，負載時的瞬態特性正如前述，是通過大電壓實測的（大電流實測與小電流下掃頻得到的有一定的出入，采用HP4192得到的縱扭振一階諧振頻率4kHz，應以大電流時為準），縱扭振的一階諧振頻率分別為223kHz和20.5kHz，兩者十分接近，相差僅1.1倍，這表明前述的設計方法和采用中空變截面結構較成功。實驗可見，扭振子有反諧振點，而縱振子基本沒有。頻率變化對縱振子和扭振子影響不同，頻率變化對縱振子影響較大，縱振動的電壓變化明顯，對扭振子的影求而定。

　　中，單片機系統主要負責信號發生器產生的小信號至力率放大器之間的通斷，而PC機則應甩另外，文中響較小。且定轉子壓緊力增加有助于提高縱扭振子的諧振頻率從電機工作頻率看，在合適的預壓力下，縱扭復合型超聲波電機的工作頻率很寬，從25.4kHz，約有7kHz左右的工作頻域，且運轉都較平穩，但在扭振子諧振頻率附近機械特性最好。這說明雖然縱扭復合型超聲波電機的工作頻率很寬，但仍然要選取合適的工作頻率以獲得更好的工作特性，實際電機的工作頻率選擇在20~ 21kHz范圍，這時電機工作在諧振（扭振）和非諧振（縱振子）點運行，但這時縱振動的振幅仍較大，故有較大的力矩輸出7高精度步進定位控制策略超聲波電機具有強非線性，較難建立其控制模型，傳統的電磁感應電機的定位控制方法不太適甩另外，大部分超聲波電機的驅動器中的信號發生器部分沒有程控接口，多為固定參數或手動調節，即使有程控接口時，如串口通信，也不適宜于實時控制因此研究一種對控制電路要求低控制精度高的控制策略方法具有現實意義，為此我們提出了步進定位控制策略與步進電機給一個脈沖信號有一恒定轉角（其大小由電機結構決定）不同，超聲波電機當給它一個正弦波（或方波）信號激勵時，此時電機能轉過一定大小的角度，但轉角大小依賴于電機性能和負載等，且轉角較小難于測量，但若一次連續發送N個正弦波或方波），此時超聲波電機將向前轉過一個角度，若繼續發送N個波形，電機又將轉過一個角度。其機理是繼續發送N個波形的時間內，電機按起動特性曲線加速上升，關斷后按關斷特性曲線下降至停止，這時起動和關斷特性曲線所圍的面積就是電機的“步進角”實驗表明，當電機的運行特性穩定且負載恒定時，電機的運行步距是比較均勻的，但其步距角與負載特性直接有關，由于負載下轉速減小，其“步距角”也更小。實驗測得空載和負載下聲波電機當作步進電機使用，但對超聲波電機，其所謂的“步距角”是可變的，與波數和負載有關，這樣，為實現電機的精密定位，可采用步進定位控制策略實驗中步與步之間的時間間隔要合適，太短電機會產生噪聲，太長會延長精確定位時間，要根據實際要責對超聲波電機轉動角度的計算，并且根據算法向單片機給出指令?？刂扑惴ǖ幕舅悸啡缦拢焊鶕ㄎ灰蟀央姍C的運行位置分為三類：1.未接近要求位置；2.已接近要求位置；3.已到達要求位置。在第一種情況下，電機連續運行，到達第二種情況時，電機從連續運行變為步進運行，直到第三種情況出現停止運行。顯然，這里有二個重要參數需要設定，第一個參數是當接近目標改為單步走有提前量，由于電機關停過程會有一個關停轉角，提前量必須大于關停轉角，但又要使兩者接近，這樣，定位時間就短第二個參數是每步波數N，N越大步距角越大，定位精度越低，N越小則定位時間越長，定位精度越高，另外選擇N時還要考慮使平均定位誤差接近于零，這可通過實驗確定在測試系統中，單步運行由單片機獨立控制，N的記數由單片機定時計數器測定電機的連續、單步和停止指令通過PC工控卡的I/O口與單片機的I/O口通信，指令時間一般在幾個微秒，遠小于一個信號波的周期（驅動頻率為20kHz時，即周期為50微秒），因此，完全滿足實時控制要求可從0.01°至任意大小。表2列出定位要求為90°時的實驗結果，實驗重復次數100次。各參數為：提前量取為0.15°相當于30個脈沖），定位精度優于士0.02°相當于4個脈沖），N分別取為100 5010和3顯然，步長對定位精度的影響較大，因此可根據不同的定位精度要求合理地選擇每步的波數N大小。對于本系統，上述控制方法能實現0. 005°1個脈沖），這也是測試系統最小的分辨率，若能提高光電編碼器的分辨率，控制精度還可適當提高表2不同N的定位精度測試結果實驗次數100耜值最小值誤差范圍測量平均值8結論本文給出了航天用低速大力矩縱扭復合型超聲波電機的樣機，研究結果表明其具有質量/小低速大力矩和響應快等優點，其瞬態過程可近似為一階滯后環節，非常適合作為高檔的控制電機，適合于航天可行的瞬態特性測試方法和高精度的步進定位的控制策略為推進超聲波電機在航天工程應用，須圍繞效率提高、質量減小和空間環境的可靠性，進一步研究新結構并優化結構，深化驅動控制電源，特別是進行空間環境的適應性研究，對電機進行空間、自然和力學環境等的實驗，進一步提高對超聲波電機在航天領域應用的認識