直线型超声波电机

第8章超声波电机8.1概述8.2超声波电机的运动形成机理8.3环形行波型超声波电机8.4行波型超声波电机的驱动与控制8.5其他类型的超声波电机8.6超声波电机的应用8.1概述超声波电机是利用压电材料(压电陶瓷)的逆压电效应，把电能转换为弹性体的超声振动，并通过摩擦传动的方式转换为运动体的回转或直线运动的新型驱动电机。电机驱动电源的频率一般高于20kHz，已超出入耳所能采集到的声波范围，因此称为超声波电机。1.超声波电机的特点（1）低速大转矩。（2）无电磁噪声，电磁兼容性好。（3）响应快、控制特性好。（4）断电自锁。（5）运行噪声小。（6）结构形式多样。（7）摩擦损耗大，效率低。（8）寿命短。超声波电机是典型的机电一体化产品。虽然仅有三十多年的发明和发展历史，已在航空航天、机器人、精密仪器、医疗设备等诸多领域已得到了很好的应用。目前仍是国内外开发研究的热点。2.超声波电机的分类按波的传播方式分类：行波型超声波电机；驻波型超声波电机。按转子的运动形式分：旋转型超声波电机；直线型超声波电机。按转子运动自由度分：单自由度超声波电机；多自由度超声波电机。按定转子接触情况分：接触式超声波电机；非接触式超声波电机。本章主要对旋转行波型超声波电机进行分析。8.1概述8.2超声波电机的运动形成机理8.2.1压电效应简介8.2.2椭圆运动及其作用8.2.1压电效应简介压电效应是由法国的居里兄弟在1880年首先发现的。正压电效应：对于晶体构造中不存在对称中心的异极晶体，加在晶体上的应力，除了产生相应的应变以外，还在晶体中诱发出介质极化或电场。逆压电效应：若在晶体上施加电场，从而使该晶体产生电极化，则晶体也将同时出现应变和应力。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。超声波电机就是利用逆压电效应进行工作的。8.2超声波电机的运动形成机理在图8-1中，压电材料的极化方向如空心箭头所示，当压电材料的上下表面施加正向电压，即在材料表面形成上正下负的电场，则压电材料在长度方面伸张、厚度方面收缩。反之，若在该压电材料上下表面施加反向电场，则会在长度方向收缩、厚度方向伸张。图8-1逆压电效应示意图当在压电体表面施加交变电场时，压电体中就会激发出某种模态的弹性振动。当外加电场的交变频率与压电体的机械谐振频率相同时，压电体就进入谐振状态，称为压电振子。当振动频率高于20kHz时，就属于超声振动。8.2.2椭圆运动及其作用超声波电机的工作原理：以图8-2所示的情况为例，设定子在静止状态下与转子表面有一微小间隙。当定子产生超声振动时，其上的接触摩擦点A做周期运动，其轨迹为一椭圆。当A点运动到椭圆的上半圆时，将与转子表面接触，并通过摩擦作用拨动转子旋转；当A点运动到椭圆的下半周时，将与转子表面脱离，并反向回程。如果这种椭圆运动连续不断的进行下去，则对转子就具有连续定向的拨动，从而使转子连续不断的旋转。图8-2质点运动的轨迹电机的转向是由椭圆运动的转向决定的。椭圆运动的形成：在空间有两个相互垂直的振动位移和，均由简谐运动形成，振动的角频率为，时间相位差为，振幅分别为和，即有xuyuxy)sin()sin(yyxxtutu（8-1）从式（8-1）中消去时间t，则22y2yyxyx2x2xsincos2uuuu（8-2）)210(，，，nn时，两个位移为同相运动，合成轨迹为一直线；时，其轨迹为一椭圆；n2n时，轨迹为规则椭圆。8.2.2椭圆运动及其作用8.2.2椭圆运动及其作用02220222图8-3椭圆的形态椭圆运动转速：为振动的角频率转向：由振动的相角超前相转向滞后相椭圆度：由振动振幅的差值确定8.3环形行波型超声波电机8.3.1电机的结构8.3.2电机的工作原理8.3.3转子的运动速度8.3.4电机的运行特性8.3.1电机的结构环形行波型超声波电机，由定子和转子两大部分组成。以振动体为主体的定子上开有齿槽，在定子不开槽的一面粘贴有压电陶瓷；转子为一圆环；在定、转子接触的表面有一层特殊的摩擦材料，如图8-4所示。图8-4环形超声波电机的定子和转子图8-5环形超声波电机转配图8.3.1电机的结构图8-6压电陶瓷电极布置图a）正面b）反面图中的阴影区域为未敷银或对应部分的敷银层已经被磨去的小分区，它把压电陶瓷的上下极板分隔成不同的区域。图8-6a）中相邻两个压电分区的极化方向相反，分别以“+”和“-”表示，在电压激励下一段收缩，另一段伸长，构成一个波长的弹性波。极化分区可组成三个电极，其中A区和B区表示驱动环形超声波电机的两相电极，它们利用压电陶瓷的逆压电效应产生振动；而s区是传感器区，它利用压电陶瓷的正压电效应产生反馈电压，该电压可实时反映定子的振动情况，其反馈信号可用于控制驱动电源的输出频率。压电陶瓷环的周长为行波波长的n倍，图中n=98.3.2电机的工作原理1.定子行波的产生由于压电陶瓷相邻分区的极化方向相反，在共振频率的交流电压激励下，相邻极化区将会分别伸张和收缩，从而在定子弹性体中激励出弯曲振动。图8-7定子行波的产生a）定子弯曲振动激励b）驻波合成行波机理8.3.2电机的工作原理设A区和B区的驻波振动分别为tkxwcoscosAA)cos()cos(BBtkxw（8-3）（8-4）两列驻波叠加可得)cos()cos(coscosBABAtkxtkx（8-5）0BA22、若，，，则)cos(0tkxw（8-6）沿x正向行进的行波。如何得到反向行波？)cos(0tkxw8.3.2电机的工作原理2.定子表面质点的运动轨迹在定子的A区和B区施加对称激励电压时，在定子圆环表面的圆周上形成行波，如图8-8所示。图8-8定子振动机理20hh设弹性体的厚度为h，取。若弹性体表面任一点P在弹性体未挠曲时的位置为P0，则从P0到P在z方向的位移为，取0(1cos)wh0cos()kxt（8-8）从P0到P在x方向的位移为)sin(sin00000tkxkhxhhh（8-10）8.3.2电机的工作原理弹性体表面任一质点P的运动方程1)(2002202kh（8-11）该式表明，弹性体表面任意一点P按照椭圆轨迹运动，这种运动使弹性体表面质点对移动体产生一种驱动力，且移动体的运动方向与行波方向相反。如果把弹性体制成环形结构，当弹性体受到压电陶瓷振动激励产生逆时针转向的弯曲行波时，它表面的质点呈现顺时针方向的椭圆旋转运动。当把转子压紧在弹性体表面时，在摩擦力的作用下，转子就会转动起来。定子表面开槽，是为了加大定子接触部位的振动速度，提高超声波电机的转换效率，改善电机的性能。8.3.3转子的运动速度由式（8-10）可知，在弹性体表面质点沿x方向的运动速度为)cos(00xtkxkhtv（8-12）质点的运动速度是时间和空间的函数。在椭圆的最高点，z轴方向的位移最大，x方向的位移等于0。x方向的最大速度为=0kxt（）00xmaxkhv（8-13）“-”表示弹性体表面质点运动方向与行波行进方向相反。若定、转子之间没有滑动，且转子表面与定子振动波形相切，则转子速度就等于椭圆最高点的运动速度。实际上，定子与转子表面的滑动总是存在的，因此电机转子的实际速度总是小于最大速度。8.3.4电机的运行特性机械特性：超声波电机的机械特性与直流电动机类似，但电机的转速随着转矩的增大下降更快，并且呈现明显的非线性。效率特性：超声波电机的最大效率出现在低速、大转矩区域，因此适合低速运行。目前环形行波型超声波电机的效率一般不超过45%。图8-9典型的运行特性超声波电机的运行特性主要是指转速、效率、输出功率等与输出转矩之间的关系。这些特性与电机的类型、控制方式等有关。8.4行波型超声波电机的驱动与控制8.4.1速度控制方法8.4.2驱动控制电路8.4.1速度控制方法转子运动速度的最大值为xmax00vkh0BA22、条件：仅有激励电压不对称时，最大速度为)(coscossin22B22ABA0maxxttkhv（8-14）调速方法：改变激励电源的角频率、电压幅值（对应于驻波振幅）和两相电源的相位差均可改变转子的运动速度。1.电压控制改变电压幅值可以改变行波的振幅，从而改变转子速度，但实际中很少采用。因为电压过低，压电元件有可能不起振；电压过高又会提高元件的耐压要求，增加成本。8.4.1速度控制方法2.频率控制调节谐振点附近的频率可以调节电机的速度，频率控制对超声波电动机最为合适。由于电机工作点在谐振点附近，因此调频具有响应快的特点。另外，由于工作时谐振频率的漂移，要求有自动跟踪频率变化的反馈回路。3.相位控制改变两相电压的相位差，可以改变定子表面质点的椭圆运动轨迹，从而改变电机的转速。这种控制方法的缺点是低速起动困难，驱动电源设计较复杂。在以上3种控制方式中，频率控制响应快、易于实现低速起动，应用得最多。8.4.2驱动控制电路驱动控制电路的功能是为超声波电机提供具有一定电压幅值，相位差为的高频激励电压。电路框图如图8-10所示，它由信号发生电路、移相电路、功率放大电路、频率自动跟踪电路等组成。2图8-10驱动控制电路框图8.4.2驱动控制电路高频信号发生器：是驱动电路的核心，用来产生超声频率的信号。产生的方法有：谐振电路、计算机控制的定时计数器、压控振荡电路等。压控振荡器产生超声频率的信号，具有频率调节范围宽、分辨率高等优点，而且压控振荡器的频率由输入电压控制，因此可以不用A/D变换和计算机就可以实现闭环控制，比较常用。移相器：使两相驱动电源具有要求的相位差。功率放大器：使驱动信号满足电机的功率要求。自动频率跟踪电路：自动频率跟踪电路主要由电压采样器和积分器两部分组成。反馈电压采样器的功能是将内部传感器产生的反馈电压采集进来，并转化为直流电压；积分器的功能是对给定电压信号与反馈信号的差值做出反应，输出信号加到压控振荡器的输入端，从而实现变频和自动频率跟踪的功能。8.5其他类型的超声波电机8.5.1驻波超声波电机8.5.2直线型超声波电机8.5.3多自由度超声波电机8.5.4非接触型超声波电机8.5.1驻波超声波电机对于驻波超声波电机，在定子中激励的是单纯驻波振动，质点做往复直线运动，通过转换装置或与其他运动组合，把往复直线运动转换为椭圆运动，最后驱动转子旋转。1.楔形超声波电机图8-11楔形超声波电机形成横向共振。纵、横向振动合成的结果，使振动片前端质点的运动轨迹近似为椭圆。这种电机的优点：结构简单。缺点：在振动片与转子接触处摩擦严重；仅能单方向旋转，且调速困难。电机主要由兰杰文振子、振子前端的楔形振动片和转子三部分组成。振子的端面沿长度方向振动，楔形结构振动片的前端面与转子表面稍微倾斜接触，诱发振动片前端向上运动的分量，8.5.1驻波超声波电机2.扭-纵复合型超声波电机图8-12扭-纵复合型超声波电机电机的定子由两个独立的振子组成。纵振子控制定子与转子之间的摩擦力，扭振子控制输出转矩。扭转振动和纵向振动在定子弹性体合成质点的椭圆运动。在定子的一个振动周期中，当定子做伸长的纵向运动时，定子与转子接触，抽取扭转振子某一方向的运动通过摩擦力传递给转子，以输出转矩；当定子做缩短的纵向运动时，定子与转子脱离，定子相反方向的扭转运动不传递给转子，保证转子单方向旋转。由于两种复合运动可以独立控制，所以电机输出转矩大、工作稳定、可双向旋转，并且为设计者提供了较大的设计空间。8.5.2直线型超声波电机图8-13行波型直线超声波电机直线型超声波电机也有多种类型，现以直线行波型超声波电机为例来说明其工作原理。电机结构：由兰杰文振子激振器、兰杰文振子吸收器、横梁和移动体组成。行波的产生：激振器上外加激励电压产生逆压电效应，使梁振动。此时吸振器受到梁的振动产生