超声电机的应用.docx

超声电机的应用Application of ultrasolic motor摘要：随着科学技术的进步，一些更加前沿的领域，比如航空航天，精密仪器等，对所使用的电机有更多的要求，比如尺寸微小，噪声低，无电磁干扰等，受制于工作原理和结构形式，传统电磁电机已经无法完全满足这些要求。因此各国科学家纷纷探索基于其他工作原理的新型微特电机，如静电电机，光热电机，超声电机，形状记忆合金电机，微波电机等。其中超声电机由于具有卓越的优点，目前发展迅速，应用也较为广泛。本文主要介绍超声电机目前的应用和潜在的应用价值，以及制约其大规模应用的问题所在。Abstract: With the progress of science and technology, some more frontier areas, such as aerospace, precision instruments, etc. have more request for the use of motor, such as small size, low noise, no electromagnetic interference, etc. Subjected to the working principle and structure form, the traditional electromagnetic motor cannot completely satisfy these requirements.So scientists are exploring a new type of micro motor based on other working principle such as electric motor, the motor of field, ultrasonic motor, the shape memory alloy motor, microwave machine, etc.The ultrasonic motor is developing rapidly and widely applied at present because of its outstanding advantages.This paper mainly introduces current application and potential application value of the ultrasonic motor, and the problem that constraints its large-scale application.关键字：超声电机，航空航天，机器人，医疗，工程工业。Key words: ultrasonic motor, aerospace, robot, medical, industrial engineering.超声电机的优点超声电机与传统电机相比, 具有以下特点:结构简单、紧凑、转矩/质量比大(是传统电机的310倍);低速大扭矩, 无需齿轮减速机构, 可实现直接驱动;响应快(毫秒级);断电自锁;在闭环条件下速度和位置控制性好, 分辨率高;不产生磁场, 不受外界磁场干扰;容易做成直线型超声电机;形状可以多样化(圆的、方的、空心的、杆状的), 等等。由于其优异的性能，超声电机在很多场合都可以取代电磁电机，拥有广阔的应用前景。目前超声电机主要应用于航空航天，精密仪器，相机等，其中日本是超声电机最发达，也是产业化最早，目前最成熟的国家。在航空航天中的应用最近几年美国在宇宙飞船、火星探测器、运载火箭、核弹头等航空航天工程中都陆续应用了超声电机。图1为美国喷气推进实验室(JPL)和MIT将联合研制的超声电机应用于火星探测微着落器。该电机扭矩达2.8 Nm, 使用最低温度达-100, 比用传统的电机减轻质量30%。此外，美国国家航空航天局(NASA)的Coddar Space Flight Center将超声电机应用于空间机器人技术。其中微型机械手Micro Arm I使用了扭矩5 mNm的超声电机。火星机械手Micro Arm II使用了三个扭矩为0.68 Nm和一个扭矩为0.11 Nm的超声电机。它们比使用同等功能的传统电机轻40%。图2为美国把微型超声电机应用于质量为7 8 kg的纳米卫星。 图1USM 应用于火星探测微着落器 图2 USM 应用于纳米卫星在国内，南航大研制的超声电机也已经应用在嫦娥三号的红外光谱仪上。图3，应用于嫦娥三号上的超声电机除了在航天领域，超声电机也应用于航空领域，其中之一便是飞机的颤振主动抑制。颤振主动抑制是一个伺服气动弹性稳定性问题，设计飞机结构，空气动力与控制系统的相互影响，包括弹性力，惯性力，气动力和控制力的联合作用。早期的颤振主动抑制研究中，驱动控制面转动的作动器多用液压伺服系统。而超声电机所具有的低速大扭矩，断电自锁，响应快和扭矩/质量比大等优点使其成为控制面作动器的最佳选择。图为南航大研制的采用TRUM-45型超声电机的二维机翼段面控制系统结构图。图4USM应用于机翼颤振模型试验在机器人上的应用电机是机器人驱动系统中的执行元件，传统方法是采用步进电动机、直流伺服电动机或无刷电动机。为获得定位控制系统所要求的低速大转矩， 传统的驱动机构必须使用减速传动机构，这不仅增加了机构部件的复杂性和机器人的重量，而且减速齿轮带来不可避免的间隙和磨损会严重阻碍控制系统快速性和精确性的提高。超声电机具有低速大转矩的特点，可直接驱动机器人的操作机构，不需传动机构，减小了传动装置的占用空间和质量，同时，它还具有响应速度快、无电磁噪声等特点，超声波电机的上述特性有助于工业机器人的结构紧凑、控制精确和动作迅速。图5是东南大学研制的超声电机驱动的二轴机械臂控制系统，机械臂两关节处分别装有100mm和60mm 行波超声电机，由超声电机驱动机械臂360度旋转，两电机各安装有3600 线增量式光栅作为位置传感器。该系统可应用于机器人手臂，可实现超声电机驱动的二轴机械臂的快速、精确伺服定位控制。图5 二自由度机械臂示意图和实物图在某些特殊环境下, 要求机器人的关节既具有简单的结构, 又能实现全方位的运动, 如高性能机器人的柔软关节和拟人机器人的腕关节、肩关节、胯关节等。多自由度超声电机的发展就可以满足机器人领域在这方面的要求。图6为用球形多自由度电机驱动的机器人手臂。其中肩关节采用多自由度超声电机驱动。从图中机器手臂的构造可以看出, 超声电机驱动的机器人关节具有十分简单的结构, 可以直接和机器人的其他部位相连, 而不需要安装复杂的机械连接装置。图6多自由度电机驱动的机器人手臂在医疗上的应用由于超声电机有自身不产生磁场，也不受磁场干扰的特性，因此非常实用于核磁共振。病人在进行核磁共振检查时，需要注射药液，注射时要求恒速推进，最佳方式是电机恒速驱动，但传统电磁电机自身会产生磁场，干扰成像。而采用超声电机则不会，图7为南航大用研制的采用TURM-N电机的注射装置。图7USM 应用于核磁共振注射器当前在生物医学微机械系统领域研究的主要问题是要寻求微小的、能长期运行的动力源，以及将药装入胶囊或封装,并进行校验和监测。用微制造技术制造出来的药品传送装置及其系统目前己有许多先进的技术，特别是在通过微探针传送药物和注入人体内药物的释放方面已有很多应用。用于药物传送的射流微系统包括微型超声电机或微压电泵、电泳膏药和智能药丸。超声电机作为微型医疗器械的动力,将牵引医疗器械引向人体内部或向人体传送药物。图8压电作动器应用于智能药片在基因移植和人工受精的操作过程中,将一微小吸管插入细胞质是不可缺少的一项操作。当采用传统的水压作动器操作时,由于细胞膜的弹性,使整个细胞会发生很大的变形,如图9 a所示,这种过大变形会对细胞核造成伤害。日本Higuchi的实验室研制出了一套细胞操作微处理系统,如图9 b所示,该系统利用了冲击式直线型超声电机,实现了平稳的动作,使细胞膜没有产生如图9 a的大变形。图9 a 应用水压作动器穿刺 图9 b 应用冲击式直线型USM多自由度超声电机也应用于外科手术方面。日本庆应大学的竹村等将研制的圆柱形多自由度超声电机应用于外科钳子, 并提出用神经网络的方法来精确控制钳子的转动角度。图10多自由度电机驱动的外科钳子在胶囊内窥镜中，如何控制镜头的转动和调焦和一个难题，利用新的压电管型超声微电机为解决这一问题提供了办法。关键的改进在于使用了PI公司的中空压电陶瓷管超声电机和带有聚焦面的棱镜。将光纤插在中空超声电机内部，光线经自聚焦透镜准直后由棱镜反射，直至出射时才经一个非球面聚焦。电机工作时可带动自聚焦透镜和棱镜同时旋转，从而实现环形扫描。这可显著缩短光学系统工作距离，提高横向分辨率。同时由于光纤与电机位于同一侧，缩短了探头长度，避免了电机导线遮挡成像等问题。图11 应用于胶囊内窥镜的超声电机在工程工业上的应用工程方面，超声电机在伺服系统和精密定位平台系统方面都有广阔的应用前景。超声电机具有的低速大力矩、响应速度快、保持力矩大和结构简单等优点，使得它非常适合于非连续运动的伺服控制及直接驱动。但是目前超声电机的伺服应用还有一些难题需要解决。这是因为超声电机利用定转子间的摩擦驱动，定转子间的摩擦规律很难确定，而且定子谐振频率会随着温升而改变，超声电机的速度特性随驱动条件（如温度、负载转矩）而变化。因此，超声电机是一种强非线性的时变系统，很难得到精确的数学模型。这是超声电机在高性能伺服控制中的最大问题。解决这一问题的方法在于提出新的，更精确的控制算法。超声电机的控制算法主要有负载自适应频率跟踪控制、PI控制、软件变增益PI 控制、双模模糊控制、神经元网络控制、前反馈控制等。目前，USM 控制策略与控制装置的研究仍在继续，应用最新的现代控制理论， 结合原有的控制方法和控制思路，实现无静态误差，动态误差不断减小的快速精密的USM 定位与速度控制是USM 研究和应用人员不断追求的目标。应用于精密定位平台系统。随着半导体光刻技术、微型机械、精密测量、超精密加工、微装配和纳米技术的迅速发展，对精密定位系统的行程、速度和精度等提出了越来越高的要求，其控制精度在微米级，甚至纳米级的范围内。精密运动系统是集精密位置检测技术、驱动技术、直线导向技术、控制技术为一体的有机综合体。其中，驱动控制技术直接决定了平台的速度、精度、行程和整个系统的效率。在传统的定位技术中，常选用“伺服电机+滚珠丝杠”的方式，由于具有运动转换环节，不可避免地存在间隙误差，虽然经过预紧后可实现良好的传动精度，但使其达到纳米级精度代价不菲。直线电磁电机由于结构复杂、制造和维护成本高、电磁兼容性差，控制系统复杂等原因，实现纳米级定位需配备复杂的附属装置，其稳定性和可靠性还需进一步研究。直线超声电机作为超声电机中的一类，也是利用压电元件的逆压电效应和弹性体的超声振动，通过定子和动子之间的摩擦作用，把弹性体的微幅振动转换成动子宏观的直线运动。直线超声电机不仅能够直接产生直线运动和牵引力，而且具有结构简单、响应快、断电自锁、不受电磁干扰等特点，同时具有较大的行程以及纳米级的位移分辨率。利用直线超声电机驱动的平台，具有传动链短、行程大、定位精度高、响应速度快等优点，使其逐渐成为精密驱动领域的理想驱动器。图12 利用超声电机驱动的精密平台在工业应用方面，图13为日本Canon公司装有环形行波超声电机的照相机。该相机聚焦系统结构简单, 聚焦快, 噪声小。Canon公司已有37种照相机聚焦镜头应用了超声电机。Nikon,Olympus等公司的照相机也在逐步应用超声电机。此外，在日本，超声电机还被应用于手表，用于震动报时。而在市场巨大的汽车产业，高端汽车要求有更高的自动化水平，更加智能，更加人性化，因为需要大量的电机作为驱动和控制元件，比如在座椅靠枕的自动调节，在后视镜的自动调节上。而超声电机由于其低速大扭矩和断电自锁的优点，在这些应用上都比电磁电机更加合适。图13Canon公司基于USM的相机图14Seiko将USM 用于手表振动报时图15 超声电机在汽车上的应用超声电机的优点使得它有广阔的应用前景，因此超声电机在全世界范围内都引起了很大的关注。但是其发展受到一些问题的困扰，使得超声电机目前并没有被大范围应用，因此解决这些问题变得更加重要。目前超声电机的发展主要存在以下问题。第一，压电材料的制备技术。作为超声电机的关键材料之一, 压电元件的性能是制约着电机的机械输出特性。目前对强电场、大功率条件下超声电机对压电材料的压电性能(机械品质、d33 )和力学性能(疲劳、断裂)等具体要求尚缺乏充分的理论和试验研究, 也没有一定的标准。目前国内从事超声电机研究的单位都乏压电陶瓷材料的制备技术和设备, 而专业生产厂家又不了解超声电机用压电材料的性能要求。因此, 迅速开展超声电机用压电材料制备技术的研究迫在眉睫。第二，超声电机的非线性特性。超声电机的非线性特点主要体现在大功率条件下压电材料本构关系、定/转子之间的接触、驱动电路等方面。目前对超声电机及其驱动技术的理论研究尚处在线性理论的框架之类, 这些研究可以让我们认识电机运行的内部机理, 但是对超声电机自身存在的一些现象(比如调节过程中电机速度跳跃、突然停转等)却无法作出合理的解释。对于超声电机非线性特性的研究, 建立其分析模型, 对于超声电机产品性能的优化具有重要的研究意义。第三，超声电机的制造技术。超声电机利用的是微米量级、超声频域范围的机械振动, 这使得超声电机具有定位精度高的优点, 同时也对超声电机的超精加工提出了很高的要求, 尤其是微小型超声和直线型超声电机。另外, 超声电机的加工技术、压电陶瓷片的粘贴工艺等对于提高超声电机产品的一致性和稳定性也至关重要。相信随着科学和技术的进步，这些问题最终会得到解决，届时超声电机的应用将会有飞跃性的发展。此外，另一些在精密驱动和控制领域有广阔应用前景的技术，如磁致伸缩，人工肌肉，形状记忆合金等目前也都在研究当中。相信当这些技术走进千家万户的时候，生活必定更加美好。参考文献：1赵淳生.面向21世纪超声电机技术的研究.中国工程科学, 2002, 14( 2): 86 912黄国庆,刘群亭,黄卫清,等. 直线型超声电机研究的现状.微特电机, 2003, 31( 2): 24 263Takeshi Morita. Miniature piezoelectric motors.Sensors and Actuators A, 2003, ( 103): 291 3004Burhanettin Koc, Philippe Bouchilloux , Kenji Uchino. Piezoelectric micro motor using a metal-ceramiccompo site structure. IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferro electrics, and Frequency Control, 2000, 47( 4): 836 8435Vill Kaajakari, Amit Lal. Optimizatio n o f a blulk-driv ensurface micromachined ult raso nic micromo tor. 2001IEEE Ultra so nics Symposium, Atlanta , 2001: 541 5446Hu M, Ling S F, Du H J, et al. Desig n o f a no v elultraso nic spherica l moto r. 2000 IEEE Ultrasonics Symposium, Atlanta, 2000: 667 6707李志荣,黄卫清,赵淳生.多自由度超声电机研究的一些新进展.振动、测试与诊断, 2003, 23( 3): 161 1648S adayuki Ueha. Recent dev elopment o f ult rasonicactuato rs. 2001 IEEE Ultra so nic Sympo sium, Atlanta ,2001: 513 5209鹿存跃,赵淳生.采用耦合机构驱动的压电电机的研究进展. 中国机械工程, 2003, 14( 7): 626 62910 Thomas Geo rg e. M EM S /NEMS develo pment fo r spaceapplications at NASA / JPL. Proceeding s of SPIE, 2002,4755: 556 56711 V ille Kaajaka ri, Stev e Rodg ers, Amit Lal.Ultra so nically driv en surface micromachined mo tor. The13th IEEE Inter na tio nal Co nfe rence o n Micro Electr oMechanical Systems, Miya zaki, Ja pan, 2000: 404512 I lene Schneider. Micro too ls fo r