超声波电动机实用教案

1、-1- 超声波电机打破了传统电机必须由电磁效应产生转矩和转速的固有概念，与电磁式电机相比，超声波电机具有以下特点(tdin)： (1) 体积小，重量轻。 (2) 低速大转矩。 (3) 响应迅速，控制特性好。 (4) 有断电自锁功能。 (5) 与外界无相互电磁干扰。 (6) 结构形式多样化。第九章 超声波电动机第1页/共39页第一页，共40页。-2-第一节 超声波电动机的基本结构 超声波电动机的分类还没有统一的标准，按照驱动转子(zhun z)运动的机理可分为驻波型和行波型两种。驻波型是利用与压电材料相连的弹性体内激发的驻波来推动转子(zhun z)运动，属间断驱动方式；行波型则是在弹性体内产生

2、单向的行波，利用行波表面质点的振动轨迹来传递能量，属连续驱动方式。目前，环形行波型超声波电动机的基础理论和应用技术均较为成熟。第九章 超声波电动机第2页/共39页第二页，共40页。-3- 环形行波型超声波电动机的基本结构如图9-1所示，主要包括定子(dngz)、转子、压力弹簧和转轴等部件。 第九章 超声波电动机第3页/共39页第三页，共40页。-4-第二节 超声波电动机的工作原理一、逆压电效应简介 压电效应 是 在1880年由法国的居里(j l)兄弟首先发现的。一般在电场作用下，可以引起电介质中带电粒子的相对运动而发生极化，但是某些电介质晶体也可以在纯机械应力作用下发生极化，并导致介质两端表面

3、内出现极性相反的束缚电荷，其电荷密度与外力成正比。这种由于机械应力的作用而使晶体发生极化的现象，称之为正压电效应。第九章 超声波电动机第4页/共39页第四页，共40页。-5- 反之，将一块晶体置于外电场中， 在电场的作用下，晶体内部正负电荷的重心会发生位移，这一极化位移又会导致晶体发生形变。这种由于外电场的作用而使晶体发生形变的现象，称之为逆压电效应(y din xio yng)，也称为电致伸缩效应。正压电效应(y din xio yng)和逆压电效应(y din xio yng)统称为压电效应(y din xio yng)。第九章 超声波电动机第5页/共39页第五页，共40页。-6- 超声波

4、电动机就是(jish)利用逆压电效应进行工作的，图9-2进一步说明了逆压电效应的作用。 当外电场的交变频率与压电体的机械谐振频率一致时，压电体就进入机械谐振状态，成为压电振子。 当振动频率在20kHz以上时，就属于超声振动。 第九章 超声波电动机第6页/共39页第六页，共40页。-7-二、椭圆运动及其作用 超声振动是超声波电动机工作(gngzu)的最基本条件，起驱动源的作用。但是，并不是任意超声振动都具有驱动作用， 它必须具备一定的形态，即振动位移的轨迹是一椭圆时，才具有连续的定向驱动作用。第九章 超声波电动机第7页/共39页第七页，共40页。-8- 那么(n me)，怎样才能形成椭圆运动呢？

5、设有两个空间相互垂直的振动位移ux和uy，均是由简谐振动形成， 振动角频率0为，振幅分别为x和y，时间相位差为， 即有 （9-1）第九章 超声波电动机)sin()sin(0yy0 xxtutu（9-2）22y2yyxyx2x2xsincos2uuuu第8页/共39页第八页，共40页。-9- 在上式中，当 时，两个位移为同向运动，合成轨迹为一条(y tio)直线；当 时，其轨迹为一椭圆，并且在 时为一规则椭圆。第九章 超声波电动机), 2, 1, 0(nnn2 n第9页/共39页第九页，共40页。-10- 由此可见，相位差 的取值就决定了椭圆运动的旋转方向，当0 时椭圆运动为顺时针方向， 当0时

6、椭圆运动为逆时针方向。由于椭圆运动的旋转方向决定了定子对转子的拨动(b dn)方向，所以也就决定了超声波电动机的转子转向。 第九章 超声波电动机第10页/共39页第十页，共40页。-11-三、行波的形成及特点 上面讨论的是一个质点椭圆运动的作用。单靠一个质点的椭圆运动还不足以推动转子并驱动一定的负载，而 应该依靠一系列质点的连续椭圆运动来推动转子旋转，也就是说这些质点需要进行行波性质的运动。 根据波动学理论，两路幅值相等、频率相同、时间和空间均相差(xin ch)/2的两相驻波叠加后，将形成一个合成行波。第九章 超声波电动机第11页/共39页第十一页，共40页。-12- 如图9-5(a)所示，

7、将极化方向相反的压电体依次粘贴在弹性体上，当在压电体极化方向施加交变电压时，压电体在长度(chngd)方向将产生交替伸缩形变，在一定的激振电压频率下，弹性体上将产生如图9-5(b)所示的驻波。第九章 超声波电动机第12页/共39页第十二页，共40页。-13-其数学(shxu)表达式为 第九章 超声波电动机txy0sin2sin（9-3） 设在弹性体上同时(tngsh)存在两相驻波A和B，它们的频率同为0，波幅同为，波长同为，并且在时间和空间上均相差/2，即 txytxy0B0Acos2cossin2sin（9-4）第13页/共39页第十三页，共40页。-14-其合成(hchng)为 第九章 超

8、声波电动机AB02( , )cos()y x tyyxt（9-5）这是一个频率(pnl)为0、波幅为、波长为的行波。 第14页/共39页第十四页，共40页。-15- 在环形行波型超声波电动机中，定子上的压电陶瓷环是行波形成的核心(hxn)，它的电极配置如图9-6所示。第九章 超声波电动机第15页/共39页第十五页，共40页。-16- 由两个驻波叠加而形成行波，这在机理上与电机学中的旋转磁场(cchng)理论有诸多相似之处。由第四章“伺服电动机”知道，当在单相绕组中通入单相交流电流时产生的是脉振磁场(cchng)，如果有两个匝数相同、空间互差90电角度的绕组，当在其中通入幅值相等、时间相位互差9

9、0的对称交流电流时，所产生的两个脉振磁场(cchng)的合成就是一个圆形的旋转磁场(cchng)，旋转磁场(cchng)的转向取决于电流的相序。在这里，弹性体中的驻波与单相脉振磁场(cchng)相对应，而合成行波与旋转磁场(cchng)相对应。第九章 超声波电动机第16页/共39页第十六页，共40页。-17-四、转子运动速度 下面通过分析弹性体表面上任意一点的运动轨迹，来确定转子运动的速度。 根据式（9-5），在任意时刻，弹性体表面上某点P的纵向(zn xin)振动位移为第九章 超声波电动机（9-6）)2cos(),(0ytxtxu设弹性体的厚度为h，则P点的横向(hn xin)振动位移为 )

10、2sin(),(2),(0 xtxhxtxyhtxu（9-7）第17页/共39页第十七页，共40页。-18-由以上(yshng)两式，得 第九章 超声波电动机（9-8）22yx22( , )( , )1(/ )ux tux th 由此可见，弹性体表面上任意一点的运动轨迹为椭圆形，这种椭圆运动使得弹性体表面质点对转子产生连续的定向拨动作用， 且转子的运动方向与行波方向相反，如图9-7所示。 显然(xinrn)，如果改变激振电源的电压极性，便可以改变转子的运动方向。 第18页/共39页第十八页，共40页。-19-第九章 超声波电动机第19页/共39页第十九页，共40页。-20-根据式（9-7），弹

11、性体表面质点(zhdin)的横向运动速度为 第九章 超声波电动机（9-9） 横向速度的最大值应出现在行波的波峰或波谷处，此时的表面质点没有纵向速度，且横向速度与行波方向相反。若定、转子接触面之间没有滑动(hudng)，则转子的运动速度与波峰处质点的横向速度相等，其值为 )2cos(),(),(00 xxtxhttxutxv0rxmaxhvv （9-10）负号表示转子的运动方向(fngxing)与行波方向(fngxing)相反 第20页/共39页第二十页，共40页。-21- 设行波在定子(dngz)弹性体中的传播速度为v，第九章 超声波电动机这样，转子(zhun z)运动速度又可写为 （9-12

12、）200 fv（9-11）激振电压(diny)频率 002f22r02hvfv 第21页/共39页第二十一页，共40页。-22- 可见，在行波传播速度v为恒值的情况下， 改变激振电压(diny)的频率f0可以快速改变转速，但存在一定的非线性。而改变激振电压(diny)的大小，即改变行波的振幅，也可以改变转速。如果忽略压电体逆压电效应的非线性，则转速可以随激振电压(diny)作线性变化，这是超声波电动机变压调速的特点。 第九章 超声波电动机第22页/共39页第二十二页，共40页。-23-五、工作特性 一般而言，超声波电动机的工作特性与电磁式直流伺服电动机类似， 电动机的转速随着转矩的增大而下降，

13、并且呈现一定的非线性。而超声波电动机的效率则与电磁式电机不同， 最大效率出现在低速、大转矩区域，如图9-8所示。因此， 超声波电动机非常适合低速运行。 总体而言，超声波电动机的效率较低，这是它的一个缺点(qudin)。目前，环形行波型超声波电动机的效率一般不超过50%。第九章 超声波电动机第23页/共39页第二十三页，共40页。-24-第九章 超声波电动机第24页/共39页第二十四页，共40页。-25-第三节 超声波电动机的驱动控制一、调速控制方法 （1）变频控制 变频调速超声波电动机最为合适，因为电动机工作在谐振点附近，通过调节谐振点附近的频率可以快速控制电机的转矩和转速，并且易于实现低速(

14、d s)起动。由于工作时谐振频率可能有漂移，要求有自动跟踪频率变化的反馈回路。第九章 超声波电动机第25页/共39页第二十五页，共40页。-26- （2）变压控制 改变激振电压的幅值可以直接改变行波的振幅，从而达到调速的目的，并且调节特性线性度较好。但在实际应用中一般不采用变压调速方案，因为这种方案低速时转矩小，不易起动。如果电压过低压电体有可能不起振，而电压过高又有可能击穿压电体。 （3）相位差控制 改变两相激振电压的相位差可以改变定子弹性体表面质点的椭圆运动轨迹，从而改变电动机的转速。这种方案的优点是可以方便地控制电动机的转向，但缺点是低速起动困难，并且实现电路较为(jio wi)复杂。第

15、九章 超声波电动机第26页/共39页第二十六页，共40页。-27-二、驱动控制电路 超声波电动机利用(lyng)摩擦传动，定、转子间的滑动情况不能完全确定。因此，要实现对超声波电动机转速的精确控制，必须采用闭环控制系统。第九章 超声波电动机第27页/共39页第二十七页，共40页。-28- 由于超声波电动机强烈的非线性，其控制不同于常规的电磁式电动机，这主要是因为超声波电动机靠磨擦传动，定、转子之间的滑动率不能完全确定，并且谐振频率本身又会随着温度(wnd)而变化，导致系统参数及其控制特性都会改变。因此，实际上超声波电动机的控制是十分复杂的，其控制策略的研究吸引了不少学者，目前仍处于探索与发展之

16、中。 第九章 超声波电动机第28页/共39页第二十八页，共40页。-29-第四节 超声波电动机的应用 一、超声波电动机与电磁式电动机的比较 （1）基础理论 超声波电动机是基于刚体的波动理论，利用压电晶体的逆压电效应实现电能到机械能的转换。由于超声波电动机的定、转子之间没有气隙，其能量完全是通过刚体的变形和接触来传递的，所以超声波电动机的基础理论是机械波动理论；电磁式电动机是基于传统的电磁感应理论，其能量是通过定、转子之间的气隙来传递的，即电磁转矩是由励磁磁场中的通电电枢导体(dot)而产生，所以电磁式电动机的基础理论是电磁场理论。第九章 超声波电动机第29页/共39页第二十九页，共40页。-3

17、0- （2）运行特性 超声波电动机的突出优点就是能实现低转速、大转矩的负载(fzi)运行，但其缺点也比较明显，主要是超声波电动机是依靠机械摩擦来传递能量，不仅电动机的效率较低，而且使用寿命也较短。据统计，超声波电动机的平均寿命大约为2000小时，与电磁式电动机相比，长时间工作的能力还较欠缺。第九章 超声波电动机第30页/共39页第三十页，共40页。-31- （3）控制特性 从理论上来说，目前超声波电动机还没有一个能准确描述其定子振动过程和转子运动过程的数学模型。由于(yuy)压电材料的非线性、摩擦发热、摩擦滑动和环境温度等的影响，驱动转子的摩擦力将产生严重的非线性变化，这种变化使得精确控制电机

18、转速的难度大大增加。另外，由于(yuy)压电材料特性的不同，每台超声波电动机的驱动电源都不相同，这样电机和电源必须一一配套，不利于大规模生产。第九章 超声波电动机第31页/共39页第三十一页，共40页。-32-二、超声波电动机应用实例 尽管超声波电动机在一些方面还不尽人意，各类标准还没有统一，但是由于其特色鲜明，优点突出，经过(jnggu)20多年的研究和发开，已经在航空航天、机器人、精密仪器、医疗设备和影像设备等诸多领域得到了重要的应用。下面介绍几个应用实例。第九章 超声波电动机第32页/共39页第三十二页，共40页。-33-1. 用于机器人关节(gunji)驱动第九章 超声波电动机第33页

19、/共39页第三十三页，共40页。-34-2. 用于汽油(qyu)发电机的油门调节第九章 超声波电动机第34页/共39页第三十四页，共40页。-35-3. 用于照相机的自动(zdng)调焦第九章 超声波电动机第35页/共39页第三十五页，共40页。-36-本章小结 超声波电动机是一种新原理、新结构的控制电机，它利用压电晶体的逆压电效应实现(shxin)电能到机械能的转换，其基础理论完全不同于传统的电磁式电动机。本章主要介绍了行波型超声波电动机的基本结构、工作原理和驱动控制。第九章 超声波电动机第36页/共39页第三十六页，共40页。-37- 环形行波型超声波电动机的特点就是在与压电晶体紧密相连的环形弹性体内激发单向运动的行波，利用行波表面质点的椭圆振动来带动转子转动。这个行波是由两路幅值相等、频率相同、时间和空间