盘状多自由度超声波电机的设计及其自激驱动电路

1、英文资料翻译盘状多自由度超声波电机及其自激驱动电路的设计摘要：由于多自由度系统数量的增加，多自由度驱动器在机器人领域变的更有用。超声波电机的一般特征是它能够作为直接多自由度驱动器。尽管如此，和由复变电磁电机组成的多自由度动作单元相比，以前发展起来的超声波电机在体积和重量上并没有优势。在目前的研究中，学者们研究出了一种新型的多自由度超声波电机，这种电机由紧凑的盘状定子和球形转子组成。首先，提出了一种新的电机驱动原理；其次，用有限元法已经详细设计了定子的平面图形，这种多自由度超声波电机的模型已经被生产出来；随后，对定子的振动特征和电机的驱动特征进行了测试。结果证实，受单盘转子的驱动，电机成功地实现

2、了在直角坐标下所要求的定子多自由度运转。最后，提出了这种电机的新型的自激驱动电路，并用其实施了驱动测试。关键词：多自由度驱动器 压电驱动 自激 超声波电机I.简介现在，自动机械被广泛应用于多个领域，如工业，娱乐，医疗，恶劣环境下作业等等。既然这些应用和我们的生活如此接近，一些自动机械便可以被大多数人操作和应用，而不仅仅是专家。所以就要求机械能实现像人一样的灵巧的多自由度运作，也就是说实现像人一样惯用右手的运动成为机器人方面最重要的课题之一。灵巧的多自由度运动一般是靠电磁电机的单自由度运动和齿轮传动的结合来实现。尽管如此，用这种机械装置，由于需要大量的驱动器和传动齿轮，系统总体积和重量都将增大和

3、增重，所以很难建立一种紧凑的多自由度运动单元。有两种方法可供工程师们去解决这些问题。一种方法就是制造一种更小的强力的单自由度驱动器；另一种方法是制造一种具有多自由度驱动器一些功能的驱动器。前者是现在观念的一种延伸，那意味着系统的构造和控制方案和传统系统基本一致。另一方面，如果我们尝试后一种方法，用和传统系统不同的观念可以发展一种新型的系统结构。于是，一些多自由度驱动器被设想并发展起来，这些电机用单精度定子可以产生多自由度运动。多自由度电磁电机的一些例子如下：Roth et al. 提出了三维可变球状电机；Yano et al. 发展了一种球形步进电机。还有一些关于多自由度电磁电机的研究成果。尽

4、管如此，这些电机的结构很复杂以至于很难实现微型化。但是另一方面，超声波电机有很多的优点，如低速大转矩，高制动转矩，无电磁辐射，低噪音，结构简单等。其中的一些特征确保了超声波电机作为多自由度驱动器实现直接驱动的能力。如图1对超声波电机和电磁电机的最大转矩进行了比较。图形显示超声波电机很有潜能作为直接驱动器使用。所以，以前基于超声波电机原理的多自由度驱动器是被作如下设想的：Bansevicius发明了压电多自由度驱动器，Amano 发明了一种多自由度超声波驱动器，Toyama 发明了一种球形超声波电机，还有Sasae 发明了球形驱动器。学者们还发明了一种新型的多自由度超声波电机，它利用棒状定子的三

5、种自由振动模态来产生球形转子的多自由度旋转。11图1 最大转矩的比较 图2 有限元模型既然超声波电机显示出如此的优越性，那么多自由度超声波电机应该有足够的潜能去替代现已存在的由单自由度电磁电机组成的多自由度运动单元。然而，大多数这种多自由度超声波电机有一个比转子大的定子。和由电磁电机组成的多自由度运动单元相比，这种驱动器在体积和重量上几乎没有优势。另外，用来驱动电机的高频交变电流可能成为另一个问题，因为一个复杂并强大的驱动电源是必须的。所以，为了显示多自由度超声波电机的优点，一种具有紧凑结构和简单驱动电路的新颖的电机必须成为现实。所以，在这次研究中我们提出了一种新颖的多自由度超声波电机的设计方

6、案和驱动电路，这种电机由球形转子和非常紧凑的盘状定子组成。以前关于多自由度超声波电机的报导中，这种设计方案从未实现过。具有紧凑定子和简单驱动电路的超声波电机很适合用于机器人眼睛控制，激光处理和其他一些应用。在这篇文章中，首先描述了定子振动模态的基本设计和驱动原理。接着介绍了用有限元法详细分析定子的设计和已生产出的电机的模型，在解释了驱动试验的过程后，又重新介绍了超声波电机的自激驱动电路，最后，我们对这次研究的结论进行了描述。II驱动原理超声波电机是一种靠摩檫力驱动的电机，一般由定子和转子组成。典型的超声波电机利用定子的两种简单的振动来驱动转子。定子振动产生的能量通过定转子间的摩檫传递给旋转的转

7、子。在普通的单自由度超声波电机的情况下，这两种振动形式使定子上的质点绕着有精确转轴的椭圆轨道运行，这样，和定子有接触的转子在摩檫力的驱动下就会绕轴旋转。为了实现多自由度超声波电机，我们必须对单自由度超声波电机的驱动能力进行扩展。那就是，当转子和定子的接触点沿椭圆轨道的转轴随意变动时实现转子的多自由度运转。所以，两两正交的三种自然振动的频率必须适合产生任一轴轨道。联系任一点的三种正交的振动，有相同的频率，适当的振幅和相位，质点可以在任一轴的轨道上运动，因为轨道由三种正交振动的成分组成。也就是，多自由度超声波电机的定子必须满足以下条件：1） 三种振动模式的自然频率相符；2） 振动模式的振动方向相互

8、正交；3） 定子几何结构必须简单易于生产4)三种模式必须是轻微振动以使不产生不必要的模式。就像在文章的第一部分中所提到的，一些满足上述要求振动模态的定子已经有生产。尽管如此，大多数这种定子结构不够紧凑，很难解决尺寸问题。这就意味着在以前的设计方案中多自由度超声波电机最重要的优点并未显现出来。我们采用盘状定子的基本振动模态来解决这个问题。由于定子有很多种振动模式，我们仔细考虑了上述提到的要求以选择适当的振动模式。我们采用有限元分析法来确认模式形状（如图2）。从分析的结果我们选择如图3所示的三种自然振动模态。在整篇文章中图3所示为简单的参考结构。图中的小方格代表振动的质点，在那里质点在z轴方向上的

9、位移为零。模态图中的正负号代表研沿z轴方向的空间相位。图3 自然振荡模式（a）模式1（b）模式2（c）模式3当和转子的接触点位于图三中ABCD四个点时，根据各自的振动情况，它们主要振动方向如下：模式1，沿z轴方向模式2，沿y轴方向模式3，沿x轴方向如果三种振动的自然频率相符，质点的任意椭圆轨道就能形成。在模式1和2下，它们之间由于有/2的相位差而相联系，质点沿着x轴运动。如果模式2和3相联系，那么质点沿着z轴运动。也就是说，质点可以选择性的沿x,y或z轴运动。那么，如果球形转子和盘子质点ABCD相接触时，转子靠转子和定子之间的摩擦力沿着任一轴旋转，意味着电机是驻波型超声波电机。另外，当三种运动

10、适当的结合时，质点可以绕着任一轴运动。这就是说转子可以绕着三维空间的任一轴旋转。为了详细分析接触机构，可以用分散模型分析法或者详细的有限元分析法。III设计与制造我们刚刚讨论了质点的运动情况。无论如何，使振动的自然频率相符非常重要。在这一节中，描述了用有限元法分析定子的详细结构。图4 定子的有限元模型 表1 材料属性图4显示了所设计定子的有限元模型。模型由黄铜、树脂和压电部分组成，各自材料的属性如表1中所示。定子有20平方毫米大5毫米高。所分析的振动模态如图5所示。所有的自然频率基本上接近24千赫兹。基本的设计过程如下。模式1和模式2（3）的自然频率基本上不同（既然模式2和模式3相似有不同的振

11、动方向，他们的自然频率理论上是相同的）。为了调整自然频率，当剧烈振动时有强大应变产生的截面必须考虑进去。如果那里的硬度大，那么这种模式的自然频率变得更高。即我们必须使定子有低硬度区域，以使自然频率相符。低硬度截面的深度用作一个设计参数。图5 定子的自然振荡模式（a）模式1（b）模式2（c）模式3根据有限元模型，多自由度超声波电机的几何结构的设计如图6所示。多自由度超声波电机由不锈钢的球形转子和盘状定子组成。定子由黄铜部分、树脂部分和压电陶瓷片组成。黄铜部分的低硬度区域有调整自然频率和扩大接触点振动振幅的作用。树脂安置在定转子的接触点。这就允许接触点有适当的硬度供摩擦力有效的驱动转子。树脂部分采

12、用制造业中的公差（大约0.01毫米）。尽管如此，制造业中的公差对设计的电机结构基本上没有影响，因为定转子间通过引力应用了预加负荷。安置压电陶瓷片是为了激起自激振荡。图7和表2显示了激起振荡的压电陶瓷片的输入。图6 多自由度超声波电机的几何结构图7 压电陶瓷片的输入表2 压电陶瓷片的输入相位 图8 多自由度超声电机的原型图8显示了具有盘状定子的多自由度超声波电机的原型。转子的体积是定子的1.52倍，而价值是我们以前多自由度超声波电机的22%，意味着所设计的电机在体积上是有优势的。然而现在，电机仍需要有一个转子支撑机构（引力提供的预加负荷），用电磁力，我们可以构造一种简单的结构来支撑转子。这种电磁

13、预加负荷装置的想法和我们在以前的研究中所介绍的相同。IV实验A振荡特征有必要通过实验用有限元分析法证实自然频率和三种振动的形态。这部分描述了振荡测试的结果。表3 振动的自然频率首先测量了三种振动的自然频率，结果如表3所示。为了对照，用有限元法的特征值分析出的结果也显示在表格中。自然频率的测量值和理论分析值的误差在10%左右。测量所得的频率比分析所得值小，因为在有限元模型中并未模拟边界，降低了定子的硬度。尽管如此，采用文章中第二部分描述的驱动原理，可以认为振荡的自然频率能够驱动转子旋转。表4 接触点的运动图9 定子上激励的振荡（a）模式1（b）模式2（c）模式3再者，为了证实模态形状，当定子上激

14、励有振荡时，我们测量了接触点的运动。表格4列出了测量的结果。对陶瓷片的交流输入信号的频率和振幅分别大约为23千赫兹和20伏。表格4中的符号代表运动质点的空间相位。图9显示了振荡模式概念上的说明，这从表格4中可看出来。比较图9和图3，我们可以说激励的振荡和所期望的是不同的。对模式1，除了振动方向有一点点区别以外，所有的形态相似。可以认为制造硬度和材料性质是造成不同的与原因。然而，质点的振动方向和所期望的基本一致。另一方面，模式2和3和图3中相比有完全不同的模式形态。细心观察后，你会发现图9中的模式2和3是图3中结合。例如，如果图3中的模式2和3同时在定子上被激励，定子按图9中的模式2振动。也就是

15、说振动模式基本相同。图10对模式结合有概念上说明。虽然图10的上面显示了完全平方的盘子会有两种正交的振荡模式，我们知道因为加工误差，像图10下面显示的，两种相配的振荡模式会线性结合。另外，盘子上的阻尼可能会引起模式旋转。图10 模式关系由上面提及的结果，表格5总结了驱动转子沿参考结构的任一轴旋转的输入信号的相位关系。根据表格5中的相位关系，转子就像在第二部分描述的那样被驱动而旋转。表5 驱动输入的相位关系B驱动特征超声波电机有三种交流输入信号，它们的频率相同，振幅和相位独立。证实每个参数的驱动特征非常重要。因为频率的改变会导致振动振幅的变化，我们只测量了绕轴旋转的速度和频率相位之间的关系，作为

16、多自由度超声波电机的驱动特征。图11 旋转速度和频率关系图表6 驱动条件首先，我们测量了旋转速度和驱动频率的关系（如图11）。除频率外的输入参数都描述在表格6中。沿x（y）和z轴的旋转速度最高分别达300和500转每分左右，还有22.3千赫兹的频率，和上面描述的三种振动的自然频率几乎相同。上述特征和传统的单自由度超声波电机相同。在定子的共振频率附近振动速率增大，意思是说转子的旋转速率达到最大值。第二，我们测量了旋转速度和相位差的关系。这里，术语“相位差”指用来驱动转子的两种振动的相位差值。图12显示了测量结果。振幅和表格6中的相同，频率为22.3千赫兹。旋转速度的符号代表旋转的方向。图12中所

17、得的曲线形状近似正弦波状。原因如下：相位的变化导致接触点运转轨道形状的变化。根据轨道变化，转子切线方向上的质点速率平稳的从负变为正。注意不只是尺寸，轨道的形状也在变化。这就引起转子切线速率的非线性变化。再者，图12中的曲线并不是严格的正弦曲线。理论上，如果相位差为零转子将停转，因为接触点并不沿椭圆轨道运行（它们沿直线轨道运动）。然而，结果在图12中偏左。这是因为振动的自然频率并不完全相符。强迫振荡下的共振相位曲线如图13所示。所以，如果振动的自然频率不同，输入信号的相位差和所激励的振动并不相配。这就引起输入信号激励的振动相位的延迟。由于相位变化，曲线稍向左移。图12 旋转速度和相位的关系 图1

18、3 共振相位曲线V自激振荡驱动电路对驱动超声波电机而言，定子自然振荡驱动器是重点之一。所以我们一般用功能驱动器和脉冲发生器来提供超声波电机适当频率的交流信号。意思是说，我们要认真调整信号频率以激励所需要的振荡，或者我们增加另一回路用作谐振探测器。这使得系统变得复杂。所以我们想介绍一下超声波电机的自激振荡电路理论。前面已出现了单自由度旋转的自激振荡超声波电机，然而，这种电机只靠定子的单一振动来驱动。这里，我们提出了能产生两相交流输入的多自由度超声波电机自激振荡驱动电路。图14 自激振荡电路图14显示了一个普通的晶状振荡器电路。电路由共鸣器、电阻器、电容器和运算放大器组成。振荡器输入信号的频率本身

19、也必须是晶状体的谐振频率。我们用晶片代替超声波电机的定子，并调整了电路组成器件的属性（Rs=10k欧姆，Rf1=Rf2=1M欧姆，Cf=68pF）。结果定子上必须产生所要求的自激振荡。图15 自激振荡实验结果图15显示了模式2自激振荡的实验结果，图7中显示的一部分陶瓷片被用作传感器。输入信号看上去像矩形波，因为信号需经过运算放大器以得到足够的电压来驱动超声波电机。结果（传感器输出电压）证实定子上被成功的激起了振荡。定子本身像低通滤波器一样工作。图16 相位转换器 （a）相位超前 （b）相位置后自激振荡电路以上面提到的方式工作。另外，我们还要输入另一个相位交变的信号来驱动转子绕轴旋转，像文章第二部分所提到的。因此，由相位转换机构（微分器）产生相位信号，如图16所示，其中Rps=68k欧姆，Cps=68pF。由自激振荡电路和相位转换机构，我们构造了电机的一种自激振荡驱动电路。图17显示了由上述电路结构产生的信号。虽然信号中包含有高频成分，但主要成分频率为2