超聲電機(jī)性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究

蔡衛(wèi)剛

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，陜西 西安 710089）

超聲電機(jī)（Ultrasonic Motor，USM）技術(shù)是振動(dòng)學(xué)、波動(dòng)學(xué)、摩擦學(xué)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、電力電子、自動(dòng)控制、新材料和新工藝等學(xué)科結(jié)合的新技術(shù)。超聲電機(jī)不像傳統(tǒng)的電機(jī)那樣利用電磁的交叉力來(lái)獲得其運(yùn)動(dòng)和力矩，而超聲電機(jī)則是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)來(lái)獲得其運(yùn)動(dòng)和力矩的，將材料的微觀變形通過(guò)機(jī)械共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的宏觀運(yùn)動(dòng)。在這種新型電機(jī)中，壓電陶瓷材料盤(pán)代替了許許多多的銅線圈。

超聲電動(dòng)機(jī)將電致伸縮，超聲振動(dòng)，波動(dòng)原理這些毫不相干的概念與電機(jī)聯(lián)系在一起，創(chuàng)造出一種完全新型的電動(dòng)機(jī)。在超聲電機(jī)中無(wú)滑動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子的速度由振動(dòng)速度決定，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般很低，每分鐘只有十幾轉(zhuǎn)到幾百轉(zhuǎn)，但是，超聲電機(jī)不用線圈 ，也沒(méi)有磁鐵，結(jié)構(gòu)相體積小，重量輕；與普通電機(jī)相比，在輸出轉(zhuǎn)矩相同的情況下，可以做得更小，更輕，更薄。 超聲電動(dòng)機(jī)靠摩擦力驅(qū)動(dòng)，質(zhì)量較輕，慣性小，響應(yīng)速度快，起動(dòng)和停止時(shí)間為毫秒量級(jí)。

因此它可以實(shí)現(xiàn)高精度的速度控制和位置控制。盡管有這么多鮮明的優(yōu)點(diǎn)，但從它所應(yīng)用的角度來(lái)看，超聲電機(jī)仍然是一種執(zhí)行器，它還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下就能執(zhí)行精確的速度和位置命令的程度。從控制的難易程度來(lái)看，超聲電機(jī)比電磁電機(jī)的控制更難，這是由超聲電機(jī)的控制變量與轉(zhuǎn)速以及負(fù)荷之間的關(guān)系所決定的[1-3]。

1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試多自由度電機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1 多自由度電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1 多自由度電機(jī)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the multi-DOF motor

多自由度電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該電機(jī)的定子由一個(gè)夾心式彎曲圓環(huán)型換能器和一個(gè)壓電多層振子組成。彎曲換能器由兩個(gè)圓環(huán)型縱振動(dòng)壓電片被基底和鋁塊夾心而構(gòu)成。壓電片的厚度為2 mm。其外直徑和內(nèi)直徑分別為20 mm和10 mm。壓電片負(fù)方向的電機(jī)分別和基底和鋁塊相連。正電極用砂紙打磨掉，電極x、x′，y和y′被插在兩個(gè)壓電片中間以產(chǎn)生兩個(gè)方向的彎曲振動(dòng)。通過(guò)選擇兩個(gè)處電極y和y′，可以產(chǎn)生另一個(gè)方向的彎曲振動(dòng)[4]。

圖2 壓電多層振子的形狀及電極結(jié)構(gòu)Fig.2 Shape and electrode structure of the piezoelectric multi-oscillator

定子豎直方向的縱振動(dòng)由壓電多層振子來(lái)產(chǎn)生。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。振子的外直徑為19 mm，內(nèi)直徑為7.4 mm，厚度為5 mm。該振子由50～100層的壓電晶片組成。每一層晶片的厚度約為50 μm。該振子的優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)工作電壓較低時(shí)，振子可以在非共振的條件下，在定子表面產(chǎn)生大的縱振動(dòng)位移。

1.2 多自由度電機(jī)的工作原理

由于該電機(jī)的縱振動(dòng)和彎曲振動(dòng)分別由不同的振子來(lái)產(chǎn)生，因而不同的振動(dòng)模式之間是獨(dú)立的，不會(huì)產(chǎn)生耦合運(yùn)動(dòng)。定子有3種振動(dòng)模式，這3種振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方向是相互垂直的。通過(guò)兩種運(yùn)動(dòng)模式的組合，可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的三自由度轉(zhuǎn)動(dòng)。其工作原理如圖3所示。利用y方向的二階彎曲振動(dòng)和多層振子一階縱振動(dòng)的組合，可以產(chǎn)生x方向的轉(zhuǎn)動(dòng)[3]。在激勵(lì)時(shí)，縱振動(dòng)激勵(lì)電壓信號(hào)的相位和彎曲振動(dòng)激勵(lì)電壓信號(hào)的相位相差900。同理，對(duì)于饒y軸的旋轉(zhuǎn)，可以利用x方向的彎曲振動(dòng)和z方向的縱振動(dòng)組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。Z軸的旋轉(zhuǎn)可以通過(guò)激勵(lì)兩個(gè)方向的彎曲振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。多自由度的工作原理如圖3所示。

圖3 多自由度電機(jī)的工作原理Fig.3 Multiple degrees of freedom of the motor working principle

2 不同予應(yīng)力作用下頻率、相位與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，首先給系統(tǒng)輸入信號(hào)，通過(guò)功率放大器把信號(hào)放大再輸入到多自由度超聲電機(jī)，多自由度超聲電機(jī)的變化情況在旋轉(zhuǎn)編碼器的作用下最終通過(guò)示波器可以觀察出來(lái)[5－7]。系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)框圖如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試框圖Fig.4 Laboratory testing diagram

2.1 不同予應(yīng)力作用下，頻率與旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)系

測(cè)試條件有以下兩個(gè)方面:

1）彎曲振動(dòng)電壓：Vpp=250 V

2）相位 900

本實(shí)驗(yàn)研究的是在不同予應(yīng)力作用下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨頻率的變化關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)控制頻率來(lái)控制其轉(zhuǎn)速的大小，但是在予應(yīng)力不同的情況下，電機(jī)能轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)的頻率是不一樣的，予應(yīng)力越大要求能使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)的起始頻率就越高，同時(shí)隨著轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的逐漸增大轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)數(shù)也越來(lái)越少，因此，通過(guò)控制頻率可以控制電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速[8－9]。

本實(shí)驗(yàn)研究的是在不同予應(yīng)力作用下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨頻率的變化關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)控制頻率來(lái)控制其轉(zhuǎn)速的大小，但是在予應(yīng)力不同的情況下，電機(jī)能轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)的頻率是不一樣的，予應(yīng)力越大要求能使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)的起始頻率就越高，同時(shí)隨著轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的逐漸增大轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)數(shù)也越來(lái)越少，因此，通過(guò)控制頻率可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.2 相位與旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)系

相位與旋轉(zhuǎn)速度關(guān)系的測(cè)試條件:

1）縱振動(dòng)電壓 Vpp=10 V

2）彎曲振動(dòng)電壓 Vpp=250 V

3）頻率f=23.7 kHz

本實(shí)驗(yàn)是研究相位與旋轉(zhuǎn)速度之間的關(guān)系，通過(guò)改變電機(jī)不同時(shí)刻的相位來(lái)測(cè)試其轉(zhuǎn)速，最終通過(guò)轉(zhuǎn)速的變化分析相位與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系[10]。

圖像顯示如圖5所示由上圖可知，電機(jī)相位達(dá)到一定值之后其轉(zhuǎn)速隨相位的逐漸增大而增大，當(dāng)相位度數(shù)達(dá)到900時(shí)，其轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值，因此，要改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)改變相位改變。

圖5 相位隨旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)系Fig.5 Phase relationship with the rotating speed

3 結(jié)論

超聲電機(jī)是一種新型電機(jī)，它利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，使定子表面產(chǎn)生一定軌跡的微米量級(jí)的振動(dòng)，進(jìn)而通過(guò)摩擦耦合將振動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或滑塊的宏觀運(yùn)動(dòng)（轉(zhuǎn)動(dòng)或平動(dòng)）動(dòng)能[10]。

通過(guò)對(duì)超聲電機(jī)的研究，得出超聲電機(jī)在工作狀態(tài)下，有很多因素會(huì)影響其轉(zhuǎn)速，針對(duì)這種情況我們對(duì)它進(jìn)行探索，經(jīng)過(guò)理論與實(shí)踐的相結(jié)合得到影響超聲電機(jī)。

1）在不同的予應(yīng)力作用下，電機(jī)頻率隨旋轉(zhuǎn)速度的變化而變化，變化趨勢(shì)是先隨頻率逐漸增長(zhǎng)到一定的程度后再呈下滑的趨勢(shì)。

2）超聲電機(jī)相位也隨旋轉(zhuǎn)速度的變化而變化。旋轉(zhuǎn)速度是隨相位的逐漸增大而加快，最終當(dāng)相位達(dá)到900 時(shí)其旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到最大值。

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