超聲電機中一種非線性現(xiàn)象的試驗研究*

趙孟強， 任一峰， 汲德明， 胡 威

(中北大學 伺服電機控制實驗室，山西 太原 030051)

超聲電機中一種非線性現(xiàn)象的試驗研究*

趙孟強， 任一峰， 汲德明， 胡 威

(中北大學 伺服電機控制實驗室，山西 太原 030051)

研究了超聲電機較長時間運行時溫度上升，導致了定子的共振頻率下降進而使機體的轉(zhuǎn)速下降的非線性問題。對超聲電機的多種非線性進行了簡要分析，然后針對這種非線性問題，基于弧極電壓的頻率跟蹤方法設計了一套有效的控制電路，通過上位機軟件編程使電機的這種非線性現(xiàn)象顯示出來。最后在試驗平臺的基礎上，對超聲電機的這種非線性處理前后的結果進行了比較，驗證了采用此方法及其控制電路提高了超聲電機的穩(wěn)定性和可靠性。

超聲電機； 頻率跟蹤； 非線性； 試驗研究

0 引 言

超聲電機是一種新型的微電機，完全不同于傳統(tǒng)電機利用電磁驅(qū)動的原理，而是利用壓電陶瓷的逆壓電原理將定子的高頻機械振動通過摩擦耦合轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的宏觀運動[1]。它不需要磁鐵和線圈，并以設計靈活、低速大轉(zhuǎn)矩、無電磁干擾等特點，在精密定位儀、航空航天、微型機器人等領域有著十分廣闊的應用前景，世界各國都投入了大量的人力物力開始研究超聲電機[2]。

由于這種摩擦傳動的機制，在超聲電機運行中存在許多非線性因素，所以嚴重影響著電機的穩(wěn)定運行和精確控制。對于超聲電機長時間運行時壓電陶瓷會升溫導致定子的共振頻率下降，進而使電機轉(zhuǎn)速下降的非線性問題[3]，如果使電源驅(qū)動頻率能夠跟隨溫度而發(fā)生變化，諧振頻率就能達到有效跟蹤。這種頻率自跟蹤技術的采用就可以使電機速度得到穩(wěn)定控制。

1 頻率自動跟蹤技術

超聲電機較長時間運行后，諧振頻率一般會下降，如圖1所示。圖1中A1為超聲電機正常運行的速度-頻率曲線，A2為升溫后的速度-頻率曲線，wp和wp′是對應的共振頻率。設B1為A1的工作點，當超聲電機溫度升高后，諧振曲線由A1變?yōu)锳2時，如果使驅(qū)動頻率不變，則工作點變?yōu)锽2。因此，驅(qū)動器只有降低驅(qū)動信號的頻率，才能使工作點上升為B3，以保持原來的轉(zhuǎn)速n1，這就是頻率自動跟蹤技術[4-5]。

圖1 超聲電機在不同溫度下的諧振曲線

為了使超聲電機一直保持在穩(wěn)定運行狀態(tài)，滿足所需要的工作特性，常用的頻率自動跟蹤方法有兩大類[6]： 一種是利用在壓電陶瓷的弧極上安裝傳感器，通過反饋的電壓信號來檢測電機的轉(zhuǎn)速，但不能應用在無法安裝傳感器的場合；另一種是利用驅(qū)動電壓、驅(qū)動電流、驅(qū)動相位等參數(shù)，但這種方法限制條件多，實現(xiàn)電路復雜而且參數(shù)的選擇也不容易。本文使用基于弧極電壓的頻率和跟蹤技術是控制非線性的簡單可行的方法。

2 基于弧極電壓的速度穩(wěn)定性控制

2.1 弧極電壓反饋的跟蹤方法研究過程

采用弧極電壓的方法要求比較簡單，在壓電陶瓷片中S區(qū)可安裝弧極傳感器，由于安裝位置的特殊性，通過檢測弧極電壓的信號即可反應定子振幅，如圖2所示，而弧極電壓與轉(zhuǎn)速又有線性關系[7]，如圖3所示。因此，當超聲電機的轉(zhuǎn)速偏離正常工作狀態(tài)時，根據(jù)這個電壓的反饋，調(diào)節(jié)驅(qū)動電路的頻率來跟蹤轉(zhuǎn)速的變化。

圖4為弧極電壓的驅(qū)動系統(tǒng)控制策略框圖，采用比例P控制，設定正常工作時的弧極電壓值為設定值，當偏差產(chǎn)生時，P控制器就會立即做出響應來減少這個偏差，而且正常情況下可以改變電壓的設定值來進行電機的調(diào)速。這樣通過微處理器的調(diào)節(jié)，就能很好地補償超聲電機因長時間的溫升而產(chǎn)生的速度偏差。

圖2 弧極交流電壓的變化曲線

圖3 弧極電壓與轉(zhuǎn)速關系

圖4 弧極電壓的驅(qū)動控制策略框圖

2.2 速度穩(wěn)定性的弧極電壓硬件電路

(1) 頻率發(fā)生器。采用壓控振蕩器CD4046，即使用外部電壓和弧極反饋的電壓相比較來調(diào)節(jié)輸出電壓的頻率。

(2) 分頻分相器。將壓控振蕩器輸出的信號轉(zhuǎn)化為超聲電路需要的四路相差90°方波信號，使用移位寄存器CD10194即可實現(xiàn)。由于輸出波形加到推挽電路上可能會引起上下橋臂開關管的同時導通，所以需要使用積分法設置死區(qū)。

(3) 功放和匹配電路。采用推挽型放大電路將四路方波信號轉(zhuǎn)化為兩路放大的方波信號，由于超聲電機是容性負載，所以須使用匹配電路來濾掉方波信號產(chǎn)生的高頻諧波信號以將基波取出，改善電機輸出電壓的波形。

(4) 弧極反饋部分。這部分使用二階RC濾波環(huán)節(jié)，把弧極傳感器采集到的信號轉(zhuǎn)化成與電機速度成線性關系的直流電壓信號傳給壓控振蕩器。電路圖如圖5所示。

圖5 弧極反饋電路

2.3 軟件的設計思路

軟件設計是對于弧極反饋的電壓信號進行處理，一旦與設定值有偏差即調(diào)節(jié)驅(qū)動電路工作頻率來保證電機穩(wěn)定運行。由于弧極電壓與轉(zhuǎn)速存在線性關系，見圖3，特別編程設計了將反饋的電壓轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速的波形，更直觀簡單地反映了電機長時間工作的穩(wěn)定性漂移以及采取控制方法后的穩(wěn)定性波形。其軟件編程框如圖6所示。

圖6 軟件設計框圖

3 試驗平臺測試驗證

本測試首先應用本設計系統(tǒng)測出了自制的環(huán)形行波型超聲電機的正常工作頻率，經(jīng)過多次調(diào)試，確定了溫升前的最佳工作頻率為33.325kHz，在不加弧極電壓反饋時長時間運行所測得的工作曲線如圖7所示。由圖7可知，經(jīng)過了1400s后電機的轉(zhuǎn)速開始下降，一直持續(xù)到2500s溫度上升到了一定的值之后，工作頻率穩(wěn)定后轉(zhuǎn)速才開始穩(wěn)定。

圖7 處理前的電機運行狀態(tài)

當對系統(tǒng)加了弧極電壓反饋之后，當溫度上升導致的工作頻率下降時，對反饋信號與設定電壓信號所比較產(chǎn)生的偏差值進行處理，以此來調(diào)整電機的工作頻率使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在一定范圍之內(nèi)。如圖8所示為工作頻率的調(diào)整過程，經(jīng)過測試的工作曲線如圖9所示，因溫升引起的非線性已經(jīng)得到了很好地控制和提高，轉(zhuǎn)速誤差率已經(jīng)改善到相差5%以內(nèi)，可見此方案行之有效。

圖8 經(jīng)過弧極反饋處理后的工作狀態(tài)

4 結 語

本文對超聲電機弧極電壓反饋控制設計了一套有效的反饋驅(qū)動電路，并使用軟件編程對轉(zhuǎn)速變化曲線進行了比較。通過試驗研究表明，對于

圖9 工作頻率隨溫度的變化圖

超聲電機長時間運行，溫漂引起的非線性問題，采用本文的設計方法能夠使電機的穩(wěn)定運行速度得到有效的解決和提高。

[1] 夏長亮，鄭堯，史婷娜.行波接觸型超聲波電機定子振動有限元分析[J].中國電機工程學報，2001，21(2)： 25-32.

[2] 趙淳生.世界超聲電機技術的新進展[J].振動、測試與診斷，2004，24(1)： 1-5.

[3] 王華云.超聲波電機驅(qū)動控制系統(tǒng)研究[D].武漢： 華中科技大學，2005.

[4] 陳志華，趙淳生.一種簡單實用的超聲電機頻率跟蹤控制技術[J].壓電與聲光，2003，25(2)： 149-151.

[5] 胡敏強，金龍，顧菊平.超聲波電機原理與設計[M].北京： 科學出版社，2005.

[6] 趙淳生.超聲電機技術與應用[M].北京： 科學出版社，2007.

[7] 祖家奎，趙淳生.行波型超聲電機頻率自動跟蹤控制技術評述[J].微電機，2004，37(6)： 47-50.

Experimental Research on Non-Linear Phenomena in Ultrasonic Motor*

ZHAOMengqiang,RENYifeng,JIDeming,HUWei

(Servo Motor Control Laboratory， North University of China, Taiyuan 030051, China)

The non-linear phenomena was researched which affected on ultrasonic motor speed stability because of the resonance frequency of the stator decrease when it run in a long time. A variety of ultrasonic motor’ non-linear phenomena were analyzed secondly, to the non-linear question, the effective hardware circuitry based on frequency tracking method of arc voltage was designed, and it was represented visually that the motor’s state by PC software programming. Finally, based on the experiments, the two states which the non-linear phenomena effected motor’stability was compared. These results found that the method and the hardware circuitry improve the motor speed stability and operation performance.

ultrasonic motor; frequency tracking; non-linearity; experimental study

山西省自然科學基金項目(2015011043)

趙孟強(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為超聲電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)的研究。 任一峰(1968—)，男，教授，研究方向為先進電機的傳動與控制研究、復雜系統(tǒng)仿真與控制等。

TM 356

A

1673-6540(2016)07-0092-03

2015-12-02