直線超聲馬達運動系統(tǒng)的基本原理及故障分析

任澤生 郝曉亮 吳海 翟玉衛(wèi)

摘要：介紹了一種直線超聲馬達的特點及原理，在分析其控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，概述了超聲馬達在設(shè)備中的接線結(jié)構(gòu)及控制理論，總結(jié)了直線超聲馬達系統(tǒng)的常見故障，并提出了各種故障的處理措施。

Abstract： Introduces the characteristics and principles of the linear ultrasonic motor in the alignment tester. Based on the analysis of its control system， the wiring structure and control theory of the ultrasonic motor in the equipment are summarized， and the common faults of the ultrasonic motor system are summarized. Proposes various troubleshooting measures.

關(guān)鍵詞：超聲馬達;驅(qū)動足;差分連接;運動偏差

Key words： ultrasonic motor;drive foot;differential connection;movement deviation

中圖分類號：U472.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0079-03

0? 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，與傳統(tǒng)電磁馬達工作原理不同的超聲馬達技術(shù)得到迅速發(fā)展和應(yīng)用。超聲馬達具有結(jié)構(gòu)小，無齒輪驅(qū)動;運動慣性小，響應(yīng)快，斷電自鎖;位置速度控制好，位移精度高;防磁場干擾;低噪聲等優(yōu)點。國內(nèi)外不斷出現(xiàn)各種樣式的超聲馬達，其中直線超聲馬達具有無需轉(zhuǎn)換裝置，直接輸出直線運動及推力，分辨率和運動精度高等優(yōu)點。1995年，Nanomotion公司提出了一種利用薄板面內(nèi)一階縱振和二階彎振模態(tài)耦合的單驅(qū)動足直線超聲馬達，提高馬達的輸出效率，并逐步形成以HR系列為代表的產(chǎn)品，在精密加工測量儀器、半導(dǎo)體加工設(shè)備等領(lǐng)域占據(jù)一定份額，駐波直線超聲馬達在實際應(yīng)用中越來越廣[1]。

國內(nèi)外文獻主要集中在直線超聲馬達的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化[2]、建模仿真[3]、驅(qū)動模型[4]、能量損耗[5]、驅(qū)動足摩擦材料[6]等方向進行研究，還有部分文獻對超聲馬達的進展[7]進行一系列的討論。但文獻少有對已應(yīng)用在半導(dǎo)體、精密加工等領(lǐng)域的直線超聲馬達運動系統(tǒng)的常見故障及處理方式的討論。

本文以Nanomotion公司研制的面內(nèi)縱彎復(fù)合模態(tài)HR系列直線超聲馬達在對位測試機中的應(yīng)用為對象，簡單介紹超聲馬達基本原理，對超聲馬達運動系統(tǒng)的常見故障進行梳理分析，并給出相應(yīng)處理措施。

1? 超聲馬達系統(tǒng)基本原理

超聲馬達是整個運動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其工作原理是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，激發(fā)彈性體（定子）在超聲頻段內(nèi)的振動，并通過定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦作用將振動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)或直線運動，從而驅(qū)動負載。通過從馬達薄板一階面內(nèi)縱向伸縮振動E1模態(tài)和二階面內(nèi)彎曲振動B2模態(tài)的分析，如圖1所示，可以闡明質(zhì)點橢圓運動軌跡的形成過程。

E1 （x）、B2 （x）分別為自由邊界條件下，一階縱向振動模態(tài)和二階彎曲振動模態(tài)的振型函數(shù)[8]。

長度。

忽略其他模態(tài)對工作模態(tài)的影響，應(yīng)用假設(shè)模態(tài)法，在定子上施加sin（ωt）和sin（ωt+？準）的兩相電壓激勵信號后，定子被激發(fā)的模態(tài)相應(yīng)為：

由式（2）可知，一階縱振位移和相位與二階彎振位移相位存在±π/2的相位差。并且一階縱振位移方向與二階彎振位移方向始終相互垂直，所以位于二階彎振波幅處的驅(qū)動足可以形成橢圓運動軌跡。而定子表面質(zhì)點的橢圓運動軌跡的好壞是影響直線型超聲馬達的輸出性能的關(guān)鍵。

超聲馬達運動系統(tǒng)由控制器（PC或控制板）、驅(qū)動放大器模塊、馬達運動平臺以及反饋系統(tǒng)四個方面構(gòu)成?？刂破鲗⑿盘杺鬏?shù)津?qū)動器上，由驅(qū)動器產(chǎn)生一個高頻正弦波形，驅(qū)動平臺上的HR馬達壓電陶瓷往復(fù)性振動，帶動線性或環(huán)形陶瓷板在某一方向發(fā)生位移。位移的變化量再通過光柵尺及編碼器（讀頭）反饋到控制器中，完成閉環(huán)控制。

2? 超聲馬達系統(tǒng)常見故障

超聲馬達控制技術(shù)在半導(dǎo)體設(shè)備領(lǐng)域得到廣泛的使用，但因磨損、能量消耗等問題，導(dǎo)致超聲馬達系統(tǒng)在實際應(yīng)用過程中出現(xiàn)幾種常見故障。

2.1 控制單元常見故障

控制單元主要根據(jù)設(shè)定的預(yù)置以及反饋信號，經(jīng)過運算處理向控制放大器輸出±10V以內(nèi)的模擬指令。

由控制器故障引發(fā)的主要表現(xiàn)為：超聲馬達無動作，隨機性運動報警等情況。通過軟件界面檢查馬達系統(tǒng)參數(shù)及IO狀態(tài)、位置信息，測量實際輸出的模擬指令，或用外部操縱桿替代控制器等方式來判斷控制器是否異常。

首先需要排除控制板或信號線接觸不良導(dǎo)致的故障，拔插接口并使用電子清洗劑清理所有與控制板連接的接頭，測量控制線線阻情況。其次通過Service configure界面，手動控制超聲馬達定距運動，如模擬量輸出信號，但設(shè)定位置與實際運動位置有偏差引發(fā)報警，可通過調(diào)整PID、PositionLimits及DelayTime等參數(shù)改善馬達運動情況。手動控制超聲馬達定距運動，如模擬量有輸出但馬達無動作，則需要通過硬件的操縱桿代替控制器輸出控制信號，如果馬達發(fā)生移動，可排除其他組件問題，基本確認控制器內(nèi)部元件有故障。

2.2 驅(qū)動放大器接線及常見故障

HR壓電馬達配備專用放大器，AB1A、AB2、AB4以及AB5系列，也可以用其他符合要求的驅(qū)動電路去控制。驅(qū)動器可采用差分連接、非差分連接或遙控桿連接多種方式。差分連接具有較強的抗干擾能力，如圖2所示，故對位檢測設(shè)備中也采用此種方式。

馬達運動與驅(qū)動器的輸入電壓為線性響應(yīng)，因此馬達和驅(qū)動器的操作類似于由電壓放大器對直流馬達進行驅(qū)動。當(dāng)工作在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中時，驅(qū)動器作為一個速度放大器來工作，它從控制器接收+/-10V范圍模擬信號，將控制器信號轉(zhuǎn)換成交流電壓以39.6kHz頻率驅(qū)動電動機運動。當(dāng)工作在一個開環(huán)模式中時，放大器能從外部操縱桿接收信號，提供連續(xù)或者步進模式的運動。在不施加驅(qū)動電壓的情況下，壓電陶瓷板靜止不動，并在平臺上產(chǎn)生保持力矩，保持扭矩的馬達不會造成任何位置的改變。另外，馬達具有級聯(lián)功能，當(dāng)需要增大驅(qū)動功率時，可在系統(tǒng)中加入多個馬達。

驅(qū)動放大器可根據(jù)前面板指示燈的7種狀態(tài)，如表1所示，以及輸入與輸出信號判斷是否正常工作。電源燈不亮需要檢查24V供電是否正確，使能燈不亮需要檢查馬達與驅(qū)動器之間的接線。馬達處于使能狀態(tài)，輸入±10V電壓信號正常情況下，測量無輸出信號，則驅(qū)動器內(nèi)部電路故障。

驅(qū)動器內(nèi)部由三個主卡組成。邏輯卡和驅(qū)動卡與所有AB5配置通用，可以隨意進行交換替代，而剩余的參數(shù)卡，配置的馬達不同，參數(shù)設(shè)定也不相同，需要進行特定的配置才可進行更換。

2.3 馬達運動平臺及常見故障

運動平臺主要有超聲馬達、轉(zhuǎn)子及導(dǎo)軌等部件構(gòu)成。直線超聲馬達為該結(jié)構(gòu)的核心組件，內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖3所示，主要由8片壓電陶瓷片和矩形金屬板組成，壓電陶瓷通過粘合劑貼在金屬板上。壓電陶瓷對稱分布，金屬板正面A、C陶瓷片施加sin（ωt）的電激勵，B、D陶瓷片同時施加sin（ωt+？準）的電激勵，其中兩個信號的相位差？準=π/2，金屬彈性體接地。如果要使動子反向運動，只需將？準變?yōu)?π/2。金屬板背面另外4片壓電陶瓷片分布與正面壓電陶瓷片相對金屬板成對稱分布。

平臺通過固定的超聲馬達的驅(qū)動足推動導(dǎo)軌上的陶瓷板（轉(zhuǎn)子）進行往復(fù)運動。超聲馬達運動有兩個重要的動力傳送過程，一是通過壓電陶瓷將電能轉(zhuǎn)換為定子振動能的過程，主要取決于壓電材料的性能。另一個是繼續(xù)通過定子、動子之間的摩擦作用傳送給動子機械能的過程，主要取決于定子表面質(zhì)點的運動軌跡[9]。

馬達部分能量損失以熱能在馬達溫升上體現(xiàn)。當(dāng)溫度小于85℃時，馬達正常工作;當(dāng)溫度升至85-100℃之間時，驅(qū)動器指示燈顯示溫度警告，馬達正常工作;當(dāng)溫度超過100℃時，溫度報警，馬達停止工作，需降溫至85度以下，重新復(fù)位使能，馬達才能恢復(fù)工作狀態(tài)。當(dāng)頻繁溫度報警時，需降低環(huán)境溫度、增大馬達工作間隔、增加散熱降溫功能組件。

運動精度會受到摩擦損耗的影響，因此超聲馬達具有一定的使用壽命。使用一定時間或者出現(xiàn)運動偏差報警時，對運動平臺進行拆卸，清理驅(qū)動足與導(dǎo)軌，可顯著降低報警頻率。圖4中所示T軸馬達清理前與清理后，超聲馬達運動20次正反偏差的改善情況。

清理過程中確保馬達驅(qū)動足不受機械沖擊，不用溶劑，只用無塵布擦拭即可。調(diào)試馬達需先安裝到位再加電測試。馬達以諧振頻率運行，對電路電容值很敏感，因此不能隨意對馬達自帶電纜長度進行改變。

2.4 反饋系統(tǒng)常見故障

反饋系統(tǒng)包含光柵尺和讀頭等元件，常見故障由光柵尺沾污、讀頭松動導(dǎo)致，需要進行對光柵尺讀頭組件進行清理維護調(diào)試。

將驅(qū)動器設(shè)定為無使能狀態(tài)，并移動滑塊與馬達的相對位置，反饋位移應(yīng)也發(fā)生變化，讀頭應(yīng)時刻亮綠燈。如在移動過程中讀頭指示閃動橘色或紅色指示，則應(yīng)清理光柵尺或者調(diào)試讀頭。用含有丙酮等快速揮發(fā)的溶劑無塵布，沿光柵尺刻度線的平行單一方向進行輕輕擦拭，避免擦拭過程中細小顆粒將刻度劃傷。如光柵尺上有明顯劃痕，清理調(diào)試后仍異常，則需更換光柵尺或讀頭組件。

3? 結(jié)束語

超聲馬達這種基于壓電效應(yīng)和超聲振動的高新技術(shù)產(chǎn)品，憑借優(yōu)異的性能，在自動控制、超精密加工、微電子測試等設(shè)備中正快速普及。通過對超聲馬達基本原理的認識，了解其控制方式及接線方式，掌握超聲馬達的常見故障的維護處理方法，可快速的恢復(fù)此類設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，并一定程度提高馬達的利用效率。

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