特种电机及其控制 超声波电动机.ppt
特种电机及其控制,超声波电动机,Ultrasonic Motor,特种电机及其控制,1 超声波电动机的基本原理,3 超声波电动机的优点及其应用,2 超声波电动机的发展,6 超声波电机存在的问题及研究重点,4 超声波电动机的常见结构与分类,5 行波型超声波电动机的驱动控制,教学基本要求,超声波电动机及其发展概况,分析与思考,练习题,返回主页,特种电机及其控制,超声波电动机(Ultrasonic Motor，简称USM)是近年来发展起来的一种全新概念的驱动装置，它利用压电材料的逆压电效应(即电致伸缩效应)，把电能转换为弹性体的超声振动，并通过摩擦传动的方式转换成运动体的回转或直线运动。这种新型电机一般工作于20kHz以上的频率，故称为超声波电动机。,1 超声波电动机的基本原理,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,超声波电动机的不同命名：如振动电动机(Vibration Motor)、压电电动机(Piezoelectric Motor)、表面波电动机(Surface Wave Motor)、压电超声波电动机(Piezoelectric Ultrasonic Motor)、超声波压电驱动器/执行器(Ultrasonic piezoelectric actuator)等等。,特种电机及其控制,1.1 超声波电动机的结构,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,特种电机及其控制,上一页,下一页,返回,上一节,下一节,超声波电动机由定子(振动体)和转子(移动体)两部分组成 但电机中既没有线圈也没有永磁体，其定子由弹性体(Elastic body)和压电陶瓷(Piezoelectric ceramic)构成 转子为一个金属板。定子和转子在压力作用下紧密接触，为了减少定、转子之间相对运动产生的磨损，通常在二者之间(在转子上)加一层摩擦材料。,特种电机及其控制,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,工作原理：对极化后的压电陶瓷元件施加定的高频交变电压，压电陶瓷随着高频电压的幅值变化而膨胀或收缩，从而在定子弹性体内激发出超声波振动，这种振动传递给与定子紧密接触的摩擦材料以驱动转子旋转。,特种电机及其控制,上一页,下一页,返回,上一节,下一节,当对粘接在金属弹性体上的两片压电陶瓷施加相位差为90电角度的高频电压时，在弹性体内产生两组驻波(Standing Wave)，这两组驻波合成一个沿定子弹性体圆周方向行进的行波(Progressive Wave/Travelling Wave)，使得定子表面的质点形成一定运动轨迹(通常为椭圆轨迹)的超声波微观振动，其振幅一般为数微米，这种微观振动通过定子(振动体)和转子(移动体)之间的摩擦作用使转子(移动体)沿某一方向(逆行波传播方向)做连续宏观运动。,特种电机及其控制,上一页,下一页,返回,上一节,下一节,A.行波的形成,将极化方向相反的压电陶瓷依次粘贴于弹性体上，当在压电陶瓷上施加交变电压时，压电陶瓷会产生交替伸缩变形，在一定的频率和电压条件下，弹性体上会产生图示的驻波，用方程表示为,1)高频电压驻波,1.2 USM的工作原理,特种电机及其控制,上一页,下一页,返回,上一节,下一节,A.行波的形成,2)两驻波行波,设A、B两个驻波的振幅同为0，二者在时间和空间上分别相差90，方程分别为,在弹性体中，这两个驻波的合成为一行波,特种电机及其控制,上一页,下一页,返回,上一节,下一节,极化规律：将一片压电陶瓷环极化为A、B两相区，两相区之间有/4的区域未极化，用作控制电源反馈信号的传感器，另有3/4波长的区域作为两相区的公共区。极化时，每隔1/2波长反向极化，极化方向为厚度方向。图中“+”“”代表压电片的极化方向相反，两组压电片空间相差/4，相当于90，分别通以同频、等幅、相位相差为90的超声频域的交流信号，这样两相区的两组压电体就在时间与空间上获得90相位差的激振。,A.行波的形成,3)在USM中形成行波,USM的定子由环形弹性体和环形压电陶瓷构成，压电陶瓷按图示的规律极化，即可产生两个在时间和空间上都相差90的驻波。,特种电机及其控制,上一页,下一页,返回,上一节,下一节,B.弹性体表面的椭圆运动,设弹性体厚度为h。若弹性体表面任一点P在弹性体未挠曲时的位置为P0，则从P0到P在y方向的位移为,由于行波的振幅比行波的波长小得多，弹性体弯曲的角度 很小，故y方向的位移近似为,特种电机及其控制,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,B.弹性体表面的椭圆运动,从P0到P在x方向的位移为,又,所以,特种电机及其控制,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,弹性体表面上任意一点P按照椭圆轨迹运动，这种运动使弹性体表面质点对移动体产生一种驱动力，且移动体的运动方向与行波方向相反。,B.弹性体表面的椭圆运动,特种电机及其控制,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,弹性体表面质点的横向运动速度为,横向速度在行波的波峰和波谷处最大。若假设在弹性体与移动体接触处的滑动为零，则移动体的运动速度与波峰处质点横向速度相同。其最大速度为,V行波在定子中的传播速度 f 电机的激振频率,调节激振频率可以调节电机的转速，但是有非线性。在保持两相驻波等幅的前提下，若忽略压电陶瓷的应变随激励电压的非线性，改变驻波的振幅0，即调节压电陶瓷的激振电压，可以做到线性调速，这是调压调速的一大优点。,C.USM的调速方法,特种电机及其控制,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,2 超声波电动机的发展,超声波电动机的发展大体可分为以下三个阶段：,探索阶段(1948年20世纪70年代末)USM 原型出现实用化阶段(20世纪70年代末80年代末)商用USM 产品出现深层次研究(20世纪90年代)机理、材料、结构、驱动控制、应用 多样化,特种电机及其控制,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,1.探索阶段(1948年20世纪70年代末)1）超声波电动机的概念出现于1948年，英国的Williams和Brown申请了“压电电动机(Piezoelectric Motor)”的专利，提出了将振动能作为驱动力的设想，然而由于当时理论与技术的局限，有效的驱动装置未能得以实现。2）1961年，Bulova Watch Ltd公司首次利用弹性体振动来驱动钟表齿轮，工作频率为360Hz，这种钟表走时准确，每月的误差只有一分钟，打破了那个时代的纪录，引起了轰动。3）前苏联学者V.V.Lavrinenko 于1964年设计了第一台压电旋转电机，此后前苏联在超声波电机研究领域一度处于世界领先水平，如设计了用于微型机器人的有2 或3 个自由度的超声波电机、人工超声肌肉及超声步进电机等。不过，由于语言等方面的原因,前苏联的一些重要研究成果并未被西方科学界所充分了解。4）1969 年，英国Salfod 大学的两名教授介绍了一种伺服压电电机，这种电机采用二片式压电体结构，其速度、运动形式和方向都可以任意变化，响应速度也是传统结构电机所不能及的。5）美国IBM 公司的Barth 也在1973 年提出了一种超声波电动机的模型，从而使这种新型电机可以实现真正意义上的工作。,特种电机及其控制,2.实用化阶段(20世纪70年代末80年代末)1978年，前苏联的Vasiliev成功地构造了一种能够驱动较大负载的压电超声波电动机，这种电机使用由位于两个金属块之间的压电元件所组成的超声换能器，将该换能器激起与转子接触的振动片纵向振动，通过振动片与转子间的摩擦来驱动转子转动。这种结构的优点在于不仅能降低共振频率，而且能放大振幅，遗憾的是，这种电机在运转时由于温度的升高、摩擦及磨损等原因，很难保持振动片的恒幅振动。日本的T.Sashida在Vasiliev的研究基础上，于1980年提出并成功地制造了一种驻波型超声波电动机。该电机使用Langevin激振器，驱动频率为27.8 kHz，电输入功率为90W，机械输出功率为50W，输出扭矩为0.25Nm，首次达到了能够满足实际应用的要求，但由于振动片与转子的接触是固定在一个位置上，仍存在着接触表面上摩擦和磨损等问题。,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,特种电机及其控制,1982年，Sashida又提出并制造了另一台超声波电动机行波型超声波电动机，从原来的由驻波定点、定期推动转子变换成由行波连续不断地推动转子，大大地降低了定子与转子接触面上的摩擦和磨损。这种电机能够运转的实质就是定子表面的质点形成了椭圆运动。之后，在日本掀起了利用各种振动模态的研究热潮，如利用纵向、弯曲、扭转等振动来获得椭圆运动。这种电机的研究成功，为超声波电动机走向实用阶段奠定了基础。1987年，行波超声波电动机终于达到了商业应用水平。此后许多超声波电动机新产品不断地研制出来并推向市场。到20世纪80年代中期日本已形成三个系列的超声波电动机：即日立马克赛尔公司的驻波扭转耦合器系列、松下电器公司的行波系列和新生公司的弯曲波模态系列。除日本外，Electro Mechanical Systems 公司也推出了英国第一个商用超声波电动机系列产品USR30。,上一页,下一页,返回,上一节,下一节,特种电机及其控制,3.深层次研究(20世纪90年代)在20世纪80年代，国外的研究工作主要集中在研究新的驱动机理、构造新的结构形式、开发新型电机等方面，着重于动力传输的实现，尚未能顾及到性能的改善。由于对超声波电动机的基础理论研究得不够透彻，没有形成完整的设计理论，使超声波电动机的研究带有一定程度的盲目性。直到90年代后，超声波电动机的建模、性能预测等理论问题才开始引起关注，但至今尚无系统的论述。目前，世界各国对超声波电动机的研究极为活跃，超声波电动机的研究趋向多元化。例如，美国利用其先进的材料和IC工艺研制出的微型超声波电动机，其尺寸仅有数百微米(250m500m2m)，驱动电压的典型值是5V，最低为1.5V，转速为150r/min。而大型超声波电动机的扭矩达400Nm。,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,特种电机及其控制,3 超声波电动机的优点及其应用,超声波电动机将电致伸缩、超声振动、波动原理这些毫不相干的概念与电机联系在一起，创造出一种完全新型的电动机。(1)低速大转矩:在超声波电机中，超声振动的振幅一般不超过几微米，振动速度只有几厘米每秒到几米每秒。无滑动时转子的速度由振动速度决定，因此电机的转速一般很低，每分钟只有十几转到几百转。由于定子和转子间靠摩擦力传动，若两者之间的压力足够大，转矩就很大。(2)体积小、重量轻:超声波电机不用线圈，也没有磁铁，结构相对简单，与普通电机相比，在输出转矩相同的情况下，可以做得更小、更轻、更薄。(3)反应速度快，控制特性好:超声波电动机靠摩擦力驱动，移动体的质量较轻，惯性小，响应速度快，起动和停止时间为毫秒量级。因此它可以实现高精度的速度控制和位置控制。,特种电机及其控制,4)无电磁干扰:超声波电动机没有磁极，因此不受电磁感应影响。同时，它对外界也不产生电磁干扰，特别适合强磁场下的工作环境。在对EMI(电磁干扰)要求严格的环境下，采用超声波电机也很合适。(5)停止时具有保持力矩:超声波电动机的转子和定子总是紧密接触，切断电源后，由于静摩擦力的作用，不采用刹车装置仍有很大保持力矩，尤其适合宇航工业中失重环境下的运行。(6)形式灵活，设计自由度大:超声波电动机驱动力发生部分的结构可以根据需要灵活设计。,3 超声波电动机的优点及其应用,特种电机及其控制,由于超声波电动机具有电磁电机所不具备的许多特点，尽管它的发明与发展仅有20多年的历史，但在宇航、机器人、汽车、精密定位、医疗器械、微型机械等领域已得到成功的应用。日本Canon公司将超声波电机用于其EOS620/650自动聚焦单镜头反射式照相机中；欧洲将超声波电机用于实验平台及微动设备，如1986年获Nobel物理学奖的扫描隧道显微镜(STM)；美国在宇宙飞船、火星探测器、导弹、核弹头等航空航天工程中也都陆续应用了超声波电动机。,3 超声波电动机的优点及其应用,特种电机及其控制,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,Tiny,Ultrasonic,Piezoelectric Motors Penn State University，USA,China Develops Worlds Thinnest Ultrasonic Motor(Peoples Daily Online,December 06,2001)The white cylindrical motor,developed by Chinas prestigious Qinghua University,is 5-millimeter long and weighs 36 mg.Its diameter is only one millimeter.The mini motor can be used in medical applications,bioscience and national defense.,清华大学研制的微型超声电机（2001）,特种电机及其控制,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,日本Canon 公司将USM用于照相机的聚焦系统,特种电机及其控制,NASA 将超声电机用于空间机器人技术Coddar Space F ligh t Cen ter 将超声电机应用于空间机器人技术。其中微型机器手MicroArm I 使用了具有力矩0.05 Nm 的超声电机。火星机器手MarsArm II 使用了3个具有力矩为0.68Nm 和一个具有0.11 Nm 的超声电机,特种电机及其控制,美国Vanderbilt 大学将超声电机应用于微型飞行器,上一页,下一页,返回,上一节,下一节,美国加州大学研制的智能药片,特种电机及其控制,4 超声波电动机的常见结构与分类,(1)环状或盘式行波型超声波电动机,由底部粘接着压电陶瓷元件的环状定子和环状转子构成。对极化后的压电陶瓷元件施加定的高频交变电压，在定子弹性体中形成沿圆周方向的弯曲行波。对定、转子施加一定的预压力，转子受到与行波传播方向相反的摩擦力作用而连续转动，定子上的齿槽用于改善电机的工作性能。,特种电机及其控制,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,(2)直线式行波型超声波电动机,双Langevin振子型：利用两个Langevin压电换能器，分别作为激振器和吸振器，当吸振器能很好地吸收激振器端传来的振动波时，有限长直梁似乎变成了根半无限长梁，这时，在直梁中形成单向行波，驱动滑块作直线运动。当互换激振器与吸振器的位置时，形成反向行波，实现反向运动。,单轨型直线超声波电动机，把金属两端焊接起来形成田径跑道状的定子轨道，并在上面设置具有压紧装置的移动体(滑块)。压电陶瓷片粘在导轨的背面，通过两相时间、空间互差90电角度的压电陶瓷横向伸缩，在封闭的弹性导轨中激发出由两个同频驻波叠加而成的行波，以此驱动压紧在导轨上的滑块做直线运动。,特种电机及其控制,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,(3)驻波型超声波电动机,Sashida研制的楔形驻波型超声波电动机:由Langevin振子、振子前端的楔形振动片和转子三部分组成。振子的端面沿长度方向振动，楔形结构振动片的前端面与转子表面稍微倾斜接触(夹角为)，诱发振动片前端产生向上运动的分量，产生横向共振，纵横振动合成的结果，使振动片前端质点的运动轨迹近似为椭圆。振动片向上运动时，振动片与转子接触处的摩擦力驱动转子运动；向下运动时，脱离接触，没有运动的传递，转子依靠其惯性保持方向向上的运动状态。这种电机设计简单，但存在两个缺点：在振动片与转子接触处磨损严重；转子转速较难控制，仅能单方向旋转。,特种电机及其控制,日立Maxell公司的改进型驻波超声波电动机，采用机械扭转连接器取代了楔形振动片，借助扭转连接器将压电振子产生的纵向振动诱发出扭转振动，两种振动在扭转连接器前端合成质点椭圆运动轨迹，驱动转子旋转。这种电机转速达到120r/min，输出转矩1.3Nm，能量转换效率为80，超过传统电磁型电机。,(3)驻波型超声波电动机,采用扭转连接器的驻波型超声波电动机,特种电机及其控制,驻波超声波电动机是利用在弹性体内激发的驻波来驱动移动体移动。但是，单一的驻波并不能传递能量，因为弹性体表面质点作同相振动。因此，驻波型超声波电动机通过激发并合成相互垂直的两个驻波，使得弹性体表面质点作椭圆振动，直接或间接地驱动移动体运动而输出能量。,根据激励两个驻波振动的方式不同,驻波超声波电动机分为纵扭振动复合型:采用两个独立的压电振子分别激发互相垂直的两个驻波振动，合成弹性体表面质点的椭圆振动轨迹。模态转换型：模态转换型仅有一个压电振子激发某一方向的振动，再通过一个机械转换振子同时诱发与其垂直的振动，二者合成弹性体表面质点的椭圆振动轨迹，驱动移动体运动。（如前两例）,特种电机及其控制,纵扭复合型超声波电动机结构定子由两个独立的振子所组成：纵向振子控制定子与转子之间的摩擦力(正压力)；扭转振子控制输出转矩。由于两种复合运动可独立控制，所以其输出转矩大，工作稳定，可双向运动，并且为设计者提供了较大的设计空间。,特种电机及其控制,（4）非接触式超声波电动机,定子与转子之间不直接接触，而是在它们之间填充一种介质：液体或气体。当定子振动时，也就引起了介质的振动，在介质与转子的接触面就形成了摩擦力，从而驱动转子运转。非接触式超声波电动机是以牺牲转矩为代价的，其驱动力都很小。,东京工业大学Tohgo Yamazaki等研制的圆筒型非接触式超声波电动机。其定子由硬铝制成，定子圆筒长为16.5mm、内径56mm、外径61.8 mm，并由两个Langevin振子激励，形成行波。筒型转子放置在定子筒内。当定子产生行波时，转子悬浮起来并沿着行波前进方向旋转。驱动电源的频率为26kHz，电机的最高转速可达3000 r/min。由于采用了Langevin振子，电机结构变得复杂，占有的空间较大，而且形状不规则，因而限制了它的应用场合。,特种电机及其控制,(5)多自由度超声波电动机,三自由度超声波电机,两自由度超声波电动机,电机由球形转子、两对径向定子等组成。定子是一个短圆柱体，用等截面梁穿过定子来施加轴向力，使得定子与转子紧密接触。利用粘贴在定子上的压电陶瓷同时在定子上激发出两个在空间互相垂直的振动模态，两个模态合成使得定子侧表面产生行波，从而通过摩擦接触驱动球形转子转动。两对径向定子置于一个平面内不同的位置，这样电机就可得到两个自由度的运动。,特种电机及其控制,超声波电动机的分类,特种电机及其控制,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,5 行波型超声波电动机的驱动控制,行波USM的常用控制方式:控制电压幅值,但调速范围受到限制。电压过低,压电元件不会起振;电压过高,又会接近压电元件的工作极限。变频控制,通过调节谐振点附近的频率控制速度和力矩,因为电机动作点在谐振点附近,且调频具有响应快的特点。变频调速对超声电机较为合适。(3)相位差控制,改变两相电压的相位差,从而改变定子表面质点的椭圆运动轨迹。但低速启动困难,驱动电源设计较为复杂。,特种电机及其控制,USM频率控制的的驱动与控制电路框图,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,特种电机及其控制,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,USM的几种控制策略,特种电机及其控制,6 超声波电机存在的问题及研究重点,USM与传统电磁式电机相比有无可替代的优点，但是它也存在一些问题：(1)控制困难:从理论上来说，目前超声波电机仍然没有一个准确的数学模型来对其振动过程和运动过程进行系统的描述。由于压电材料的特殊性、摩擦发热和环境变化等问题，驱动转子的摩擦力将产生严重的非线性变化。这种变化使控制电机匀速转动的难度大大增加。此外，由于压电材料的特殊性，使得每一台超声波电动机所需要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。(2)寿命较短:超声波电机的寿命大约2000小时，与传统电机相比，长时间工作的耐久性不尽人意。(3)运行效率较低:由于超声波电机的理论和计算方法及其结构设计方法还不成熟，电机运行效 率较低，只有10%40%，而传统的电磁电机可达80%以上。,特种电机及其控制,上一页,下一页,返回,上一节,下一节,目前还需要就超声波电动机的理论、实验和材料展开深入研究，做好以下重要课题：(1)超声波电动机是一个机电耦合的动力学系统，超声波电动机理论研究的核心就是建立这个系统的机电耦合动力学模型。它涉及超声波电动机的定子/转子动力特性、驱动电源的输出动态特性、控制系统动态特性以及三者结合在一起，构成相互影响、相互耦合的统一的动力学模型。(2)定子/转子界面接触模型和定子/转子摩擦学的研究。(3)超声波电动机是通过压电陶瓷元件将电能转换为定子(弹性体)的高频微振动，并通过定子/转子间接触(摩擦)把高频微振动转换成转子(移动体)的宏观运动。能量转换和传递涉及到三种重要材料：压电陶瓷材料、摩擦材料和胶粘剂。必须加强对这三种材料的研制。,特种电机及其控制,上一页,下一页,返回,上一节,下一节,(4)从压电材料变形的角度而言，超声波电动机定位精度高，可达nm 级。但实际上由于材料、加工、装配、环境和负载特性的影响，超声波电动机是一个非线形、时变系统，定位精度受到影响。所以，必须采用智能控制策略对系统进行闭环控制，以提高超声波电动机伺服系统的精度。(5)在超声波电动机的理论研究和材料发展的基础上，还要做大量的实验研究。其中包括超声波电动机性能试验、超声波电动机的寿命试验、可靠性试验和环境(高、低温、湿度和真空)试验以及有关试验设备的研制。(6)进行超声波电动机低成本、长寿命、可靠性设计和先进制造技术的研究。(7)发展新型超声波电动机技术。其中包括新型超声波电动机运动机理及其机电耦合动力学模型，新的模态变换方法，研制大功率超声波电动机、微型超声波电动机和非接触式超声波电动机等等。,
