超聲波電動機控制技術研究的發展及現狀

胡敏強  石  斌錢俞壽（東南大學南京210096）

 

摘  要  綜述目前超聲波電動機控制技術領域的發展狀況，著重介紹超聲波電動機控制方法、控制策略方面的研究現狀及發展趨勢。

敘  詞  超聲波電動機控制技術發展現狀

    超聲波電動機簡稱usm是一種利用壓電陶瓷的逆壓電效應激發超聲振動，通過摩擦耦合驅動，將電能轉換為機械能輸出的新型直接驅動電機。usm性能****，具有諸如低速大轉矩、功率密度大、無電磁干擾、動態響應快、運行無噪聲等特點。在非連續運動領域及精密控制領域，usm要比普通的電磁電機優越的多。在工業控制系統、汽車專用電器、精密儀器儀表、辦公自動化設備、智能機器人等領域，usm有廣闊的應用前景。

    1980年，日本的t．sashida設計制造了第一臺能滿足實用要求的usm電機之后，usm就倍受科技界和工業界的重視，掀起了研究浪潮，成為當前電氣工程領域的一個研究熱點。目前，日本在usm的研究及應用江蘇省青年科學基金資助項目：bq96010領域處于世界****地位。我國于90年代初開始步入usm的研究行列，開展了usm的理論及實驗研究與殲發，已取得了可喜的成果。隨著大量的不同的結構的usm的開發和基礎理論研究的深入以及usm的商業化，目前在日本usm的研究更多地側重于usm的控制技術研究和控制裝置的開發。

    usm作為一種新型的小電機，其本身的技術發展就離不開電子控制和驅動，以電機本體很難確定電機的性能、價格和功能。控制技術的好壞，關系到能否充分發揮usm****性能，會直接影響usm的應用和推廣，因而開展usm控制方面的研究是非常重要的。

    usm與傳統的電機不同，無繞組和磁極，無需通過電磁作用產生運動力。它一般由振動體（相當于傳統電機中的定子，由壓電陶瓷和金屬彈性材料制成）和移動體（相當于傳統電機中的轉子，由摩擦材料及塑料等制成）組成。在振動體的壓電陶瓷振子上加高頻交流電壓時，利用逆壓電效應或電致壓縮效應產生幾十千赫的超聲波振動，將這種振動通過振動體與移動體間的摩擦耦合，變換成移動體的旋轉或直線型運動。

    對于行波型usm，通過對usm定子兩相壓電元件施加具有一定相位差的高頻交流電壓，可在定子中激發一行波，定子表面質點作與波行進方向相反的橢圓運動，若將轉子壓在定子上，則兩者僅在（行波）波峰點接觸，受摩擦力的作用，轉子向行進波的反方向移動。依靠行波驅動方式可連續地對轉子施加驅動力，改變波的方向，即可改變轉子旋轉方向。

    通過改變激勵usm定子兩相電壓的幅值，調節兩相相位差及驅動頻率，可以控制行波波峰點的速度，進而達到控制usm電機運動特性的目的。由于行波型usm是所有類型中結構******、用途****、商業化最早的一種，因而目前的usm控制技術和控制器的研究多是針對行波型usm而言的。

    由usm定義及其基本工作原理可知，在usm中存在兩個能量轉化過程，一個是電能通過壓電元件的逆壓電效應轉化為超聲振動機械能的機電耦合過程；另～個是由振動的機械能通過摩擦耦合轉化為轉子的旋轉運動的機械能的運動耦合過程。對于usm的控制，控制量的選取要考慮到控制量與這兩個能量轉化過程有關。即可以通過改變機電耦合過程及定轉子相互作用的運動耦合過程控制電機的性能指標。在直接驅動的伺服控制系統中常需要對usm的位置、速度和力矩進行控制，這可通過改變定子環的振動改變定子表面質點的橢圓運動軌跡形狀和大小進行控制（見表1）。

    超聲波電動機的速度控制可采用改變電壓、頻率、相位差實現；也可以通過改變通電時間（低頻調節占空比）實現調速。超聲波電動機的位置控制可通過位置傳感器進行反饋控制；轉矩大小可由相位差控制實現。電機轉向的改變可通過改變兩相供電電源相位實現。本文對現有usm的幾種控制方法的性能進行了分析比較，結果如表1所示。

    由表1可見，變頻控制最適合于超聲波電動機的控制，它一方面可充分利用超聲波電動機的低速大轉矩、動態快速響應、無噪聲等優點，同時能保持較高的工作效率。相位差控制技術可無切換地實現轉向的平滑改變，通過控制相位差控制