核心提示：　　利用壓電材料具有的逆壓電效應(yīng)，即在交變電場作用下，壓電材料會產(chǎn)生伸縮現(xiàn)象，通過各種伸縮振動模式的轉(zhuǎn)換與耦合，將電能直接轉(zhuǎn)變成機(jī)械振動能，并利用摩擦轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)或其它方式運動的驅(qū)動裝置。與電磁型電機(jī)相

　　利用壓電材料具有的逆壓電效應(yīng)，即在交變電場作用下，壓電材料會產(chǎn)生伸縮現(xiàn)象，通過各種伸縮振動模式的轉(zhuǎn)換與耦合，將電能直接轉(zhuǎn)變成機(jī)械振動能，并利用摩擦轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)或其它方式運動的驅(qū)動裝置。與電磁型電機(jī)相比，具有以下的特點：①結(jié)構(gòu)緊湊簡單，根據(jù)驅(qū)動結(jié)構(gòu)要求可嵌入，可與系統(tǒng)一起集成，如Canon相機(jī)自動變焦鏡頭，其電機(jī)為兩個定轉(zhuǎn)子圓環(huán)，可與鏡頭集成在一起，圓環(huán)中間可通過光線；②能量密度是電磁型電機(jī)的5倍，是典型的低速大力矩電機(jī)，可用于直接驅(qū)動，因此可減輕飛行物的重量，用于航空航天領(lǐng)域另外，也較適合空間特殊環(huán)境；③易調(diào)速，低速區(qū)平穩(wěn)無脈動，但在控制上又可實現(xiàn)步進(jìn)驅(qū)動，而且定位精度高，④停電后具有摩擦自鎖功能，且因在高頻域振動，能量衰減極快，有極高動態(tài)響應(yīng)特性（機(jī)械時間常數(shù)在數(shù)個ms以內(nèi)），故易實現(xiàn)高精度的速度和位置伺服控制；⑤無齒輪減速裝置產(chǎn)生的間隙，可精確定位；⑥有與直流電機(jī)相似的下垂的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性；⑦由于無鐵心和線圈，因此抗電磁干擾性強，即電磁兼容性（EMC）妊其不足之處是：①制造成本相對較高，但批量生產(chǎn)時成本可大幅度降低；②因為靠摩擦驅(qū)動，摩擦材料的壽命問題，會影響電機(jī)的工作壽命，目前行波型超聲波電機(jī)連續(xù)運行的壽命已達(dá)600Ch，縱扭復(fù)合型超聲波電機(jī)亦已在。復(fù)合型超聲波電機(jī)的兩PZT振子分別激發(fā)兩個相互垂直且同頻的強迫振動，兩種振動可單獨調(diào)節(jié)。扭振子產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動，用以驅(qū)動轉(zhuǎn)子輸出力矩，縱振子產(chǎn)生軸向振動，以控制定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦力，實現(xiàn)將交變的扭轉(zhuǎn)振動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子單方向的旋轉(zhuǎn)運動，其過程類似整流過程根據(jù)扭轉(zhuǎn)振動與轉(zhuǎn)子運動方向的異同，復(fù)合型超聲波電機(jī)在一個振動周期內(nèi)的運動可分為兩個過程：在扭轉(zhuǎn)振動正半周（2卜（3），扭轉(zhuǎn)振動的方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向相同，縱振動沿軸向伸長，軸向位移如箭頭所示，定轉(zhuǎn)子間逐漸緊密接觸，定子彈性體的扭轉(zhuǎn)振動通過摩擦耦合傳遞到轉(zhuǎn)子，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；在扭轉(zhuǎn)振動負(fù)半周（3h（1），扭轉(zhuǎn)振動的方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向相反，縱振動的方向與前半周相反，沿軸向縮短，定轉(zhuǎn)子快速脫離。由于縱、扭轉(zhuǎn)振動在正半周和負(fù)半周內(nèi)不同的疊加效果，形成了轉(zhuǎn)子單向的旋轉(zhuǎn)運動。這種超聲波電機(jī)的特點是能夠獨立地改變扭轉(zhuǎn)壓電陶瓷振子和疊層壓電陶瓷的驅(qū)動電壓，控制表面質(zhì)點的振動軌跡，從而能夠很好地控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，低速運行穩(wěn)定。由于轉(zhuǎn)矩由單獨的振子產(chǎn)生，特別是定轉(zhuǎn)子斷續(xù)面接觸驅(qū)動，故易于實現(xiàn)低速大力矩輸出2電機(jī)結(jié)構(gòu)和調(diào)諧縱扭復(fù)合型超聲波電機(jī)由于需要縱扭同頻振動共同作用，為使兩振動的振幅都較大，電機(jī)工作在縱扭振動的諧振點或接近諧振點，所以必須使電機(jī)結(jié)構(gòu)的縱扭兩振動諧振點一致或接近，這就是縱扭復(fù)合型超聲波電機(jī)的調(diào)諧問題但由于縱、扭振動在定子的聲傳遞速度不同，造成縱、扭振子的諧振頻率不同，對于等截面定子，同階諧振頻率縱振大于扭振，一般為1.6倍另外，也很難用其縱、扭振子的高階頻率，因為頻率一高，定子表面的振幅很小，使得轉(zhuǎn)子無法把定子振動能量通過摩擦接觸面取出，所以最初研制的電機(jī)，其工作在扭振子一階諧振頻率上，而縱振子則通過疊層壓電堆使其有較大的縱振振幅181，但這種壓電堆的粘接困難，且因承受剪力作用，有強度問題因此很自然地提出了把定子作為縱振子（亦可扭振子），轉(zhuǎn)子作為扭振子（或縱振子），其定轉(zhuǎn)子可根據(jù)工作頻率設(shè)計思想，這種電機(jī)，因轉(zhuǎn)子需要電刷導(dǎo)電使結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜，而且樣機(jī)的bookmark1振動能量集中到一點或微小局部（往往變幅桿頂端的直徑與壓電片的直徑相比小很多），相似地，采用定子階梯軸結(jié)構(gòu)來降低縱振頻率提高扭振頻率，這樣定子表面的軸徑要比壓電片的直徑小，提高了電機(jī)轉(zhuǎn)速，但降低了電機(jī)的力矩，而對超聲波電機(jī)要得到大力矩盡量要把振動能量傳到大的圓環(huán)上另外，通過配重塊來調(diào)節(jié)縱振動頻率亦是一法，但使系統(tǒng)的質(zhì)量增力P.我們提出的定子結(jié)構(gòu)外直徑與壓電片是一致的，內(nèi)部則是中空變截面結(jié)構(gòu)，如所示，這不僅可使縱扭振動的諧振頻率接近，還可提高扭轉(zhuǎn)振幅定子中縱扭壓電片的位置其影響較大，過去的方法是把縱扭壓電片安裝在定子中各自振動的節(jié)面上，但由于電機(jī)轉(zhuǎn)子壓緊力和轉(zhuǎn)子負(fù)載等的影響，其效果并不好，實際應(yīng)考慮定轉(zhuǎn)子耦合下的振動節(jié)面，由于影響因素眾多，要完全理清有一定難度，但可根據(jù)等效參數(shù)法估算，從定轉(zhuǎn)子的相互耦合和負(fù)載的影響等多角度分析考慮另一方面，從數(shù)據(jù)采集卡用PCL-818，卡上有I/O功能的接口和三個定時器/記數(shù)器可供使用。，從測試結(jié)果看，瞬態(tài)過程與理論分析是一致的，負(fù)載時的瞬態(tài)特性正如前述，是通過大電壓實測的（大電流實測與小電流下掃頻得到的有一定的出入，采用HP4192得到的縱扭振一階諧振頻率4kHz，應(yīng)以大電流時為準(zhǔn)），縱扭振的一階諧振頻率分別為223kHz和20.5kHz，兩者十分接近，相差僅1.1倍，這表明前述的設(shè)計方法和采用中空變截面結(jié)構(gòu)較成功。實驗可見，扭振子有反諧振點，而縱振子基本沒有。頻率變化對縱振子和扭振子影響不同，頻率變化對縱振子影響較大，縱振動的電壓變化明顯，對扭振子的影求而定。

　　中，單片機(jī)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)信號發(fā)生器產(chǎn)生的小信號至力率放大器之間的通斷，而PC機(jī)則應(yīng)甩另外，文中響較小。且定轉(zhuǎn)子壓緊力增加有助于提高縱扭振子的諧振頻率從電機(jī)工作頻率看，在合適的預(yù)壓力下，縱扭復(fù)合型超聲波電機(jī)的工作頻率很寬，從25.4kHz，約有7kHz左右的工作頻域，且運轉(zhuǎn)都較平穩(wěn)，但在扭振子諧振頻率附近機(jī)械特性最好。這說明雖然縱扭復(fù)合型超聲波電機(jī)的工作頻率很寬，但仍然要選取合適的工作頻率以獲得更好的工作特性，實際電機(jī)的工作頻率選擇在20~ 21kHz范圍，這時電機(jī)工作在諧振（扭振）和非諧振（縱振子）點運行，但這時縱振動的振幅仍較大，故有較大的力矩輸出7高精度步進(jìn)定位控制策略超聲波電機(jī)具有強非線性，較難建立其控制模型，傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)電機(jī)的定位控制方法不太適甩另外，大部分超聲波電機(jī)的驅(qū)動器中的信號發(fā)生器部分沒有程控接口，多為固定參數(shù)或手動調(diào)節(jié)，即使有程控接口時，如串口通信，也不適宜于實時控制因此研究一種對控制電路要求低控制精度高的控制策略方法具有現(xiàn)實意義，為此我們提出了步進(jìn)定位控制策略與步進(jìn)電機(jī)給一個脈沖信號有一恒定轉(zhuǎn)角（其大小由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定）不同，超聲波電機(jī)當(dāng)給它一個正弦波（或方波）信號激勵時，此時電機(jī)能轉(zhuǎn)過一定大小的角度，但轉(zhuǎn)角大小依賴于電機(jī)性能和負(fù)載等，且轉(zhuǎn)角較小難于測量，但若一次連續(xù)發(fā)送N個正弦波或方波），此時超聲波電機(jī)將向前轉(zhuǎn)過一個角度，若繼續(xù)發(fā)送N個波形，電機(jī)又將轉(zhuǎn)過一個角度。其機(jī)理是繼續(xù)發(fā)送N個波形的時間內(nèi)，電機(jī)按起動特性曲線加速上升，關(guān)斷后按關(guān)斷特性曲線下降至停止，這時起動和關(guān)斷特性曲線所圍的面積就是電機(jī)的“步進(jìn)角”實驗表明，當(dāng)電機(jī)的運行特性穩(wěn)定且負(fù)載恒定時，電機(jī)的運行步距是比較均勻的，但其步距角與負(fù)載特性直接有關(guān)，由于負(fù)載下轉(zhuǎn)速減小，其“步距角”也更小。實驗測得空載和負(fù)載下聲波電機(jī)當(dāng)作步進(jìn)電機(jī)使用，但對超聲波電機(jī)，其所謂的“步距角”是可變的，與波數(shù)和負(fù)載有關(guān)，這樣，為實現(xiàn)電機(jī)的精密定位，可采用步進(jìn)定位控制策略實驗中步與步之間的時間間隔要合適，太短電機(jī)會產(chǎn)生噪聲，太長會延長精確定位時間，要根據(jù)實際要責(zé)對超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)動角度的計算，并且根據(jù)算法向單片機(jī)給出指令。控制算法的基本思路如下：根據(jù)定位要求把電機(jī)的運行位置分為三類：1.未接近要求位置；2.已接近要求位置；3.已到達(dá)要求位置。在第一種情況下，電機(jī)連續(xù)運行，到達(dá)第二種情況時，電機(jī)從連續(xù)運行變?yōu)椴竭M(jìn)運行，直到第三種情況出現(xiàn)停止運行。顯然，這里有二個重要參數(shù)需要設(shè)定，第一個參數(shù)是當(dāng)接近目標(biāo)改為單步走有提前量，由于電機(jī)關(guān)停過程會有一個關(guān)停轉(zhuǎn)角，提前量必須大于關(guān)停轉(zhuǎn)角，但又要使兩者接近，這樣，定位時間就短第二個參數(shù)是每步波數(shù)N，N越大步距角越大，定位精度越低，N越小則定位時間越長，定位精度越高，另外選擇N時還要考慮使平均定位誤差接近于零，這可通過實驗確定在測試系統(tǒng)中，單步運行由單片機(jī)獨立控制，N的記數(shù)由單片機(jī)定時計數(shù)器測定電機(jī)的連續(xù)、單步和停止指令通過PC工控卡的I/O口與單片機(jī)的I/O口通信，指令時間一般在幾個微秒，遠(yuǎn)小于一個信號波的周期（驅(qū)動頻率為20kHz時，即周期為50微秒），因此，完全滿足實時控制要求可從0.01°至任意大小。表2列出定位要求為90°時的實驗結(jié)果，實驗重復(fù)次數(shù)100次。各參數(shù)為：提前量取為0.15°相當(dāng)于30個脈沖），定位精度優(yōu)于士0.02°相當(dāng)于4個脈沖），N分別取為100 5010和3顯然，步長對定位精度的影響較大，因此可根據(jù)不同的定位精度要求合理地選擇每步的波數(shù)N大小。對于本系統(tǒng)，上述控制方法能實現(xiàn)0. 005°1個脈沖），這也是測試系統(tǒng)最小的分辨率，若能提高光電編碼器的分辨率，控制精度還可適當(dāng)提高表2不同N的定位精度測試結(jié)果實驗次數(shù)100耜值最小值誤差范圍測量平均值8結(jié)論本文給出了航天用低速大力矩縱扭復(fù)合型超聲波電機(jī)的樣機(jī)，研究結(jié)果表明其具有質(zhì)量/小低速大力矩和響應(yīng)快等優(yōu)點，其瞬態(tài)過程可近似為一階滯后環(huán)節(jié)，非常適合作為高檔的控制電機(jī)，適合于航天可行的瞬態(tài)特性測試方法和高精度的步進(jìn)定位的控制策略為推進(jìn)超聲波電機(jī)在航天工程應(yīng)用，須圍繞效率提高、質(zhì)量減小和空間環(huán)境的可靠性，進(jìn)一步研究新結(jié)構(gòu)并優(yōu)化結(jié)構(gòu)，深化驅(qū)動控制電源，特別是進(jìn)行空間環(huán)境的適應(yīng)性研究，對電機(jī)進(jìn)行空間、自然和力學(xué)環(huán)境等的實驗，進(jìn)一步提高對超聲波電機(jī)在航天領(lǐng)域應(yīng)用的認(rèn)識