行波型超声波电机定子振动分析及PWM驱动控制系统研究 天津大学硕士学位论文行波型超声波电机定子振动分析及PWM驱动控制系统研究姓名:郑尧申请学位级别:硕士专业:电机与电器指导教师:夏长亮2001.1.1摘 要~超声波电机是一种新原理电机,它利用压电元件的逆压电效应来实现定子的起振,借助于定、转子之间的摩擦将定子的振动转化为转子单一方向的运动由于超声波电机的发展历史较短,其在运行机理、控制策略、控制方式、制造材料、加工工艺等许多方面还存在着问题本文通过研究大量国内外有关资料并在实验的基础上,详细介绍了行波型的结构,阐述了压电元件的起振机理,定子上驻波的产生、行波的合成及定子表面质点运动的规律和摩擦传动的特点在考虑定子环沿径向厚度变化及内外边界约束条件的基础上,建立了带有齿的行波型定子模型,利用有限元法进行了定子模态和强迫振动响应分析,研究了定子直径和齿高对定子振动的影响通过计算结果与实验的比较,证明有限元方法对于由复合材料构成、具有齿的超声波电机定子振动的分析是一种行之有效的方法同时,本文采用技术,自行研制了一套适合于行波型的驱动.控制系统,并进行了电路调试及电机实验。
关键词:振动控帝超声波电机§骶、有限元 ’;. . ,,.,,,. ,...,. ?, . .:第一章绪论§.引言以下简称是一种利用超声波振动超声波电机能进行驱动的新原理电机它借助于压电晶体和弹性体定子,通过逆压电效应将电能转变为超声波振动能机械振动频率≥;然后通过定、转子之间的接触和摩擦力,将交变的振动变成为转子单方向的回转或直线运动,实现机械振动能到转子动能的转换由于这种电动机所用交流电的频率在超声波频段,因此被称为超声波电动机鉴于高频机械振动是通过压电晶体所产生的,所以它又称为压电马达与传统的电磁型电动机相比,具有结构紧凑、体积小、重量轻、低速大力矩等优点;它无需加齿轮减速便可直接低速驱动负载;停电后具有自锁功能:由于其本身无铁心绕组,因而也就不存在电磁干扰正是因为这些诱人的特点,使得一经问世便引起了国内外学术界、产业界的极大关注可被广泛应用于光学仪器电子显微镜,激光干涉仪等、精密加工设备精密镗床,磨床进刀系统、微型机器人、医疗器械、办公自动化设备、家用电器、汽车电器、空间飞行器的执行器等领域的出现为伺服机构提供了一条新思路,它不仅在思想上突破了传统的电磁感应原理,而且又以其优异的性能特点弥补了传统电机的不足即传统电机低速难以稳定运行,通常是高速运行后通过齿轮减速来获得低速,使得它在微特电机领域内取得一席之地。
应该讲,是材料科学、电力电子技术、超精密加工、自动化技术等高新技术交叉发展到一定阶段的产物人们最初了解的驱动原理是在本世纪年代【’:年代.首次将弹性体振动源应用于钟表上【;第一台的试验样机是由前苏.??笙二童堕堡联的..和..分别于年、年设计的四;年代,人们利用压电共振特性制造出了直线驱动装置和压电马达;年立陶宛的科技大学的振动技术研究中一心研制了一台模态耦合型可反转:同年代,由和电子公司制造出了具有应用前景的:同时,的,.也研制了~种但真正使走向实用化的是日本的指田年生,他在年研制成功了二种实用的:是行波型、另一种是驻波型;日本松下电器产业公司也生产了两种类型的:一种是圆盘形,另一种是圆环形年日立公司筑波研究所的熊田明生发明了一种单电源驱动的带纵.扭变换器的复合振动型嘲;同年,立陶宛的科技大学开发了用于定位控制的步进型;年日本东京工业大学的上羽贞行提出了由两种驱动源驱动的纵.扭复合型,它由扭转振子产生回转位移、多层纵向压电振子产生纵向位移来合成表面质点的椭圆轨迹该类型电机的特点是输出转矩大、低速运行平稳;日本东京工业大学的高野刚浩和山形大学的富川义朗等也研制了一种应用环形压电振子的,其工作原理同其他类型的一样。
年等提出了微机器人中的微型微型也是当今智能材料将传感器、执行器、驱动电源合三为一中的关键部件年日本的藤源信绪等制成了转矩较大的纵一扭复合型,其体积为由×,外加压力,激励频率为..转矩达..年日本的等借助于带有斜槽的纵.扭变换器制作了一台大力矩复合振动,其力矩达.、直径为巾”同年,日本的等制成了当今世界转矩最大的复合型,其直径达中、最大转矩达..、其转矩.重量比是同等转矩电磁型直流电机的倍目前这种类型的电机的最大转矩可达.、直径为由前面介绍的属定、转予接触型,其特点是定、转子依靠摩擦力驱动,转速低、寿命短为克服这一不足,最近几年出现了以牺牲转矩为代价的定、转子非接触型至二皇堕堡??目前,从的发展趋势看有两大趋势:一是大转矩化:一是高速化的研究方兴未艾,各种类型的不断涌现,同时传统结构的性能也在不断提高与最初的相比,无论从输出转矩、效率、功率因数等力能指标来看,还是从经济性、可靠性、寿命等方面来讲都有了长足的进展,的用途也在不断扩大甚至出现了与被驱动机构一体化的趋势,且在级加工领域特别是半导体加工领域,正在悄悄的发挥作用当前,国内对的研究还处在实验室阶段,清华大学、南京航空航天大学、中科院声学所、浙江大学、华中理工大学、哈尔滨工业大学、吉林工业大学等对不同种类进行了不同程度的研究,如清华大学对圆管式超声箝位压电驱动直线微动马达的研究、浙江大学对行波型摩擦传动机理所作的实验研究以及吉林工业大学大学对非接触型的研究等。
相信在不久的将来,无论在民用、工业还是在军工、航天领域,都将取得其应有的地位,使其特长得以充分的发展§. 的分类、特点及用途一、的分类大致可分为如下四种类型:驻波型、行波型、纵.扭复合型和非接触型驻波型是利用单模态纵向振予激振,在定子表面产生椭圆运动¨它由振子、固定在振子上的楔形振动片和转子组成当给振子施加超声频率的交流电时,振子带动振动片作水平方向的振动,由于振子的前端与转子端面并不是互相垂直的,而是倾斜一定角度口,因而诱发出垂直方向上的弯曲振动与转子相接触的振子前端的质点作椭圆运动,当振动片伸长时,与转子相接触的振子片沿转子表面运动,通过摩擦将振动转变为转子的单方向运动;当振动片收缩时,振子前端作自由振动,不与转子表面接触,因而也就不传递运动转子的驱动是间歇的,但由于定子振动频率较高,且由于转子本身的惯量,转子的转速是恒定的驻波型电机由于倾角较小,滑动较困难,故损耗较小因而,这种电机的效率较高其缺点是振予易磨损,电机不易实现正、反塑二童堕丝???转行波型是在一侧定子或转子侧利用压电晶体带动弹性体产生弯曲振动行波,然后再利用弹性体的厚度或齿槽,在定子弹性体表面上诱发横向振动位移,从而与纵振动位移合成椭圆运动,使得定子表面质点与转子之间有相对运动。
由于与定子相接触的转子表面上粘有摩擦材料,因而在滑动摩擦力的作用下,转子得以作单方向的回转运动如果改变所加电源二相电压的相位,使之互差.便可改变行波方向,进而改变电机的转向,故此类电机易于实现正、反转纵一扭复合型由两个振子组成:一个是扭转振子类似于行波型的振子,一个是纵向振子类似于驻波型振子,利用两个振子独立激振分别产生纵、横向位移,从而产生椭圆运动¨】近几年,还出现用超声悬浮理论,由声场来传递能量,驱动转子运动的非接触型以及通过液体传递运动的定、转子非接触式?另外,还出现了其它一些结构,如行波型的改进型、球面结构的、直线运动的、单电源驱动的可双向运转的、应用非轴对称式弯曲振动模态的环形以及结构类似于普通电磁型电机的定转子非接触式由于本文主要以行波型为研究对象,故不再~一介绍二、的特点与传统的电磁型电动机相比,具有如下明显的优点:.不受磁场影响不受磁场的影响以及不产生电磁波是的一大特点,既无线圈,也不依靠电磁场工作因而,本身不受其它电磁场的影响,同时也不会给周围的设备造成电磁干扰低速、大力矩无需齿轮减速便可低速运行,停电后具有自锁能力因停电后定转子之间仍保持较大的压紧力这不仅简化了传动机构,使整个系统体积小、重量轻、结构紧凑,可直接用于驱动,而且减少了由齿轮等减速机构带来的噪音。
其停电后的自锁能力可保证电机在不同时点的准确定位另外,的输出力矩大,即使中的,其起动力矩可达.,为同样体积电磁式电动机的到倍笙二童丝笙???????????????????一.可做成中空结构行波型产生驱动力的位置在圆环上,因此可以把做成环状中空结构,可以省去轴承这可用于相机的自动调焦系统,充分发挥了其安静、调焦精度高、调焦时间短、结构简单等优点惯量小、响应快、可控性好、定位精度高由于结构紧凑,转子惯量小、力矩大,因而其动态响应快,机械时间常数在几毫秒的数量级内,即控制性能优越,尤其适用于要求快速反应的高精度定位系统中,如:微型机器人、?坐标记录仪可采用直线型超声波电动机、转角分度台、监视摄像机的旋转驱动等精密仪器中,而不必担心采用步进电机式的失步等无噪音运行由于是工作在超声频率范围内驱动频率大于,超过了人耳的闻闽范围因而可以超静运行,故其特别适用于高档宾馆、家庭居室内作为自动卷帘机和百叶窗的伺服机构结构轻巧,功率/重量体积比大在输出同样功率的情况下,载重量和体积只有普通电磁式电动机的/和/三、的用途由于行波型的以上特性,使得能在许多领域得到广泛的应用,并且它的作用是普通电动机所不可替代的:.在需要低速、大转矩的场合将作为直接驱动元件,在驱动源与执行机构之间无需任何减速机构。
在很多情况下,由于减速机构的存在,限制了机械系统的精度例如,在双足步行机器人胯关节处的减速机构中,一个很小的间隙将导致足部产生很大的误差Ⅲ另外,减速机构中的摩擦妨碍了力和力矩的正确传输,导致可控性和效率下降,在许多场合,由于减速机构上的摩擦影响,使系统传输功率下降,若采用无间隙齿轮或小间隙齿轮产生的摩擦转矩更大,并且摩擦特性非常复杂,难以预测和补偿减速机构的弹性变形和柔顺性不仅是伺服机构的位置控制精度下降,也限制了系统的响应速度苎二童丝笙如果利用作为直接驱动器,那么系统就可去掉复杂的减速机构,不但简化了系统的结构,并且由减速机构带来的一系列问题如间隙、摩擦、弹性形一变、噪声等都不存在了,从而保证了系统的精度,提高了系统响应速度和效率需要快速响应的场合制动性能好、响应速度快的优点使它在这些场合得到了应用例如,日本已将环形行波型用于和型自动聚焦单透镜反射式照相机中来驱动镜头五的采用,避免了普通电动机为了降低转速,保持一定的转矩而使用的复杂机构该的上升时间为,从无限远到的焦点重合时间只需.,其寿命在百万次以上在有磁干扰或要求不产生磁干扰的场合在有些地方,由于存在很强的磁场干扰,普通电磁式电机在这里不能运行。
例如,西门子医疗器械公司东京的.使用以上的强磁场,而且在调整中要检测线圈周围的磁场,不能使扰乱磁场的磁性体接近装置,因此只有能满足其要求在一些对驱动电机的外形及结构有特殊要求的场合例如,日本的丰田公司生产的轿车门玻璃窗自动升降系统中,由于车门厚度小,车间夹层空间有限,而且驱动整块玻璃的升降所需的力矩也很大用普通电磁式电动机不容易达到以上要求由于内部结构非常简。