| 超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性的研究
摘要：超聲波電機(jī)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，將電能直接轉(zhuǎn)變成機(jī)械振動(dòng)能的種驅(qū)動(dòng)裝置。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可直接驅(qū)動(dòng)、響應(yīng)速度r夾、控制精度高等特點(diǎn)，本文介紹了超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制原理以及疋轉(zhuǎn)子的一種接觸模型，然后針對(duì)這種接觸模型從理論上研究其轉(zhuǎn)矩特性，最后比較了兩種采用砰砰控制思想的恒轉(zhuǎn)矩控制的效果。
關(guān)鍵詞：超聲波電機(jī)；接觸模型；轉(zhuǎn)矩控制；砰一砰控制
O引言
超聲波電機(jī)fultrasonic M0tor，簡(jiǎn)稱(chēng)uSMl不同于一般的電磁電機(jī)，它利用壓電陶瓷(PleZO—electric ceramic)具有的逆壓電效應(yīng)，即在交變電場(chǎng)作用下，壓電陶瓷會(huì)產(chǎn)生伸縮現(xiàn)象，通過(guò)各種伸縮振動(dòng)模式的轉(zhuǎn)換與耦合，將電能直接轉(zhuǎn)變成機(jī)械振動(dòng)能，并利用摩擦轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)(或其它運(yùn)動(dòng)方式)機(jī)械能的驅(qū)動(dòng)裝置
目前最常用的超聲波電機(jī)為環(huán)形行波型超聲波電機(jī)(Ring—tvpe Traveling．wave ultrasonicMotom簡(jiǎn)稱(chēng)R丁wusM)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是定子和轉(zhuǎn)子均為一薄圓環(huán)，使得整個(gè)電機(jī)結(jié)構(gòu)呈扁圓環(huán)形。其核心部分是由壓電陶瓷和彈性體組成的定子及接觸面粘有摩擦材料的轉(zhuǎn)子。定轉(zhuǎn)子依靠蝶簧變形所產(chǎn)生的軸向壓力緊壓在一起。
與傳統(tǒng)電磁電機(jī)相比，超聲波電機(jī)有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：低速大轉(zhuǎn)矩、電磁兼容性好、啊應(yīng)快、斷電自鎖、運(yùn)行無(wú)噪聲等l】。J。因此在消費(fèi)數(shù)碼、家電、軍工、汽車(chē)、航天乘i機(jī)器人等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。為了提高超聲波電機(jī)的應(yīng)用水平，拓展超聲波電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域H�！浚涌鞂�(duì)超聲波電機(jī)瞬態(tài)特性的分析和研究。對(duì)于瞬態(tài)分析主要是研究其轉(zhuǎn)矩變化的特點(diǎn)，使能控制其起動(dòng)和停止的響應(yīng)時(shí)間，另外在追蹤軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度控制可以通過(guò)研究轉(zhuǎn)矩特性來(lái)實(shí)現(xiàn)。1超聲波電機(jī)運(yùn)動(dòng)分析
環(huán)形行波型超聲波電機(jī)運(yùn)行的基本原理是利用兩相交變激勵(lì)電壓在黏貼在定子上的壓電陶瓷中產(chǎn)生定向移動(dòng)的行波，通過(guò)定轉(zhuǎn)子接觸的摩擦力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。
定子上的壓電陶瓷相鄰分區(qū)極化方向相反，在電壓激勵(lì)下，相鄰壓電分區(qū)通過(guò)相關(guān)的壓電陶瓷的非零壓電系數(shù)，分別伸張和收縮，從而激發(fā)橫向長(zhǎng)度伸張和收縮振動(dòng)模，可以在定子彈性體
中激勵(lì)出彎曲振動(dòng)，由于壓電體在一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用下，一般只能獲得駐波分布，即使用單相交變電壓激勵(lì)壓電陶瓷環(huán)A區(qū)或者B區(qū)，只能在定子環(huán)中激發(fā)出單一的駐波振動(dòng)；而使用兩相交
變電壓同時(shí)激勵(lì)A(yù)區(qū)和B區(qū)，在一定條件下疊加就jJ以在定子環(huán)中激發(fā)出行波振動(dòng)�？梢宰C明在行波的作用下定子表面的質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)口。
轉(zhuǎn)子速度，可以由以下公式表示
其中晶為A相和B相振動(dòng)的振幅；☆=2口／兄為彈性波振動(dòng)的波數(shù)；h為定子上表面到中性層的距離(即貼在定子I的壓電陶瓷厚度的一半)；≯為A相、B相驅(qū)動(dòng)間的相位差。
在行波超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，^、h確定，可以分別通過(guò)調(diào)節(jié)壓電陶瓷的兩相激勵(lì)電壓的幅值島，A、B兩相之間相位差≯以及驅(qū)動(dòng)頻率廠來(lái)調(diào)節(jié)行波波峰點(diǎn)的速度來(lái)控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)
動(dòng)速度、輸出轉(zhuǎn)矩。超聲波最常見(jiàn)的三種控制方法是調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)壓。
2定轉(zhuǎn)子接觸模型
由于定了在振動(dòng)狀態(tài)下，表面質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)具有橫向位移和縱向速度，使定子通過(guò)摩擦帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)成為可能。通過(guò)對(duì)行波超聲波電機(jī)定轉(zhuǎn)子接觸面特性的分析，可以進(jìn)一’步研究定轉(zhuǎn)子間力的傳遞機(jī)理。
當(dāng)定子振動(dòng)為理想行波時(shí)，以式w(x，≠)=一晶cos(奴+∞f) 為例，在此情況下，定子行波的振幅與時(shí)間無(wú)關(guān)，穩(wěn)態(tài)下行波的形狀保持不變。為簡(jiǎn)化分析，可取f—z時(shí)刻定子和轉(zhuǎn)子 個(gè)波長(zhǎng)的接觸面進(jìn)行分析，如圖3(a)所示。在
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