超聲電機機電耦合動力系統(tǒng)及其建模方法綜述
陳波，趙向東，王育平
（山東科技大學(xué)，泰安271019）
摘要：以旋轉(zhuǎn)行波型超聲電機為例，初步構(gòu)建了超聲電機理論體系，系統(tǒng)地提出并闡述了超聲電機機電耦合動力系統(tǒng)的構(gòu)成、模塊劃分及其在整個超聲電機理論體系中的關(guān)鍵地位，分析并指出了超聲電機機電耦合動力系統(tǒng)建模的思想方法、技術(shù)路線和實現(xiàn)措施，提出了超聲電機需進一步研究的關(guān)鍵技術(shù)問題。
關(guān)鍵詞：超聲電機；機電耦合動力系統(tǒng)；理論體系；數(shù)學(xué)模型
中圖分類號：tm359. 9 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848(2010)05-0086-03
o引 言
隨著材料科學(xué)、控制技術(shù)、現(xiàn)代加工制造技術(shù)的發(fā)展，超聲電機由于其固有的優(yōu)越性具有極大的發(fā)展?jié)摿ΑＤ壳�，國際國內(nèi)都當作重點課題加以研究，被稱為面向21世紀的電機產(chǎn)品。但由于我國超聲電機研究起步較晚，目前開發(fā)出的原型機普遍存在性能不穩(wěn)，效率低、機械特性難以預(yù)測、難以實現(xiàn)精確控制等問題，離實際應(yīng)用標準尚有一定的差距。國外雖然有些論著有所涉及，但至今超聲電機的理論體系還沒有構(gòu)建起來。為了開發(fā)出效率高、性能好、運轉(zhuǎn)穩(wěn)定、可產(chǎn)業(yè)化的超聲電機產(chǎn)品，對超聲電機進行深入系統(tǒng)的研究仍然是必要的。
1 機電耦合動力系統(tǒng)的模塊劃分
綜合考慮超聲電機及其動力學(xué)行為，可發(fā)現(xiàn)這是一個機、電、控耦合的復(fù)雜的動力學(xué)系統(tǒng)�？纱笾路殖蓹C電耦合系統(tǒng)和驅(qū)動控制系統(tǒng)兩大部分，如圖1所示。
驅(qū)動、控制系統(tǒng)主要由驅(qū)動電路及控制電路組成。驅(qū)動電路的作用是為壓電材料提供適宜的電壓／電流，以便達到****的驅(qū)動效果�？刂齐娐返淖饔檬抢梅答佇盘枡z測器（如行波超聲電機的孤極）和檢測轉(zhuǎn)子運動的傳感器（如光電編碼器）等，實時地檢測定子的振動狀態(tài)和轉(zhuǎn)子的運動狀態(tài)，并通過調(diào)整驅(qū)動電壓／電流的幅值、相位、頻率來對電機進行控制。
超聲電機的機電能量轉(zhuǎn)換是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)實現(xiàn)的，它將所施加的電量（電壓）轉(zhuǎn)換成機械量（變形）。而電機動力的輸出包含兩個過程：
①將壓電材料的機械變形轉(zhuǎn)換成定子的超超聲電機機電耦臺動力系統(tǒng)及其建模方法綜述陳波，等聲振動，并使定子產(chǎn)生行波，從而使定子表面質(zhì)點產(chǎn)生橢圓軌跡運動；
②利用定子表面質(zhì)點的橢圓軌跡運動，通過定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦將其切向力傳輸給轉(zhuǎn)子，以帶動負載。
超聲電機機電耦合系統(tǒng)指的就是上述能量轉(zhuǎn)換及動力傳遞、輸出的整個過程及其實現(xiàn)手段，其核心就在于定子表面質(zhì)點橢圓運動的激發(fā)及動力和運動的摩擦傳遞，實質(zhì)上也就是預(yù)期振動模態(tài)的激發(fā)以及振動能量的動力和運動輸出。這也正是建模研究的主要內(nèi)容。
機電耦合系統(tǒng)又可進一步劃分為定子共振模塊和摩擦驅(qū)動模塊。前者主要是指壓電陶瓷復(fù)合定子，后者主要是指定轉(zhuǎn)子間的摩擦界面及其帶動的轉(zhuǎn)子。定子是超聲電機的核心部分，由壓電材料與其它材料（一般為金屬）固接在一起構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)，其主要功能是產(chǎn)生某一特定模態(tài)的超聲共振。由于在壓電材料中存在機電耦合現(xiàn)象，即把交流電壓加到壓電振子上利用逆壓電效應(yīng)激發(fā)振子產(chǎn)生機械振動的同時，機械振動又通過正壓電效應(yīng)產(chǎn)生反饋電流。只有當外加交變電壓的頻率與定子的共振頻率一致時，外加電流與反饋電流同相疊加，壓電材料的激振效果才能得以充分發(fā)揮，定子振幅達到****。不同型式的超聲電機對壓電振子的振動模態(tài)右不同的要求，如行波型電機利用的是壓電振動的te模態(tài)，即平行于電場方向的伸縮振動。故此對定子的振動模態(tài)進行充分的分析是該模塊研究的中心內(nèi)容，壓電陶瓷復(fù)合定子的形狀、尺寸等應(yīng)最有利于該模態(tài)的機電能量轉(zhuǎn)換，而壓電材料的分割、極化、配置等也是圍繞這一目的進行的。
2超聲電機建模方法研究
超聲電機機電耦合動力系統(tǒng)建模實質(zhì)上包含兩個方面：
一是系統(tǒng)集成問題，即把動力系統(tǒng)當作一個整體傳遞函數(shù)來看，建立電量輸入與動力輸出間的直觀聯(lián)系，以便實現(xiàn)對電機的控制；
二是分立模塊問題，即將各機構(gòu)裝置的幾何及材質(zhì)參數(shù)同它們的動力學(xué)行為緊密地結(jié)合起來，使其因果關(guān)系能 |
