微小旋轉型超聲電機瞬態特性測試及機械特性估計方法

陳如娟 陳 超 宋小剛

南京航空航天大學,南京,210016

微小旋轉型超聲電機瞬態特性測試及機械特性估計方法

陳如娟 陳 超 宋小剛

南京航空航天大學,南京,210016

提出了一種直徑10mm的微小旋轉型行波超聲電機的結構設計方案,并加工制造了樣機。針對該電機具有毫秒級的響應特性和較小輸出力矩的特點,提出通過分析瞬態過程的動力學特性來估計電機負載能力的方法。利用光電編碼器、N I采集卡及虛擬儀器軟件組成的信號采集系統,對該微型超聲電機進行了瞬態特性實驗,獲得了電機轉速、啟動及關斷時間。對電機瞬態特性的實驗數據進行了分析,并計算得到了電機的力矩特性。最后,通過與采用測功機得到的電機機械特性數據進行對比,驗證了該方法的有效性。

旋轉型行波超聲電機;瞬態特性;信號采集;負載

0 引言

微操作系統、管道微機器人技術、微光學系統、航空航天科技的發展對控制系統中的驅動環節提出了更高的要求:不僅要求電機微小化、具有足夠的驅動力(矩),而且需要有良好的響應特性[1]。微小旋轉型行波超聲電機(TRUM)是一種有別于電磁轉換機制的驅動裝置,新穎的工作機理使其具有獨特的優點:更大的功率/體積比、更高的響應速度、隨外形尺寸減小仍具有良好的輸出效率,因而在前述領域具有很好的應用前景[2]。與傳統電磁電機比較,超聲電機響應很快(通常為毫秒級),啟動和關斷過程中的瞬態過程特別短,這一特性使得超聲電機適合于需要快速響應的執行機構,因此超聲電機的瞬態特性實驗是十分必要的。此外,微小超聲電機的輸出力矩相對較小(μN?m或mN?m量級),輸出軸短而細,如南京航空航天大學研制中的2mm桿式電機的輸出軸直徑甚至小于2mm,其最大力矩在幾百μN?m,常規的測試設備和方法不易直接測得其負載特性,且會因為裝置的附加摩擦、振動和溫度而影響測試[3]結果。因此可考慮通過分析微小超聲電機瞬態過程所表現出來的動態特性來對電機的機械特性進行評估和分析[4]。

本文設計了一種直徑為10mm的旋轉型行波超聲電機,建立了其瞬態過程的動力學方程,通過分析瞬態特性來估計微小電機負載能力。針對該型電機響應快等特性,搭建了基于數據采集系統的瞬態測試系統,對電機的瞬態特性進行了測試,根據上述方法得到了電機的負載能力數據。該系統采用了精度很高的非接觸式光電檢測手段,適合于具有快速響應能力和微小力矩的超聲電機。

1 微小旋轉型行波超電機的設計

微小旋轉型行波超聲電機外徑為10mm(該電機以下簡稱為TRUM-10電機),其定子為一個階梯厚度圓環,并且頂端開設有齒槽以提高其對轉子的驅動效果[5]。圖1所示為旋轉型行波超聲電機的工作原理。利用壓電陶瓷的逆壓電效應可在定子中激發出沿一定方向傳播的行波,從而驅動轉子旋轉。本文中TRUM-10電機定子的工作模態選定為沿圓周4個波長的彎曲模態。

圖1 行波超聲電機的工作機理簡圖

利用文獻[6]的方法,通過建立TRUM-10電機定子的參數化有限元模型,可對其展開參數優化設計,以得到定子恰當的設計方案。綜合考慮加工、裝配和工藝等因素,最后樣機電機的結構方案見圖2。

圖2 電機整體裝配圖

相對文獻[6]中的結構,本研究中的樣機取消了帶錐度的套筒,直套筒與底座一體,定子依靠緊配合固定,不僅簡化了工藝,而且增加了一個定位軸承。實驗表明電機運轉的徑向穩定度更高。

2 旋轉型超聲電機瞬態特性分析

超聲電機的瞬態特性主要包括三個指標:啟動響應時間、關斷響應時間和平均轉速[7]。電機在啟動過程中,轉子受到來自定子的驅動力矩、外加負載和系統阻尼作用,其動力學方程為[8-12]

式中,T為驅動力矩;M為負載力矩;J為旋轉體轉動慣量;ω為轉子角速度;δ為力矩阻尼系數。

式(1)中,J為兩個部分之和,一部分為轉子和轉軸的轉動慣量J1,另一部分為實驗測量設備的轉動慣量J2,求解式(1),可得

通過測量關斷時間,可以計算出電機摩擦材料的摩擦因數[13]。通過啟動或關斷時間的測量也可以計算出結構阻尼。

3 瞬態特性實驗

3.1 瞬態特性測試系統

瞬態測試系統硬件設備由光電編碼器、N I數據采集卡及計算機組成,如圖3所示。

圖3 超聲電機瞬態測試系統

實驗中TRUM-10電機與光電編碼器的連接方式見圖4。

圖4 電機與光電編碼器的連接

光電編碼器將超聲電機輸出的轉速轉換成標準的電脈沖信號,數據采集卡采集這些脈沖信號的寬度。一個脈沖寬度對應于光電編碼器旋轉一定角度所對應的時間,這樣就可以獲得電機在該時間內的平均轉速。如果光電編碼器分辨率線數足夠高,即可認為光電編碼器每輸出一個脈沖所測得的平均轉速就等于此時的瞬態轉速。

根據編碼器脈沖數據,利用數據采集卡的計數器模塊,用硬件運算的方法求得電機的瞬時速度[14]。

光電編碼器的測速原理:輸出信號指標為每轉1782個脈沖,即電機帶動光電編碼器的轉軸轉動360°,就會輸出1782個方波脈沖信號,每個脈沖對應0.20°的角位移。

令n為電機的轉速(r/s),則每個脈沖寬度對應的時間(s)為

每收到m個脈沖信號,同時記錄對應的時間t(s),則平均轉速(r/s)定義為

3.2 測試結果分析

TRUM-10電機的瞬態實驗結果如圖5和圖6所示。根據實驗得到的數據,可采用如下分析過程得到超聲電機的瞬態特性指標:

圖5 啟動特性實驗曲線

圖6 關斷特性實驗曲線

式中,N為整周期采樣點數(去掉啟動或關閉過程的采樣點數);ni為每個采樣點對應的瞬時轉速。

啟動響應時間定義為

式中,tr1為電機在啟動過程中,電機轉速達到平均轉速的95%的時刻;tr2為電機在啟動過程中,電機轉速達到平均轉速的5%的時刻。

式中,tf1為電機在啟動過程中,電機轉速達到平均轉速的5%的時刻;tf2為電機在啟動過程中,電機轉速達到平均轉速的95%的時刻。

基于信號采集系統得到的數據,利用上述算法對信號進行處理,可得電機的瞬態特性結果,如表1所示。

表1 瞬態特性實驗數據

考慮到電機尺寸及本身轉動慣量較小,所以由實驗設備帶來的額外慣量不能忽略,需要對實驗結果進行換算,以得出電機的實際瞬態特性。實際測算電機轉動部分轉動慣量J s=7.68 g?mm2,而碼盤的轉動慣量 Jt=100.24 g?mm2。忽略電機測量前后結構阻尼的變化,根據

電機的啟動及關斷時間應為實際測量值的6.7%,則電機的實際瞬態特性修正結果如表2所示。

表2 瞬態特性修正 ms

4 機械特性估計

通過瞬態特性分析結果計算可近似得到微小超聲電機的機械特性,為電機堵轉力矩及自鎖力矩的獲得提供一條途徑。

4.1 堵轉力矩

把已有數據代入式(7)可得堵轉力矩,如表3所示。

表3 堵轉力矩估算

4.2 自鎖力矩

由式tc=J/δ,可得電機力矩阻尼系數:

將測得的電機轉動慣量與啟動、關斷時間代入式(13),可得啟動及關斷過程的阻尼系數。

由式(10)、式(11)可得

將已知的關斷響應特性代入式(11)可得自鎖力矩,如表4所示。

表4 自鎖力矩

4.3 機械特性實驗

通過圖7所示測功機的加載測試,可以獲得超聲電機的實際堵轉力矩,如圖8所示。

測功機未加載時,電機轉速為380r/min,已測得的最大堵轉力矩應達到6.7mN?m以上(考慮到實驗設備存在附加力矩)。該結果與通過瞬態分析得到的結果是比較接近的,也證明通過電機瞬態過程的動力學分析得到其負載能力是可行的。

對自鎖力矩的實際測量,已經通過懸吊砝碼的方法進行了實驗驗證。

圖7 測功機(精度:1mN?m)

圖8 機械特性擬合曲線

5 結束語

提出了一種直徑為10mm的新型微小旋轉型超聲電機的結構設計方案,并加工制作了樣機。針對微小超聲電機力矩較小,不易直接測量的特點,提出通過瞬態特性測試和分析來估計其機械特性的方法。搭建了微小旋轉型超聲電機瞬態特性測試系統,通過實驗獲得了電機轉速、啟動及關斷時間。對實驗數據進行分析和計算,得到了電機的機械特性數據。最后,通過與采用測功機得到的電機機械特性數據進行對比,驗證了該方法的有效性,這種估算方法對其他行波型電機同樣適用。該方法為測量具有更微小力矩(μN?m量級)的直徑為2mm的桿式行波超聲電機的機械特性提供了一種有效的方法。

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Transient Test and Estimation of Mechanical Propertiesof Tiny Rotary Type of U ltrasonic Motor

Chen Rujuan Chen Chao Song Xiaogang
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016

One novel kind of tiny TRUM w ith the diam eter of 10mm was p resented and manu factured.For the prototype has them illisecond level response characteristics and sm alloutput torque,the load capacity of the tiny type TRUM can be obtained by analyzing the transient dynamics.By the signal acquisition system composed o f optical encoders,NI acquisition card and virtual instrument software,the transient characteristicsexperimentof the prototypewas conducted to acquire its speed,startup and shutdown time.The measured data was analyzed to calculate the torque characteristics of the p rototype.Finally,the p roposed method is validated by comparing the calculated resu lts w ith the experimental data of the dynamometer.

traveling wave rotary ultrasonicmotor(TRUM);transient characteristics;signalacquisition;load

TM 356

1004—132X(2011)11—1284—05

2010—07—29

國家自然科學基金資助項目(50975135,10604032);南京航空航天大學青年科技創新基金資助項目(NS2010001)

(編輯 袁興玲)

陳如娟,男,1986年生。南京航空航天大學航空宇航學院碩士研究生。主要研究方向為微小型超聲電機技術。陳 超,男,1976年生。南京航空航天大學航空宇航學院副教授。宋小剛,男,1982年生。南京航空航天大學自動化學院碩士研究生。