超聲電機性能的實驗測試研究

蔡衛剛

（西安航空職業技術學院 電子工程系，陜西 西安 710089）

超聲電機（Ultrasonic Motor，USM）技術是振動學、波動學、摩擦學、動態設計、電力電子、自動控制、新材料和新工藝等學科結合的新技術。超聲電機不像傳統的電機那樣利用電磁的交叉力來獲得其運動和力矩，而超聲電機則是利用壓電陶瓷的逆壓電效應和超聲振動來獲得其運動和力矩的，將材料的微觀變形通過機械共振放大和摩擦耦合轉換成轉子的宏觀運動。在這種新型電機中，壓電陶瓷材料盤代替了許許多多的銅線圈。

超聲電動機將電致伸縮，超聲振動，波動原理這些毫不相干的概念與電機聯系在一起，創造出一種完全新型的電動機。在超聲電機中無滑動時，轉子的速度由振動速度決定，因此電機的轉速一般很低，每分鐘只有十幾轉到幾百轉，但是，超聲電機不用線圈 ，也沒有磁鐵，結構相體積小，重量輕；與普通電機相比，在輸出轉矩相同的情況下，可以做得更小，更輕，更薄。 超聲電動機靠摩擦力驅動，質量較輕，慣性小，響應速度快，起動和停止時間為毫秒量級。

因此它可以實現高精度的速度控制和位置控制。盡管有這么多鮮明的優點，但從它所應用的角度來看，超聲電機仍然是一種執行器，它還遠沒有達到在開環狀態下就能執行精確的速度和位置命令的程度。從控制的難易程度來看，超聲電機比電磁電機的控制更難，這是由超聲電機的控制變量與轉速以及負荷之間的關系所決定的[1-3]。

1 實驗測試多自由度電機結構

1.1 多自由度電機結構

圖1 多自由度電機的結構Fig.1 Structure of the multi-DOF motor

多自由度電機的結構如圖1所示。該電機的定子由一個夾心式彎曲圓環型換能器和一個壓電多層振子組成。彎曲換能器由兩個圓環型縱振動壓電片被基底和鋁塊夾心而構成。壓電片的厚度為2 mm。其外直徑和內直徑分別為20 mm和10 mm。壓電片負方向的電機分別和基底和鋁塊相連。正電極用砂紙打磨掉，電極x、x′，y和y′被插在兩個壓電片中間以產生兩個方向的彎曲振動。通過選擇兩個處電極y和y′，可以產生另一個方向的彎曲振動[4]。

圖2 壓電多層振子的形狀及電極結構Fig.2 Shape and electrode structure of the piezoelectric multi-oscillator

定子豎直方向的縱振動由壓電多層振子來產生。其結構如圖2所示。振子的外直徑為19 mm，內直徑為7.4 mm，厚度為5 mm。該振子由50～100層的壓電晶片組成。每一層晶片的厚度約為50 μm。該振子的優點是：當工作電壓較低時，振子可以在非共振的條件下，在定子表面產生大的縱振動位移。

1.2 多自由度電機的工作原理

由于該電機的縱振動和彎曲振動分別由不同的振子來產生，因而不同的振動模式之間是獨立的，不會產生耦合運動。定子有3種振動模式，這3種振動的運動方向是相互垂直的。通過兩種運動模式的組合，可以產生轉子的三自由度轉動。其工作原理如圖3所示。利用y方向的二階彎曲振動和多層振子一階縱振動的組合，可以產生x方向的轉動[3]。在激勵時，縱振動激勵電壓信號的相位和彎曲振動激勵電壓信號的相位相差900。同理，對于饒y軸的旋轉，可以利用x方向的彎曲振動和z方向的縱振動組合來實現。Z軸的旋轉可以通過激勵兩個方向的彎曲振動來實現。多自由度的工作原理如圖3所示。

圖3 多自由度電機的工作原理Fig.3 Multiple degrees of freedom of the motor working principle

2 不同予應力作用下頻率、相位與轉速的關系

實驗進行時，首先給系統輸入信號，通過功率放大器把信號放大再輸入到多自由度超聲電機，多自由度超聲電機的變化情況在旋轉編碼器的作用下最終通過示波器可以觀察出來[5－7]。系統的實驗框圖如圖4所示。

圖4 實驗測試框圖Fig.4 Laboratory testing diagram

2.1 不同予應力作用下，頻率與旋轉速度的關系

測試條件有以下兩個方面:

1）彎曲振動電壓：Vpp=250 V

2）相位 900

本實驗研究的是在不同予應力作用下，電機的轉速隨頻率的變化關系，實驗中，電機的轉速可以通過控制頻率來控制其轉速的大小，但是在予應力不同的情況下，電機能轉動起來的頻率是不一樣的，予應力越大要求能使電機轉動起來的起始頻率就越高，同時隨著轉動頻率的逐漸增大轉動的轉數也越來越少，因此，通過控制頻率可以控制電 機 轉 速[8－9]。

本實驗研究的是在不同予應力作用下，電機的轉速隨頻率的變化關系，實驗中，電機的轉速可以通過控制頻率來控制其轉速的大小，但是在予應力不同的情況下，電機能轉動起來的頻率是不一樣的，予應力越大要求能使電機轉動起來的起始頻率就越高，同時隨著轉動頻率的逐漸增大轉動的轉數也越來越少，因此，通過控制頻率可以控制電機轉速。

2.2 相位與旋轉速度的關系

相位與旋轉速度關系的測試條件:

1）縱振動電壓 Vpp=10 V

2）彎曲振動電壓 Vpp=250 V

3）頻率f=23.7 kHz

本實驗是研究相位與旋轉速度之間的關系，通過改變電機不同時刻的相位來測試其轉速，最終通過轉速的變化分析相位與轉速之間的關系[10]。

圖像顯示如圖5所示由上圖可知，電機相位達到一定值之后其轉速隨相位的逐漸增大而增大，當相位度數達到900時，其轉速達到最大值，因此，要改變電機的轉速可以通過改變相位改變。

圖5 相位隨旋轉速度的關系Fig.5 Phase relationship with the rotating speed

3 結論

超聲電機是一種新型電機，它利用壓電材料的逆壓電效應，使定子表面產生一定軌跡的微米量級的振動，進而通過摩擦耦合將振動動能轉換成轉子或滑塊的宏觀運動（轉動或平動）動能[10]。

通過對超聲電機的研究，得出超聲電機在工作狀態下，有很多因素會影響其轉速，針對這種情況我們對它進行探索，經過理論與實踐的相結合得到影響超聲電機。

1）在不同的予應力作用下，電機頻率隨旋轉速度的變化而變化，變化趨勢是先隨頻率逐漸增長到一定的程度后再呈下滑的趨勢。

2）超聲電機相位也隨旋轉速度的變化而變化。旋轉速度是隨相位的逐漸增大而加快，最終當相位達到900 時其旋轉速度達到最大值。

[1]張愛民.自動控制原理[M].北京：清華大學出版社，2006.

[2]傅平，郭吉豐，沈潤杰.球形行波型超聲波電機的驅動數學模型[J].中國電機工程學報，2006，26（23）：115-119.FU Ping， GUO Ji-feng， SHEN Run-jie.The driving mathematic model of spherical traveling-wave type ultrasonic motor[J].Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering，2006，26（23）：115-119.

[3]郭吉豐，傅平.多自由度球形超聲波電機的研究進展[J].電工電能新技術，2005，24（2）:65-68.GUO Ji-feng，FU Ping.The research progress of multidegree of freedom ultrasonic motor[J].Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy， 2005，24（2）:65-68.

[4]劉俊標，黃衛清，趙淳生.圓柱-球體三自由度超聲電機運動機理研究[J].機械科學與技術，2002，21（4）:609-611.LIU Jun-biao， HUANG Wei-qing， ZHAO Chun-sheng.Study on the motion mechanism of a cylinder-sphere ultrasonic motor with three-degree of freedom[J].Mechanical Science and Technology，2002，21（4）:609-611.

[5]Aoyagi，NakajimaT，TomikawaY，et al.Jpn.J，AppL.Phys.，2004， 43（5）:2884-2886.

[6]金龍，胡敏強，顧菊平.一種新型圓柱定子 3自由度球形壓電超聲電機[J].東南大學學報：自然科學版，2002，32（4）:1-4.JIN Long， HU Min-qiang， GU Ju-ping.New type of threedegree of freedom spherical piezoelectric ultrasonic motor with cylinder stator[J].Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2002，32（4）:1-4.

[7]Purwanto E，Toyama S.Control method of a spherical ultrasonic motor[C]//Proc.of the 2003 IEEE/ASME Inter.Conf.on Anvanced Intelligent Mechatronics，2003:1321-1326.

[8]趙淳生.超聲電機在南京航空航天大學的研究與發展[J].振動、測試與診斷，2005，25（3）：167-173.ZHAO Chun-sheng.Research on ultrasonic motors in nanjing university of aeronautics and astronautics[J].Journal of Vibration,Measurement&Diagnosis，2005，25（3）：167-173.

[9]Tomonobu S，Nakamura M，Urasaki N.Mathematical Model of Ultrasonic Motors for Speed Control[J].IEEE Trans，1998，36（2）:290-295.

[10]Senbaru，Nishibara,Nakagami.Speed control of ultrasonic motors by adaptive control with a simplified mathematical model[J].Electr.Apply，1998，145（3）:180-183.