二自由度超聲波電機性能測試研究

王 劍,白 洋,郭吉豐

(浙江大學,杭州 310027)

0 引 言

多自由度超聲波電機是近年來超聲波電機領(lǐng)域的研究熱點[1]，由于其轉(zhuǎn)子運動形式具有多樣性，因此研究適合多自由度超聲波電機的性能測試方法，是實現(xiàn)電機控制的先決條件[2]。

目前旋轉(zhuǎn)型或直線型單自由度超聲波電機性能測試研究已較成熟。張鐵民等[3]建立了基于虛擬儀器的直線型超聲波電機性能測試平臺，實現(xiàn)對電機穩(wěn)態(tài)運行的驅(qū)動電參量、定子振動以及速度和溫度的測試分析。張凱等[4]利用光纖測速儀和電阻應(yīng)變儀(微力測量)構(gòu)建微型電機測試系統(tǒng)，測量Φ1 mm柱狀彎曲型超聲波電機的空載轉(zhuǎn)速和堵轉(zhuǎn)力矩。陳超等[5]針對微小型旋轉(zhuǎn)超聲電機力矩小、不易直接測量的特點，提出利用瞬態(tài)特性測試和分析來估算電機機械特性的方法，通過比對測功機數(shù)據(jù)，驗證該方法的有效性。

旋轉(zhuǎn)-直線二自由度電機作為多自由度電機的特殊分支，一些學者在本體研究的基礎(chǔ)上初步探索了測試技術(shù)。Mashimo等人[6]對電機轉(zhuǎn)子的直線和旋轉(zhuǎn)速度進行測試，對轉(zhuǎn)矩/推力按照公式進行估算。Tuncdemir等人[7]采用激光測振儀測試了電機的直線運動的速度，利用彈簧測試電機的最大推力，但沒有提到旋轉(zhuǎn)運動的測試方法。

本文針對自主研制的旋轉(zhuǎn)-直線二自由度超聲波電機為測試對象，提出一種集定子振動檢測、轉(zhuǎn)子運動測量和電機控制等功能為一體的電機性能測控平臺。文中首先介紹電機的結(jié)構(gòu)和特點；其次介紹了測控平臺的組成，闡述測試的原理和方法；最后，實測電機性能并分析測試結(jié)果。

1 電機結(jié)構(gòu)與特點

旋轉(zhuǎn)-直線二自由度超聲波電機由復(fù)合定子和轉(zhuǎn)子環(huán)2部分構(gòu)成，如圖1所示。金屬彈性體和壓電陶瓷組成定子復(fù)合體，其中金屬彈性體為變截面結(jié)構(gòu)。在正四棱柱的4個側(cè)面開傾斜定位槽，粘接壓電陶瓷，構(gòu)成定子的激勵部分；與轉(zhuǎn)子環(huán)接觸的圓柱構(gòu)成定子的傳導(dǎo)部分。壓電陶瓷沿厚度方向極化，利用陶瓷的壓電應(yīng)變系數(shù)d31，在陶瓷表面粘接柔性電路連接單相電源，通過輸入非對稱方波，激勵傾斜布置的壓電片，利用近諧振點慣性沖擊方法(SIDM)驅(qū)動電機，其中定子的扭振模態(tài)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)運動，縱振模態(tài)驅(qū)動直線運動。

電機的特點：結(jié)構(gòu)緊湊，主體結(jié)構(gòu)為直徑小于3 mm的柱體定子，定子表面有序排列一組同類型的壓電片，轉(zhuǎn)子為預(yù)緊力可調(diào)的移動部件；機理巧妙，該組壓電片既能激勵定子的扭轉(zhuǎn)振動，也能激勵縱向振動，所以能驅(qū)動轉(zhuǎn)子實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和直線2種運動；驅(qū)動簡單，應(yīng)用慣性沖擊控制方法為基礎(chǔ)的單相驅(qū)動電源；調(diào)節(jié)靈活，可以根據(jù)不同的嵌入式結(jié)構(gòu)，設(shè)計不同徑/長比的電機。

圖1 旋轉(zhuǎn)-直線二自由度超聲波電機的結(jié)構(gòu)

2 測試方法

2.1 端面振幅檢測

該電機的振動狀態(tài)由定子端面質(zhì)點的直線位移(縱振模態(tài))和扭轉(zhuǎn)角度(扭振模態(tài))來表征，測試原理如圖2所示。由信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率、幅值和占空比均可調(diào)節(jié)的方波信號激勵，通過高頻功放后輸入電機，并設(shè)置激光測振儀檢測定子端面的振幅。

電機工作在縱振模態(tài)時，激光測振儀發(fā)射的激光垂直于定子端面，可直接測量縱向振動的頻率、速度和位移等參數(shù)。工作在扭振模態(tài)時，需將激光發(fā)射頭偏轉(zhuǎn)90°，使之垂直于定子端面槽底部的邊緣，如圖3所示，測得位移為Δx，定子半徑為r，則扭轉(zhuǎn)角度Δα=Δx/r。

圖3 定子端面的扭轉(zhuǎn)角度測試原理

2.2 運動速度檢測

該電機定子直徑小于3 mm，且轉(zhuǎn)子具有直線和旋轉(zhuǎn)2個自由度等原因，傳統(tǒng)的諸如光電碼盤的測試方案難以適用。為此提出基于光電識別原理的轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)角檢測方法，如圖4(a)所示，將光電傳感器TCRT 1000固定在機構(gòu)上，并構(gòu)建信號檢測電路。

在直線運動中，采集傳感器輸出電壓，即可直接轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子位移量，轉(zhuǎn)子直線速度可對位移量求導(dǎo)得到。在旋轉(zhuǎn)運動中，需對轉(zhuǎn)子表面進行噴繪處理，如4(b)所示，黑色部分不反射，傳感器輸出高電平，白色部分對應(yīng)低電平。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，傳感器輸出一組方波信號。通過檢測方波的頻率fo，即可推導(dǎo)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度ω=π/fo。

(a) TCRT 1000 原理示意圖

(b) 轉(zhuǎn)子表面處理

3 結(jié)果分析

按上節(jié)的原理建立旋轉(zhuǎn)-直線二自由度超聲波電機的測控平臺，如圖5所示，并在該平臺上完成電機多種特性測試。

圖5 二自由度超聲波電機測控平臺

首先驗證電機的諧振頻率：選擇正弦波信號(Vpp=60 V)，檢測定子端面縱振和扭振的幅值，兩者幅-頻特性如圖6所示，定子一階縱振和一階扭振的諧振頻率分別為89.0 kHz和50.4 kHz，與阻抗分析儀的掃頻結(jié)果吻合。證明電機2個模態(tài)分離清晰，可實現(xiàn)直線與旋轉(zhuǎn)2個自由度的運動。

(a) 縱振模態(tài)

(b) 扭振模態(tài)

分別在諧振頻率點(fL=89.0 kHz和fT=50.4 kHz)輸入不同幅值的正弦波信號，得到定子端面振幅與激勵幅值的特性如圖7所示，兩者近似成線性關(guān)系。而在非飽和區(qū)間內(nèi)，轉(zhuǎn)子運動速度與定子端面振幅值成正比，因此該電機可采用調(diào)節(jié)激勵電壓幅值的方式實現(xiàn)速度控制。

(a) 縱振模態(tài)

(b) 扭振模態(tài)

該電機驅(qū)動的特點在于采用單相電源激勵，消除了相位差的影響。因此輸入頻率和占空比可控的非對稱方波，利用慣性沖擊方法，在諧振頻率附近(非諧振點)，占空比為D=33%或D=66%情況下，定子端面波形更接近鋸齒波，且峰值超過同頻同幅的正弦波激勵。給定方波激勵(Vpp=100 V，fL=91 kHz)，定子處于縱振模態(tài)，其端面縱振波形(D=33%和D=66%)如圖8(a)和圖8(b)所示。同理，方波激勵(Vpp=100 V，fT=51 kHz)下，定子處于扭振模態(tài)，其端面扭振波形如圖9所示。

(a) D=33%

(b) D=66%

(a) D=33%

(b) D=66%

電機的機械測試如下：給定方波激勵(Vpp=100 V，fL=91 kHz)，電機工作在縱振模態(tài)，轉(zhuǎn)子向電機尾部或頂部作直線運動(D=33%或66%)，最大直線速度為1.7 mm/s，最大推力為0.67 mN。電機直線運動速度/推力與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系分別如圖10(a)和圖11(a)所示。同理，給定方波激勵(Vpp=100 V，fT=51 kHz)，電機工作在扭振模態(tài)，轉(zhuǎn)子逆/順時針運動(D=33%或D=66%)，空載轉(zhuǎn)速約為75 r/min，最大力矩約為0.23 μNm，電機的轉(zhuǎn)速/力矩與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系分別如圖10(b)和圖11(b)所示。測試結(jié)果表明，電機力能輸出的最大點均位于定子頂部，與理論分析相吻合。

(a) 縱振模態(tài)

(b) 扭振模態(tài)

(a) 縱振模態(tài)

(b) 扭振模態(tài)

當電機工作在縱振模態(tài)(fL=91 kHz)，調(diào)節(jié)激勵電壓的幅值Vpp，電機直線運動速度相應(yīng)改變，如圖12所示。Vpp∈[80 V，100 V]為活躍區(qū)域，轉(zhuǎn)子運動速度與電壓幅值近似成正比；Vpp∈[60 V，80 V]為準靜止區(qū)域，定子表面振幅較小，轉(zhuǎn)子處于隨動狀態(tài)，直線運動不明顯；Vpp∈[100 V，120 V]為飽和區(qū)域，定子表面振幅過大，轉(zhuǎn)子處于相對滑動狀態(tài)，直線速度已接近極限，不再顯著提升。一般應(yīng)確保電機工作在活躍區(qū)域。扭振模態(tài)下電機的情況類似。

圖12 電機直線運動速度與激勵電壓幅值的關(guān)系

4 結(jié) 語

本文提出了旋轉(zhuǎn)-直線二自由度超聲波電機的測控平臺，具有定子振動檢測、轉(zhuǎn)子運動測量和電機控制等多種功能。根據(jù)測試結(jié)果，電機具有縱向和扭轉(zhuǎn)2種振動模態(tài)，諧振頻率分離清晰，可實現(xiàn)直線和旋轉(zhuǎn)2個自由度的運動。在諧振頻率附近輸入非對稱方波激勵，可在定子端面輸出鋸齒波的振動形態(tài)，證明慣性沖擊的驅(qū)動方法對電機有效。通過調(diào)節(jié)方波信號的頻率、占空比和幅值，可實現(xiàn)直線/旋轉(zhuǎn)的切換、運動方向的變化和運動速度的控制，說明了電機具有良好的控制性能。

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