航天用大力矩高精度超声波电机研究

核心提示：　　利用压电材料具有的逆压电效应，即在交变电场作用下，压电材料会产生伸缩现象，通过各种伸缩振动模式的转换与耦合，将电能直接转变成机械振动能，并利用摩擦转变成旋转或其它方式运动的驱动装置。与电磁型电机相

　　利用压电材料具有的逆压电效应，即在交变电场作用下，压电材料会产生伸缩现象，通过各种伸缩振动模式的转换与耦合，将电能直接转变成机械振动能，并利用摩擦转变成旋转或其它方式运动的驱动装置。与电磁型电机相比，具有以下的特点：①结构紧凑简单，根据驱动结构要求可嵌入，可与系统一起集成，如Canon相机自动变焦镜头，其电机为两个定转子圆环，可与镜头集成在一起，圆环中间可通过光线；②能量密度是电磁型电机的5倍，是典型的低速大力矩电机，可用于直接驱动，因此可减轻飞行物的重量，用于航空航天领域另外，也较适合空间特殊环境；③易调速，低速区平稳无脉动，但在控制上又可实现步进驱动，而且定位精度高，④停电后具有摩擦自锁功能，且因在高频域振动，能量衰减极快，有极高动态响应特性（机械时间常数在数个ms以内），故易实现高精度的速度和位置伺服控制；⑤无齿轮减速装置产生的间隙，可精确定位；⑥有与直流电机相似的下垂的转矩转速特性；⑦由于无铁心和线圈，因此抗电磁干扰性强，即电磁兼容性（EMC）妊其不足之处是：①制造成本相对较高，但批量生产时成本可大幅度降低；②因为靠摩擦驱动，摩擦材料的寿命问题，会影响电机的工作寿命，目前行波型超声波电机连续运行的寿命已达600Ch，纵扭复合型超声波电机亦已在。复合型超声波电机的两PZT振子分别激发两个相互垂直且同频的强迫振动，两种振动可单独调节。扭振子产生扭转振动，用以驱动转子输出力矩，纵振子产生轴向振动，以控制定子和转子间的摩擦力，实现将交变的扭转振动转换成转子单方向的旋转运动，其过程类似整流过程根据扭转振动与转子运动方向的异同，复合型超声波电机在一个振动周期内的运动可分为两个过程：在扭转振动正半周（2卜（3），扭转振动的方向与转子旋转的方向相同，纵振动沿轴向伸长，轴向位移如箭头所示，定转子间逐渐紧密接触，定子弹性体的扭转振动通过摩擦耦合传递到转子，驱动转子旋转；在扭转振动负半周（3h（1），扭转振动的方向与转子旋转的方向相反，纵振动的方向与前半周相反，沿轴向缩短，定转子快速脱离。由于纵、扭转振动在正半周和负半周内不同的叠加效果，形成了转子单向的旋转运动。这种超声波电机的特点是能够独立地改变扭转压电陶瓷振子和叠层压电陶瓷的驱动电压，控制表面质点的振动轨迹，从而能够很好地控制电机转速和转向，低速运行稳定。由于转矩由单独的振子产生，特别是定转子断续面接触驱动，故易于实现低速大力矩输出2电机结构和调谐纵扭复合型超声波电机由于需要纵扭同频振动共同作用，为使两振动的振幅都较大，电机工作在纵扭振动的谐振点或接近谐振点，所以必须使电机结构的纵扭两振动谐振点一致或接近，这就是纵扭复合型超声波电机的调谐问题但由于纵、扭振动在定子的声传递速度不同，造成纵、扭振子的谐振频率不同，对于等截面定子，同阶谐振频率纵振大于扭振，一般为1.6倍另外，也很难用其纵、扭振子的高阶频率，因为频率一高，定子表面的振幅很小，使得转子无法把定子振动能量通过摩擦接触面取出，所以最初研制的电机，其工作在扭振子一阶谐振频率上，而纵振子则通过叠层压电堆使其有较大的纵振振幅181，但这种压电堆的粘接困难，且因承受剪力作用，有强度问题因此很自然地提出了把定子作为纵振子（亦可扭振子），转子作为扭振子（或纵振子），其定转子可根据工作频率设计思想，这种电机，因转子需要电刷导电使结构相对较复杂，而且样机的bookmark1振动能量集中到一点或微小局部（往往变幅杆顶端的直径与压电片的直径相比小很多），相似地，采用定子阶梯轴结构来降低纵振频率提高扭振频率，这样定子表面的轴径要比压电片的直径小，提高了电机转速，但降低了电机的力矩，而对超声波电机要得到大力矩尽量要把振动能量传到大的圆环上另外，通过配重块来调节纵振动频率亦是一法，但使系统的质量增力P.我们提出的定子结构外直径与压电片是一致的，内部则是中空变截面结构，如所示，这不仅可使纵扭振动的谐振频率接近，还可提高扭转振幅定子中纵扭压电片的位置其影响较大，过去的方法是把纵扭压电片安装在定子中各自振动的节面上，但由于电机转子压紧力和转子负载等的影响，其效果并不好，实际应考虑定转子耦合下的振动节面，由于影响因素众多，要完全理清有一定难度，但可根据等效参数法估算，从定转子的相互耦合和负载的影响等多角度分析考虑另一方面，从数据采集卡用PCL-818，卡上有I/O功能的接口和三个定时器/记数器可供使用。，从测试结果看，瞬态过程与理论分析是一致的，负载时的瞬态特性正如前述，是通过大电压实测的（大电流实测与小电流下扫频得到的有一定的出入，采用HP4192得到的纵扭振一阶谐振频率4kHz，应以大电流时为准），纵扭振的一阶谐振频率分别为223kHz和20.5kHz，两者十分接近，相差仅1.1倍，这表明前述的设计方法和采用中空变截面结构较成功。实验可见，扭振子有反谐振点，而纵振子基本没有。频率变化对纵振子和扭振子影响不同，频率变化对纵振子影响较大，纵振动的电压变化明显，对扭振子的影求而定。

　　中，单片机系统主要负责信号发生器产生的小信号至力率放大器之间的通断，而PC机则应甩另外，文中响较小。且定转子压紧力增加有助于提高纵扭振子的谐振频率从电机工作频率看，在合适的预压力下，纵扭复合型超声波电机的工作频率很宽，从25.4kHz，约有7kHz左右的工作频域，且运转都较平稳，但在扭振子谐振频率附近机械特性最好。这说明虽然纵扭复合型超声波电机的工作频率很宽，但仍然要选取合适的工作频率以获得更好的工作特性，实际电机的工作频率选择在20~ 21kHz范围，这时电机工作在谐振（扭振）和非谐振（纵振子）点运行，但这时纵振动的振幅仍较大，故有较大的力矩输出7高精度步进定位控制策略超声波电机具有强非线性，较难建立其控制模型，传统的电磁感应电机的定位控制方法不太适甩另外，大部分超声波电机的驱动器中的信号发生器部分没有程控接口，多为固定参数或手动调节，即使有程控接口时，如串口通信，也不适宜于实时控制因此研究一种对控制电路要求低控制精度高的控制策略方法具有现实意义，为此我们提出了步进定位控制策略与步进电机给一个脉冲信号有一恒定转角（其大小由电机结构决定）不同，超声波电机当给它一个正弦波（或方波）信号激励时，此时电机能转过一定大小的角度，但转角大小依赖于电机性能和负载等，且转角较小难于测量，但若一次连续发送N个正弦波或方波），此时超声波电机将向前转过一个角度，若继续发送N个波形，电机又将转过一个角度。其机理是继续发送N个波形的时间内，电机按起动特性曲线加速上升，关断后按关断特性曲线下降至停止，这时起动和关断特性曲线所围的面积就是电机的“步进角”实验表明，当电机的运行特性稳定且负载恒定时，电机的运行步距是比较均匀的，但其步距角与负载特性直接有关，由于负载下转速减小，其“步距角”也更小。实验测得空载和负载下声波电机当作步进电机使用，但对超声波电机，其所谓的“步距角”是可变的，与波数和负载有关，这样，为实现电机的精密定位，可采用步进定位控制策略实验中步与步之间的时间间隔要合适，太短电机会产生噪声，太长会延长精确定位时间，要根据实际要责对超声波电机转动角度的计算，并且根据算法向单片机给出指令。控制算法的基本思路如下：根据定位要求把电机的运行位置分为三类：1.未接近要求位置；2.已接近要求位置；3.已到达要求位置。在第一种情况下，电机连续运行，到达第二种情况时，电机从连续运行变为步进运行，直到第三种情况出现停止运行。显然，这里有二个重要参数需要设定，第一个参数是当接近目标改为单步走有提前量，由于电机关停过程会有一个关停转角，提前量必须大于关停转角，但又要使两者接近，这样，定位时间就短第二个参数是每步波数N，N越大步距角越大，定位精度越低，N越小则定位时间越长，定位精度越高，另外选择N时还要考虑使平均定位误差接近于零，这可通过实验确定在测试系统中，单步运行由单片机独立控制，N的记数由单片机定时计数器测定电机的连续、单步和停止指令通过PC工控卡的I/O口与单片机的I/O口通信，指令时间一般在几个微秒，远小于一个信号波的周期（驱动频率为20kHz时，即周期为50微秒），因此，完全满足实时控制要求可从0.01°至任意大小。表2列出定位要求为90°时的实验结果，实验重复次数100次。各参数为：提前量取为0.15°相当于30个脉冲），定位精度优于士0.02°相当于4个脉冲），N分别取为100 5010和3显然，步长对定位精度的影响较大，因此可根据不同的定位精度要求合理地选择每步的波数N大小。对于本系统，上述控制方法能实现0. 005°1个脉冲），这也是测试系统最小的分辨率，若能提高光电编码器的分辨率，控制精度还可适当提高表2不同N的定位精度测试结果实验次数100耜值最小值误差范围测量平均值8结论本文给出了航天用低速大力矩纵扭复合型超声波电机的样机，研究结果表明其具有质量/小低速大力矩和响应快等优点，其瞬态过程可近似为一阶滞后环节，非常适合作为高档的控制电机，适合于航天可行的瞬态特性测试方法和高精度的步进定位的控制策略为推进超声波电机在航天工程应用，须围绕效率提高、质量减小和空间环境的可靠性，进一步研究新结构并优化结构，深化驱动控制电源，特别是进行空间环境的适应性研究，对电机进行空间、自然和力学环境等的实验，进一步提高对超声波电机在航天领域应用的认识