二自由度超聲波電機簡介

為了探索多自由度超聲波電機在微型機器人等控制領(lǐng)域的應(yīng)用，電機的位姿檢測與控制方法.以基于三定子的二自由度球形超聲波電機為研究對象，以定子角速度的極小范數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合角速度矢量合成原理和電機的相位差調(diào)速方式，建立電機的前饋模型;基于機械鼠標(biāo)原理的位姿檢測機構(gòu)，反饋球轉(zhuǎn)子的姿態(tài)量，并結(jié)合分段斜率比較的控制策略實現(xiàn)電機位姿控制.電機閉環(huán)軌跡控制的誤差率為1. 3%，位姿檢測與控制的效果較好，為二自由度球形超聲波電機的推進(jìn)打下扎實的基礎(chǔ)

超聲波電機是一種新型的微特電機，已利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，激發(fā)定子彈性體在超聲頻段內(nèi)的微幅振動，通過摩擦作用將振動轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動.該電機在機器人、光學(xué)儀器和航空航天等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。

多自由度球形超聲波電機是近年來超聲波電機領(lǐng)域的研究熱點.而電機的速度/位置檢測一直是其難點，原因在于該類電機的轉(zhuǎn)子是球體，單自由度電機的檢測方法不能簡單地復(fù)制，需新的檢測機構(gòu)和方法.

常見的多自由度球形超聲波電機的位姿檢測方法可分為接觸型和非接觸型2類.接觸型檢測的典型結(jié)構(gòu)為滑軌支架測量系統(tǒng)少，該系統(tǒng)原理簡單，檢測精度較高.最早由Toyama等，采用1個弧形十字球絞機構(gòu)和2個光電編碼器檢測二自由度電機轉(zhuǎn)子的位置.Lee等的改進(jìn)方案可檢測三自由度電機.傅平等叫采用調(diào)心軸承和連桿機構(gòu)來檢測球轉(zhuǎn)子運動姿態(tài).上述機構(gòu)都會增加電機的損耗和限制球轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動范圍.

非接觸型檢測的典型結(jié)構(gòu)為視覺識別測量系統(tǒng)等在球轉(zhuǎn)子表而噴涂網(wǎng)格，并利用CCD鏡頭來識別網(wǎng)格位置，但該結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實用性較差.Purwant。等.了使用霍爾元件檢測電機姿態(tài)的方案，但精度較低，算法復(fù)雜.Mashimo等利用激光檢測球轉(zhuǎn)子的位置，由于光纖尖端的表而差異和界而反射導(dǎo)致定位精度受限.

因此，研究適合多自由度球形超聲波電機的位姿檢測機構(gòu)，實現(xiàn)高精度的電機位姿控制是當(dāng)前球電機應(yīng)用中函需解決的關(guān)鍵問題.首先介紹電機的結(jié)構(gòu)和工作原理;其次電機的位姿檢測機構(gòu)、驅(qū)動方式、調(diào)速方式和控制策略;最后，對電機位姿控制方案進(jìn)行測試，驗證方案的有效性和精確度.

研究室自主研制的基于三定子的二自由度球形超聲波電機的結(jié)構(gòu)如圖1所示，電機由3個定子、1個球轉(zhuǎn)子和預(yù)緊力加載機構(gòu)組成.3個行波型環(huán)狀定子繞空間軸回轉(zhuǎn)120。對稱分布，由于3個定子的中心軸線通過球心且處于同一球截而內(nèi)，電機從三自由度退化為二自由度.定子均采用大斜齒而內(nèi)緣接觸結(jié)構(gòu)，能提高定、轉(zhuǎn)子的能量傳遞效率.球轉(zhuǎn)子采用X40 mm氮化硅材料的高精度陶瓷球，該陶瓷球相比普通鋼球，具有質(zhì)量輕、耐磨性好和抗氧化性強等優(yōu)點.預(yù)緊力加載機構(gòu)由柔性板簧、板簧壓套、板簧座和側(cè)蓋等元件組成:環(huán)狀定子以過盈配合方式固定安裝在柔性板簧的中心孔內(nèi)，柔性板簧的3個引腳被固定于板簧壓套上，圓環(huán)形板簧壓套可在板簧座內(nèi)軸向移動.板簧座固定在底座上，擰動側(cè)蓋可調(diào)節(jié)板簧壓套的位移，進(jìn)而調(diào)節(jié)柔性板簧的壓緊量，實現(xiàn)定、轉(zhuǎn)子之間預(yù)緊力的調(diào)節(jié) .

二自由度球形超聲波電機通過行波型環(huán)狀定子的齒內(nèi)緣摩擦驅(qū)動球轉(zhuǎn)子.當(dāng)給某一個定子施加兩路在空間和時間上都相差90。的正弦波激勵，同時給剩余2個定子施加駐波信號時，可驅(qū)動球轉(zhuǎn)子繞著某一定子中心軸線回轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)激勵電壓的相位差，可以控制球轉(zhuǎn)子的速度和方向，這是最簡單的單自由度驅(qū)動原理。

運動姿態(tài)測量機構(gòu)

球形轉(zhuǎn)子的二自由度運動姿態(tài)可由二對行波定子馭動決定，通過控制各對的運動速度和轉(zhuǎn)向，可使球形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向各個方向，為檢測球轉(zhuǎn)子的運動姿態(tài)，國外采用球絞結(jié)構(gòu)和兩個光電編碼器但由于球絞實現(xiàn)困難，我們采用了調(diào)心軸承和連桿的測量結(jié)構(gòu)。

在球轉(zhuǎn)子上安裝輸出軸(其軸線通過球心)，輸出軸上裝有能兩自由度回轉(zhuǎn)的調(diào)心軸承，在調(diào)心軸承的軸承座圓環(huán)上與各自光電編碼器相連的連桿連接，兩連桿與調(diào)心軸承在同一平而內(nèi) (這一平而與四個行波定子組成平而平行)，當(dāng)輸出軸在中心位置時(即輸出軸軸線垂直于四個行波定子組成的平而時)，兩連桿是互相垂直的，即各連桿中心線與調(diào)心軸承中心相交，球轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，調(diào)心軸承也隨之向外移動并且兩自由度轉(zhuǎn)動，其軸承中心仍在兩連桿組成的平而內(nèi)。另外，各連桿與各光電編碼器軸線垂直相交，連桿可在與光電編碼器軸的相交點滑動，并帶動光電編碼軸回轉(zhuǎn);同時，為避免出現(xiàn)冗余自由度，連桿1與調(diào)心軸承座圓環(huán)固連，連桿2與調(diào)心軸承座圓環(huán)鉸接，這樣做，輸出軸偏離中心位置時，即球轉(zhuǎn)子運動姿態(tài)變化時，連桿1中心線繼續(xù)保持通過調(diào)心軸承中心，而連桿2中心線則不能保證通過調(diào)心軸承中心。

運動姿態(tài)控制策略

對于球轉(zhuǎn)子運動姿態(tài)可以用上述尸點在xoy平而的運動位置描述，即控制目標(biāo)由球轉(zhuǎn)子的運動姿態(tài)角轉(zhuǎn)化為尸點的運動位置，由于姿態(tài)角與尸點關(guān)系較簡單，這里就不再贅述了。

超聲波電機的位置控制一般采用相位差控制、頻率控制和調(diào)壓控制等策略。對于二自由度超聲波電機來說，由于要求四個行波定子在工作時的諧振頻率基木一致，而定子由于加工、材料和工藝等原因，很難保證一致，修正行波定子外緣傾角大小的方法來使四個定子的諧振頻率接近一致，且行波定子的諧振頻率的帶寬一般較小，所以不宜采用變頻法。若采用調(diào)壓控制，雖然可以實現(xiàn)一定的控制效果，提高電機的轉(zhuǎn)速，但是硬件電路的實現(xiàn)比較復(fù)雜，而且由于調(diào)壓時電機定子電壓的峰一峰值在不斷改變，因此電機會出現(xiàn)速度波動，這不利于電機的平穩(wěn)運行。

對于球形二自由度超聲波電機來說，采用相位差控制是比較理想的控制方案。相位差控制只需要用軟件改變定子馭動信號的相位差，方法簡單且可靠實用，不需要增加額外的硬件電路。只要控制得當(dāng)，對電機輸出轉(zhuǎn)速的影響較小，可以實現(xiàn)電機的平穩(wěn)運行。更重要的是因為電機是由兩對定子馭動采用相位差控制有無可比擬的優(yōu)越性，這是由于電機的靜摩擦系數(shù)大于行波馭動時的摩擦系數(shù)。假設(shè)一對定子由行波馭動，另一對定子不馭動，這時不被馭動的這對定子與轉(zhuǎn)子間為靜摩擦，也就是說球轉(zhuǎn)子無法在行波馭動的那對定子作用卜運動，這是因為靜摩擦產(chǎn)生的阻力矩大于行波馭動定子的馭動力矩。若不被馭動的那對定子改為駐波馭動，雖然行波馭動的那對定子產(chǎn)生的馭動力矩不變，但是此時駐波馭動的定子與轉(zhuǎn)子間為動摩擦，而動摩擦產(chǎn)生的阻力矩遠(yuǎn)小于靜摩擦產(chǎn)生的阻力矩，因此，行波馭動定子的馭動力矩就大于動摩擦的阻力矩，這樣，球轉(zhuǎn)子就可以順利地運轉(zhuǎn)了。

球形二自由度超聲波電機的運動依賴于兩對定子聯(lián)合馭動，只能采用相位差控制協(xié)調(diào)動作，而且具有兩自由度運動姿態(tài)精度高、運動快和平穩(wěn)等特點。

實驗結(jié)果表明，木系統(tǒng)所使用的馭動電路可以使球形二自由度超聲波電機實現(xiàn)二自由度運動，的姿態(tài)測量連桿機構(gòu)以及相應(yīng)的控制算法可以實現(xiàn)電機的運動姿態(tài)控制，為球形二自由度超聲波電機的應(yīng)用提供了堅實的基礎(chǔ)。2100433B

與傳統(tǒng)的電機不同，超聲波電機無繞組和磁極，無需通過電磁作用產(chǎn)生運動力。一般由振動體(相當(dāng)于傳統(tǒng)電機中的定子，由壓電陶瓷和金屬彈性材料制成)和移動體(相當(dāng)于傳統(tǒng)電機中的轉(zhuǎn)子，由彈性體和摩擦材料及塑料等制成)組成。在振動體的壓電陶瓷振子上加高頻交流電壓時，利用逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)使定子在超聲頻段(頻率為20KHZ以上)產(chǎn)生微觀機械振動。并將這種振動通過共振放大和摩擦耦合變換成旋轉(zhuǎn)或直線型運動。

實現(xiàn)超聲波驅(qū)動有兩個前提條件：首先，需在定子表面激勵出穩(wěn)態(tài)的質(zhì)點橢圓運動軌跡；其次，將定子表面質(zhì)點水平方向的微觀運動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的宏觀運動或平動。第一個前提條件對應(yīng)著機電能量轉(zhuǎn)換，利用逆壓電效應(yīng)由電能轉(zhuǎn)化成機械振動能：第二個前提條件對應(yīng)著運動形式轉(zhuǎn)化，往往通過定轉(zhuǎn)子間的摩擦力來實現(xiàn)，近年來亦有通過氣體或液體為中間介質(zhì)接觸為非接觸型超聲波電機，也稱為聲懸浮超聲波電機。從超聲電機的工作原理可見，其正常工作離不開兩個能量轉(zhuǎn)換作用：機電轉(zhuǎn)換作用和摩擦轉(zhuǎn)換作用。機電轉(zhuǎn)換作用是指壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，即對壓電陶瓷振子加高頻振蕩電流，使它以超聲波的頻率振動。摩擦轉(zhuǎn)換作用是指彈性體(定子與壓電陶瓷的合稱)的振動經(jīng)過定子與轉(zhuǎn)子工作面間的摩擦作用轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)子的直線運動或旋轉(zhuǎn)運動。要保證大力矩輸出、止動性好，必須滿足的條件就是有效足夠的機電轉(zhuǎn)換作用和有效穩(wěn)定的摩擦轉(zhuǎn)換作用。

英文：ultrasonic motor

由于激振元件為壓電陶瓷，所以也稱為壓電馬達(dá)。80年代中期發(fā)展起來的超聲波電機(Ultrasonic motor，USM)是基于功能陶瓷的超聲波頻率的振動實現(xiàn)驅(qū)動的新型驅(qū)動器。超聲電機是一個典型的機電一體化產(chǎn)品，由電機本體和控制驅(qū)動電路兩部分組成。產(chǎn)品涉及到振動學(xué)、波動學(xué)、材料學(xué)、摩擦學(xué)、電子科學(xué)、計算技術(shù)和實驗技術(shù)等多個領(lǐng)域。超聲波電動機打破了由電磁效應(yīng)獲得轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的傳統(tǒng)電機的概念。

與傳統(tǒng)電機相比，它具有以下特點與優(yōu)點：低速大力矩輸出；功率密度高；起?？刂菩院茫豢蓪崿F(xiàn)直接驅(qū)動；可實現(xiàn)精確定位；容易制成直線移動型馬達(dá)；噪音?。簾o電磁干擾亦不受電磁干擾；需使用耐磨材料(接觸型USM)和高頻電源等。但它也有自己的缺點，如：功率?。粔勖痰?。

超聲電機的兩個顯著特點是：1)低速大力矩輸出：2)保持力矩大，宏觀表現(xiàn)為起停控制性好。超聲電機能大力矩輸出是因為激振元件采用大功率密度的壓電陶瓷材料。同尺寸的超聲微電機的力矩比靜電微電機高3-4個量級：比電磁微電機高1．2個量級且輸出轉(zhuǎn)速也比其它類型的微電機低。超聲電機的保持力矩至少是最大輸出力矩的2倍多，具有大的保持力矩是因為電機的定、轉(zhuǎn)子間依靠摩擦力實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的驅(qū)動。由于以上特點，與超聲電機相連接的系統(tǒng)無須齒輪減速機構(gòu)和制動機構(gòu)，簡化了應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。超聲波電機有著誘人的應(yīng)用前景，成為研究的一大熱點。具體地說，有以下幾方面：信息機器、光學(xué)儀器、微機器人、醫(yī)療機器、探測系統(tǒng)、精密加工等。超聲電機的發(fā)展趨勢是：大力矩、小尺寸、高效率、長壽命。