二自由度超聲波電機(jī)總結(jié)

球形二自由度超聲波電機(jī)的運(yùn)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(yùn)動姿態(tài)精度高、運(yùn)動快和平穩(wěn)等特點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)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(jī)實(shí)現(xiàn)二自由度運(yùn)動，的姿態(tài)測量連桿機(jī)構(gòu)以及相應(yīng)的控制算法可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)動姿態(tài)控制，為球形二自由度超聲波電機(jī)的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2100433B

運(yùn)動姿態(tài)測量機(jī)構(gòu)

球形轉(zhuǎn)子的二自由度運(yùn)動姿態(tài)可由二對行波定子馭動決定，通過控制各對的運(yùn)動速度和轉(zhuǎn)向，可使球形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向各個(gè)方向，為檢測球轉(zhuǎn)子的運(yùn)動姿態(tài)，國外采用球絞結(jié)構(gòu)和兩個(gè)光電編碼器但由于球絞實(shí)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(gè)行波定子組成平而平行)，當(dāng)輸出軸在中心位置時(shí)(即輸出軸軸線垂直于四個(gè)行波定子組成的平而時(shí))，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(shí)，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(diǎn)滑動，并帶動光電編碼軸回轉(zhuǎn);同時(shí)，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(shí)，即球轉(zhuǎn)子運(yùn)動姿態(tài)變化時(shí)，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(yùn)動姿態(tài)控制策略

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

超聲波電機(jī)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(jī)來說，由于要求四個(gè)行波定子在工作時(shí)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(gè)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(shí)現(xiàn)一定的控制效果，提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速，但是硬件電路的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，而且由于調(diào)壓時(shí)電機(jī)定子電壓的峰一峰值在不斷改變，因此電機(jī)會出現(xiàn)速度波動，這不利于電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。

對于球形二自由度超聲波電機(jī)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(shí)用，不需要增加額外的硬件電路。只要控制得當(dāng)，對電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的影響較小，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。更重要的是因?yàn)殡姍C(jī)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(jī)的靜摩擦系數(shù)大于行波馭動時(shí)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(shí)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(yùn)動，這是因?yàn)殪o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(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)了。

二自由度球形超聲波電機(jī)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(gè)定子施加兩路在空間和時(shí)間上都相差90。的正弦波激勵(lì)，同時(shí)給剩余2個(gè)定子施加駐波信號時(shí)，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(lì)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。

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(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，電機(jī)由3個(gè)定子、1個(gè)球轉(zhuǎn)子和預(yù)緊力加載機(jī)構(gòu)組成.3個(gè)行波型環(huán)狀定子繞空間軸回轉(zhuǎn)120。對稱分布，由于3個(gè)定子的中心軸線通過球心且處于同一球截而內(nèi)，電機(jī)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).預(yù)緊力加載機(jī)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(gè)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(shí)現(xiàn)定、轉(zhuǎn)子之間預(yù)緊力的調(diào)節(jié) .

為了探索多自由度超聲波電機(jī)在微型機(jī)器人等控制領(lǐng)域的應(yīng)用，電機(jī)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(jī)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(jī)的相位差調(diào)速方式，建立電機(jī)的前饋模型;基于機(jī)械鼠標(biāo)原理的位姿檢測機(jī)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(shí)現(xiàn)電機(jī)位姿控制.電機(jī)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(jī)的推進(jìn)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)

超聲波電機(jī)是一種新型的微特電機(jī)，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(yùn)動.該電機(jī)在機(jī)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(jī)是近年來超聲波電機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).而電機(jī)的速度/位置檢測一直是其難點(diǎn)，原因在于該類電機(jī)的轉(zhuǎn)子是球體，單自由度電機(jī)的檢測方法不能簡單地復(fù)制，需新的檢測機(jī)構(gòu)和方法.

常見的多自由度球形超聲波電機(jī)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(gè)弧形十字球絞機(jī)構(gòu)和2個(gè)光電編碼器檢測二自由度電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置.Lee等的改進(jìn)方案可檢測三自由度電機(jī).傅平等叫采用調(diào)心軸承和連桿機(jī)構(gòu)來檢測球轉(zhuǎn)子運(yùn)動姿態(tài).上述機(jī)構(gòu)都會增加電機(jī)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(shí)用性較差.Purwant。等.了使用霍爾元件檢測電機(jī)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(jī)的位姿檢測機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高精度的電機(jī)位姿控制是當(dāng)前球電機(jī)應(yīng)用中函需解決的關(guān)鍵問題.首先介紹電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理;其次電機(jī)的位姿檢測機(jī)構(gòu)、驅(qū)動方式、調(diào)速方式和控制策略;最后，對電機(jī)位姿控制方案進(jìn)行測試，驗(yàn)證方案的有效性和精確度.

與傳統(tǒng)的電機(jī)不同，超聲波電機(jī)無繞組和磁極，無需通過電磁作用產(chǎn)生運(yùn)動力。一般由振動體(相當(dāng)于傳統(tǒng)電機(jī)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(jī)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(shí)，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(jī)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(yùn)動。

實(shí)現(xiàn)超聲波驅(qū)動有兩個(gè)前提條件：首先，需在定子表面激勵(lì)出穩(wěn)態(tài)的質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動軌跡；其次，將定子表面質(zhì)點(diǎn)水平方向的微觀運(yùn)動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的宏觀運(yùn)動或平動。第一個(gè)前提條件對應(yīng)著機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，利用逆壓電效應(yīng)由電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械振動能：第二個(gè)前提條件對應(yīng)著運(yùn)動形式轉(zhuǎn)化，往往通過定轉(zhuǎn)子間的摩擦力來實(shí)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(jī)，也稱為聲懸浮超聲波電機(jī)。從超聲電機(jī)的工作原理可見，其正常工作離不開兩個(gè)能量轉(zhuǎn)換作用：機(jī)電轉(zhuǎn)換作用和摩擦轉(zhuǎn)換作用。機(jī)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(yùn)動或旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(jī)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(jī)(Ultrasonic motor，USM)是基于功能陶瓷的超聲波頻率的振動實(shí)現(xiàn)驅(qū)動的新型驅(qū)動器。超聲電機(jī)是一個(gè)典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，由電機(jī)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(jì)算技術(shù)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域。超聲波電動機(jī)打破了由電磁效應(yīng)獲得轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的傳統(tǒng)電機(jī)的概念。

與傳統(tǒng)電機(jī)相比，它具有以下特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)：低速大力矩輸出；功率密度高；起?？刂菩院?；可實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動；可實(shí)現(xiàn)精確定位；容易制成直線移動型馬達(dá)；噪音小：無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(diǎn)，如：功率小；壽命短等。

超聲電機(jī)的兩個(gè)顯著特點(diǎn)是：1)低速大力矩輸出：2)保持力矩大，宏觀表現(xiàn)為起?？刂菩院?。超聲電機(jī)能大力矩輸出是因?yàn)榧ふ裨捎么蠊β拭芏鹊膲弘娞沾刹牧稀Ｍ叽绲某曃㈦姍C(jī)的力矩比靜電微電機(jī)高3-4個(gè)量級：比電磁微電機(jī)高1．2個(gè)量級且輸出轉(zhuǎn)速也比其它類型的微電機(jī)低。超聲電機(jī)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?yàn)殡姍C(jī)的定、轉(zhuǎn)子間依靠摩擦力實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的驅(qū)動。由于以上特點(diǎn)，與超聲電機(jī)相連接的系統(tǒng)無須齒輪減速機(jī)構(gòu)和制動機(jī)構(gòu)，簡化了應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。超聲波電機(jī)有著誘人的應(yīng)用前景，成為研究的一大熱點(diǎn)。具體地說，有以下幾方面：信息機(jī)器、光學(xué)儀器、微機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器、探測系統(tǒng)、精密加工等。超聲電機(jī)的發(fā)展趨勢是：大力矩、小尺寸、高效率、長壽命。