| 超聲波電機轉矩特性的研究
摘要：超聲波電機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應，將電能直接轉變成機械振動能的種驅動裝置。具有結構簡單、可直接驅動、響應速度r夾、控制精度高等特點，本文介紹了超聲波電機驅動控制原理以及疋轉子的一種接觸模型，然后針對這種接觸模型從理論上研究其轉矩特性，最后比較了兩種采用砰砰控制思想的恒轉矩控制的效果。
關鍵詞：超聲波電機；接觸模型；轉矩控制；砰一砰控制
O引言
超聲波電機fultrasonic M0tor，簡稱uSMl不同于一般的電磁電機，它利用壓電陶瓷(PleZO—electric ceramic)具有的逆壓電效應，即在交變電場作用下，壓電陶瓷會產生伸縮現象，通過各種伸縮振動模式的轉換與耦合，將電能直接轉變成機械振動能，并利用摩擦轉變成旋轉(或其它運動方式)機械能的驅動裝置
目前最常用的超聲波電機為環形行波型超聲波電機(Ring—tvpe Traveling．wave ultrasonicMotom簡稱R丁wusM)，其結構特點是定子和轉子均為一薄圓環，使得整個電機結構呈扁圓環形。其核心部分是由壓電陶瓷和彈性體組成的定子及接觸面粘有摩擦材料的轉子。定轉子依靠蝶簧變形所產生的軸向壓力緊壓在一起。
與傳統電磁電機相比，超聲波電機有許多獨特的優點：低速大轉矩、電磁兼容性好、啊應快、斷電自鎖、運行無噪聲等l】。J。因此在消費數碼、家電、軍工、汽車、航天乘i機器人等領域有著廣泛的應用前景。為了提高超聲波電機的應用水平，拓展超聲波電機的應用領域H。】，要加快對超聲波電機瞬態特性的分析和研究。對于瞬態分析主要是研究其轉矩變化的特點，使能控制其起動和停止的響應時間，另外在追蹤軌跡運動時的速度控制可以通過研究轉矩特性來實現。1超聲波電機運動分析
環形行波型超聲波電機運行的基本原理是利用兩相交變激勵電壓在黏貼在定子上的壓電陶瓷中產生定向移動的行波，通過定轉子接觸的摩擦力驅動轉子轉動。
定子上的壓電陶瓷相鄰分區極化方向相反，在電壓激勵下，相鄰壓電分區通過相關的壓電陶瓷的非零壓電系數，分別伸張和收縮，從而激發橫向長度伸張和收縮振動模，可以在定子彈性體
中激勵出彎曲振動，由于壓電體在一個驅動信號作用下，一般只能獲得駐波分布，即使用單相交變電壓激勵壓電陶瓷環A區或者B區，只能在定子環中激發出單一的駐波振動；而使用兩相交
變電壓同時激勵A區和B區，在一定條件下疊加就jJ以在定子環中激發出行波振動。可以證明在行波的作用下定子表面的質點作橢圓運動口。
轉子速度，可以由以下公式表示
其中晶為A相和B相振動的振幅；☆=2口／兄為彈性波振動的波數；h為定子上表面到中性層的距離(即貼在定子I的壓電陶瓷厚度的一半)；≯為A相、B相驅動間的相位差。
在行波超聲波電機結構設計完成后，^、h確定，可以分別通過調節壓電陶瓷的兩相激勵電壓的幅值島，A、B兩相之間相位差≯以及驅動頻率廠來調節行波波峰點的速度來控制轉子的轉
動速度、輸出轉矩。超聲波最常見的三種控制方法是調頻、調相和調壓。
2定轉子接觸模型
由于定了在振動狀態下，表面質點運動具有橫向位移和縱向速度，使定子通過摩擦帶動轉子轉動成為可能。通過對行波超聲波電機定轉子接觸面特性的分析，可以進一’步研究定轉子間力的傳遞機理。
當定子振動為理想行波時，以式w(x，≠)=一晶cos(奴+∞f) 為例，在此情況下，定子行波的振幅與時間無關，穩態下行波的形狀保持不變。為簡化分析，可取f—z時刻定子和轉子 個波長的接觸面進行分析，如圖3(a)所示。在
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