《超聲波電動(dòng)機(jī)》ppt課件

1、第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)* *控制電機(jī)控制電機(jī)1 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)Ultrasonic Motor USMUltrasonic Motor USM是是 20 20世紀(jì)末開展起來(lái)的一種新的微型驅(qū)動(dòng)電機(jī)，它的根本構(gòu)世紀(jì)末開展起來(lái)的一種新的微型驅(qū)動(dòng)電機(jī)，它的根本構(gòu)造及任務(wù)原理與傳統(tǒng)電機(jī)完全不同，沒有繞組和磁路，造及任務(wù)原理與傳統(tǒng)電機(jī)完全不同，沒有繞組和磁路，不以電磁相互作用來(lái)傳送能量，而是基于壓電資料的逆不以電磁相互作用來(lái)傳送能量，而是基于壓電資料的逆壓電效應(yīng)即電致伸縮效應(yīng)，利用超聲波振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)壓電效應(yīng)即電致伸縮效應(yīng)，利用超聲波振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。 由于這種新

2、型電機(jī)的任務(wù)頻率普通在由于這種新型電機(jī)的任務(wù)頻率普通在20kHz20kHz以上，所以稱為超聲波電機(jī)。以上，所以稱為超聲波電機(jī)。第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)2 超聲波電機(jī)突破了傳統(tǒng)電機(jī)必需由電磁效應(yīng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)超聲波電機(jī)突破了傳統(tǒng)電機(jī)必需由電磁效應(yīng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的固有概念，與電磁式電機(jī)相比，超聲波電機(jī)矩和轉(zhuǎn)速的固有概念，與電磁式電機(jī)相比，超聲波電機(jī)具有以下特點(diǎn)：具有以下特點(diǎn)： (1) (1) 體積小，分量輕。體積小，分量輕。 (2) (2) 低速大轉(zhuǎn)矩。低速大轉(zhuǎn)矩。 (3) (3) 呼應(yīng)迅速，控制特性好。呼應(yīng)迅速，控制特性好。 (4) (4) 有斷電自鎖功能。有斷電自鎖功能。 (5) (5)

3、 與外界無(wú)相互電磁干擾。與外界無(wú)相互電磁干擾。 (6) (6) 構(gòu)造方式多樣化。構(gòu)造方式多樣化。第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)3第一節(jié)第一節(jié) 超聲波電動(dòng)機(jī)的根本構(gòu)造超聲波電動(dòng)機(jī)的根本構(gòu)造 超聲波電動(dòng)機(jī)的分類還沒有一致的規(guī)范，按超聲波電動(dòng)機(jī)的分類還沒有一致的規(guī)范，按照驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的機(jī)理可分為駐波型和行波型兩照驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的機(jī)理可分為駐波型和行波型兩種。駐波型是利用與壓電資料相連的彈性體內(nèi)激種。駐波型是利用與壓電資料相連的彈性體內(nèi)激發(fā)的駐波來(lái)推進(jìn)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，屬延續(xù)驅(qū)動(dòng)方式；行發(fā)的駐波來(lái)推進(jìn)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，屬延續(xù)驅(qū)動(dòng)方式；行波型那么是在彈性體內(nèi)產(chǎn)生單向的行波，利用行波型那么是在彈性體內(nèi)產(chǎn)生單向的行波

4、，利用行波外表質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡來(lái)傳送能量，屬延續(xù)驅(qū)動(dòng)波外表質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡來(lái)傳送能量，屬延續(xù)驅(qū)動(dòng)方式。目前，環(huán)形行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的根底實(shí)方式。目前，環(huán)形行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的根底實(shí)際和運(yùn)用技術(shù)均較為成熟。際和運(yùn)用技術(shù)均較為成熟。第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)4 環(huán)形行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的根本構(gòu)造如圖環(huán)形行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的根本構(gòu)造如圖9-19-1所示，所示，主要包括定子、轉(zhuǎn)子、壓力彈簧和轉(zhuǎn)軸等部件。主要包括定子、轉(zhuǎn)子、壓力彈簧和轉(zhuǎn)軸等部件。 第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)5第二節(jié)第二節(jié) 超聲波電動(dòng)機(jī)的任務(wù)原理超聲波電動(dòng)機(jī)的任務(wù)原理一、逆壓電效應(yīng)簡(jiǎn)介一、逆壓電效應(yīng)簡(jiǎn)介 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)

5、 是是 在在18801880年由法國(guó)的居里兄弟首年由法國(guó)的居里兄弟首先發(fā)現(xiàn)的。普通在電場(chǎng)作用下，可以引起電介質(zhì)先發(fā)現(xiàn)的。普通在電場(chǎng)作用下，可以引起電介質(zhì)中帶電粒子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)生極化，但是某些電中帶電粒子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)生極化，但是某些電介質(zhì)晶體也可以在純機(jī)械應(yīng)力作用下發(fā)生極化，介質(zhì)晶體也可以在純機(jī)械應(yīng)力作用下發(fā)生極化，并導(dǎo)致介質(zhì)兩端外表內(nèi)出現(xiàn)極性相反的束縛電荷，并導(dǎo)致介質(zhì)兩端外表內(nèi)出現(xiàn)極性相反的束縛電荷，其電荷密度與外力成正比。這種由于機(jī)械應(yīng)力的其電荷密度與外力成正比。這種由于機(jī)械應(yīng)力的作用而使晶體發(fā)生極化的景象，稱之為正壓電效作用而使晶體發(fā)生極化的景象，稱之為正壓電效應(yīng)。應(yīng)。第九章第九章 超

6、聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)6 反之，將一塊晶體置于外電場(chǎng)中，反之，將一塊晶體置于外電場(chǎng)中， 在電場(chǎng)的作用在電場(chǎng)的作用下，晶體內(nèi)部正負(fù)電荷的重心會(huì)發(fā)生位移，這一極化位下，晶體內(nèi)部正負(fù)電荷的重心會(huì)發(fā)生位移，這一極化位移又會(huì)導(dǎo)致晶體發(fā)生形變。這種由于外電場(chǎng)的作用而使移又會(huì)導(dǎo)致晶體發(fā)生形變。這種由于外電場(chǎng)的作用而使晶體發(fā)生形變的景象，稱之為逆壓電效應(yīng)，也稱為電致晶體發(fā)生形變的景象，稱之為逆壓電效應(yīng)，也稱為電致伸縮效應(yīng)。正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。伸縮效應(yīng)。正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)7 超聲波電動(dòng)機(jī)就是利用逆壓電效應(yīng)進(jìn)展任務(wù)的，圖超聲波電動(dòng)機(jī)就是利

7、用逆壓電效應(yīng)進(jìn)展任務(wù)的，圖9-29-2進(jìn)一步闡明了逆壓電效應(yīng)的作用。進(jìn)一步闡明了逆壓電效應(yīng)的作用。 當(dāng)外電場(chǎng)的交變當(dāng)外電場(chǎng)的交變頻率與壓電體的機(jī)械諧振頻率一致時(shí)，壓電體就進(jìn)入機(jī)頻率與壓電體的機(jī)械諧振頻率一致時(shí)，壓電體就進(jìn)入機(jī)械諧振形狀，成為壓電振子。械諧振形狀，成為壓電振子。 當(dāng)振動(dòng)頻率在當(dāng)振動(dòng)頻率在20kHz20kHz以上以上時(shí)，就屬于超聲振動(dòng)。時(shí)，就屬于超聲振動(dòng)。 第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)8二、橢圓運(yùn)動(dòng)及其作用二、橢圓運(yùn)動(dòng)及其作用 超聲振動(dòng)是超聲波電動(dòng)超聲振動(dòng)是超聲波電動(dòng)機(jī)任務(wù)的最根本條件，起驅(qū)機(jī)任務(wù)的最根本條件，起驅(qū)動(dòng)源的作用。但是，并不是動(dòng)源的作用。但是，并不是恣意超聲振

8、動(dòng)都具有驅(qū)動(dòng)作恣意超聲振動(dòng)都具有驅(qū)動(dòng)作用，用， 它必需具備一定的形它必需具備一定的形狀，即振動(dòng)位移的軌跡是一狀，即振動(dòng)位移的軌跡是一橢圓時(shí)，才具有延續(xù)的定向橢圓時(shí)，才具有延續(xù)的定向驅(qū)動(dòng)作用。驅(qū)動(dòng)作用。第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)9 那么，怎樣才干構(gòu)成橢圓運(yùn)動(dòng)呢？設(shè)有兩個(gè)空間相那么，怎樣才干構(gòu)成橢圓運(yùn)動(dòng)呢？設(shè)有兩個(gè)空間相互垂直的振動(dòng)位移互垂直的振動(dòng)位移uxux和和uyuy，均是由簡(jiǎn)諧振動(dòng)構(gòu)成，均是由簡(jiǎn)諧振動(dòng)構(gòu)成， 振振動(dòng)角頻率動(dòng)角頻率00為，振幅分別為為，振幅分別為xx和和yy，時(shí)間相位差為，時(shí)間相位差為， 即有即有 9-1第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī))sin()sin(0y

9、y0 xxtutu9-222y2yyxyx2x2xsincos2uuuu10 在上式中，當(dāng)在上式中，當(dāng) 時(shí)，兩個(gè)位移為時(shí)，兩個(gè)位移為同向運(yùn)動(dòng)，合成軌跡為一條直線；當(dāng)同向運(yùn)動(dòng)，合成軌跡為一條直線；當(dāng) 時(shí)，其軌跡時(shí)，其軌跡為一橢圓，并且在為一橢圓，并且在 時(shí)為一規(guī)那么橢圓。時(shí)為一規(guī)那么橢圓。第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)), 2, 1, 0(nnn2 n11 由此可見，相位差由此可見，相位差 的取值就決議了橢圓運(yùn)動(dòng)的的取值就決議了橢圓運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)方向，當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向，當(dāng)0 0 時(shí)橢圓運(yùn)動(dòng)為順時(shí)針方向，時(shí)橢圓運(yùn)動(dòng)為順時(shí)針方向， 當(dāng)當(dāng)00時(shí)橢圓運(yùn)動(dòng)為逆時(shí)針方向。由于橢圓運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)方向決時(shí)橢圓運(yùn)動(dòng)為逆

10、時(shí)針方向。由于橢圓運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)方向決議了定子對(duì)轉(zhuǎn)子的撥動(dòng)方向，所以也就決議了超聲波電議了定子對(duì)轉(zhuǎn)子的撥動(dòng)方向，所以也就決議了超聲波電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向。動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向。 第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)12三、行波的構(gòu)成及特點(diǎn)三、行波的構(gòu)成及特點(diǎn) 上面討論的是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)的作用。單靠一個(gè)上面討論的是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)的作用。單靠一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)還缺乏以推進(jìn)轉(zhuǎn)子并驅(qū)動(dòng)一定的負(fù)載，質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)還缺乏以推進(jìn)轉(zhuǎn)子并驅(qū)動(dòng)一定的負(fù)載，而而 應(yīng)該依托一系列質(zhì)點(diǎn)的延續(xù)橢圓運(yùn)動(dòng)來(lái)推進(jìn)轉(zhuǎn)子旋應(yīng)該依托一系列質(zhì)點(diǎn)的延續(xù)橢圓運(yùn)動(dòng)來(lái)推進(jìn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，也就是說(shuō)這些質(zhì)點(diǎn)需求進(jìn)展行波性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)，也就是說(shuō)這些質(zhì)點(diǎn)需求進(jìn)展行

11、波性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。 根據(jù)動(dòng)搖學(xué)實(shí)際，兩路幅值相等、頻率一樣、時(shí)間根據(jù)動(dòng)搖學(xué)實(shí)際，兩路幅值相等、頻率一樣、時(shí)間和空間均相差和空間均相差/2/2的兩相駐波疊加后，將構(gòu)成一個(gè)合成的兩相駐波疊加后，將構(gòu)成一個(gè)合成行波。行波。第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)13 如圖如圖9-5(a)9-5(a)所示，將極化方向相反的壓電體依次粘所示，將極化方向相反的壓電體依次粘貼在彈性體上，當(dāng)在壓電體極化方向施加交變電壓時(shí)，貼在彈性體上，當(dāng)在壓電體極化方向施加交變電壓時(shí)，壓電體在長(zhǎng)度方向?qū)a(chǎn)生交替伸縮形變，在一定的激振壓電體在長(zhǎng)度方向?qū)a(chǎn)生交替伸縮形變，在一定的激振電壓頻率下，彈性體上將產(chǎn)生如圖電壓頻率下，彈性體上將

12、產(chǎn)生如圖9-5(b)9-5(b)所示的駐波。所示的駐波。第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)14其數(shù)學(xué)表達(dá)式為其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)txy0sin2sin9-3 設(shè)在彈性體上同時(shí)存在兩相駐波設(shè)在彈性體上同時(shí)存在兩相駐波A A和和B B，它們的頻率，它們的頻率同為同為00，波幅同為，波幅同為，波長(zhǎng)同為，波長(zhǎng)同為，并且在時(shí)間和空，并且在時(shí)間和空間上均相差間上均相差/2/2，即，即 txytxy0B0Acos2cossin2sin9-415其合成為其合成為 第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)AB02( , )cos()y x tyyxt9-5這是一個(gè)頻率為這是一

13、個(gè)頻率為00、波幅為、波幅為、波長(zhǎng)為、波長(zhǎng)為的行波。的行波。 16 在環(huán)形行波型超聲波電動(dòng)機(jī)中，定子上的壓電陶瓷在環(huán)形行波型超聲波電動(dòng)機(jī)中，定子上的壓電陶瓷環(huán)是行波構(gòu)成的中心，它的電極配置如圖環(huán)是行波構(gòu)成的中心，它的電極配置如圖9-69-6所示。所示。第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)17 由兩個(gè)駐波疊加而構(gòu)成行波，這在機(jī)理上與電機(jī)學(xué)由兩個(gè)駐波疊加而構(gòu)成行波，這在機(jī)理上與電機(jī)學(xué)中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)實(shí)際有諸多類似之處。由第四章中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)實(shí)際有諸多類似之處。由第四章“伺服電伺服電動(dòng)機(jī)知道，當(dāng)在單相繞組中通入單相交流電流時(shí)產(chǎn)生動(dòng)機(jī)知道，當(dāng)在單相繞組中通入單相交流電流時(shí)產(chǎn)生的是脈振磁場(chǎng)，假設(shè)有兩個(gè)匝數(shù)一

14、樣、空間互差的是脈振磁場(chǎng)，假設(shè)有兩個(gè)匝數(shù)一樣、空間互差9090電電角度的繞組，當(dāng)在其中通入幅值相等、時(shí)間相位互差角度的繞組，當(dāng)在其中通入幅值相等、時(shí)間相位互差9090的對(duì)稱交流電流時(shí)，所產(chǎn)生的兩個(gè)脈振磁場(chǎng)的合成的對(duì)稱交流電流時(shí)，所產(chǎn)生的兩個(gè)脈振磁場(chǎng)的合成就是一個(gè)圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向取決于電流就是一個(gè)圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向取決于電流的相序。在這里，彈性體中的駐波與單相脈振磁場(chǎng)相對(duì)的相序。在這里，彈性體中的駐波與單相脈振磁場(chǎng)相對(duì)應(yīng)，而合成行波與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)應(yīng)。應(yīng)，而合成行波與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)應(yīng)。第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)18四、轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)速度四、轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)速度 下面經(jīng)過(guò)分析彈

15、性體外表上恣意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，下面經(jīng)過(guò)分析彈性體外表上恣意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，來(lái)確定轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的速度。來(lái)確定轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的速度。 根據(jù)式根據(jù)式9-59-5，在恣意時(shí)辰，彈性體外表上某點(diǎn)，在恣意時(shí)辰，彈性體外表上某點(diǎn)P P的縱向振動(dòng)位移為的縱向振動(dòng)位移為第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)9-6)2cos(),(0ytxtxu設(shè)彈性體的厚度為設(shè)彈性體的厚度為h h，那么，那么P P點(diǎn)的橫向振動(dòng)位移為點(diǎn)的橫向振動(dòng)位移為 )2sin(),(2),(0 xtxhxtxyhtxu9-719由以上兩式，得由以上兩式，得 第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)9-822yx22( , )( , )1(/ )ux t

16、ux th 由此可見，彈性體外表上恣意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為橢由此可見，彈性體外表上恣意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓形，這種橢圓運(yùn)動(dòng)使得彈性體外表質(zhì)點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生延圓形，這種橢圓運(yùn)動(dòng)使得彈性體外表質(zhì)點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生延續(xù)的定向撥動(dòng)作用，續(xù)的定向撥動(dòng)作用， 且轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方向與行波方向相且轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方向與行波方向相反，如圖反，如圖9-79-7所示。所示。 顯然，假設(shè)改動(dòng)激振電源的電壓極顯然，假設(shè)改動(dòng)激振電源的電壓極性，便可以改動(dòng)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方向。性，便可以改動(dòng)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方向。 20第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)21根據(jù)式根據(jù)式9-79-7，彈性體外表質(zhì)點(diǎn)的橫向運(yùn)動(dòng)速度為，彈性體外表質(zhì)點(diǎn)的橫向運(yùn)動(dòng)速度為 第九章第九

17、章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)9-9 橫向速度的最大值應(yīng)出如今行波的波峰或波谷處，橫向速度的最大值應(yīng)出如今行波的波峰或波谷處，此時(shí)的外表質(zhì)點(diǎn)沒有縱向速度，且橫向速度與行波方向此時(shí)的外表質(zhì)點(diǎn)沒有縱向速度，且橫向速度與行波方向相反。假設(shè)定、轉(zhuǎn)子接觸面之間沒有滑動(dòng)，那么轉(zhuǎn)子的相反。假設(shè)定、轉(zhuǎn)子接觸面之間沒有滑動(dòng)，那么轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)速度與波峰處質(zhì)點(diǎn)的橫向速度相等，其值為運(yùn)動(dòng)速度與波峰處質(zhì)點(diǎn)的橫向速度相等，其值為 )2cos(),(),(00 xxtxhttxutxv0rxmaxhvv 9-10負(fù)號(hào)表示轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方向與行波方向相反負(fù)號(hào)表示轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方向與行波方向相反 22 設(shè)行波在定子彈性體中的傳播速度為設(shè)行

18、波在定子彈性體中的傳播速度為v v，第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)這樣，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)速度又可寫為這樣，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)速度又可寫為 9-12200 fv9-11激振電壓頻率激振電壓頻率 002f22r02hvfv 23 可見，在行波傳播速度可見，在行波傳播速度v v為恒值的情況下，為恒值的情況下， 改動(dòng)激改動(dòng)激振電壓的頻率振電壓的頻率f0f0可以快速改動(dòng)轉(zhuǎn)速，但存在一定的非線可以快速改動(dòng)轉(zhuǎn)速，但存在一定的非線性。而改動(dòng)激振電壓的大小，即改動(dòng)行波的振幅性。而改動(dòng)激振電壓的大小，即改動(dòng)行波的振幅，也，也可以改動(dòng)轉(zhuǎn)速。假設(shè)忽略壓電體逆壓電效應(yīng)的非線性，可以改動(dòng)轉(zhuǎn)速。假設(shè)忽略壓電體逆壓電效應(yīng)的非線性，那么

19、轉(zhuǎn)速可以隨激振電壓作線性變化，這是超聲波電動(dòng)那么轉(zhuǎn)速可以隨激振電壓作線性變化，這是超聲波電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速的特點(diǎn)。機(jī)變壓調(diào)速的特點(diǎn)。 第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)24五、任務(wù)特性五、任務(wù)特性 普通而言，超聲波電動(dòng)機(jī)的任務(wù)特性與電磁式直流普通而言，超聲波電動(dòng)機(jī)的任務(wù)特性與電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)類似，伺服電動(dòng)機(jī)類似， 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增大而下電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增大而下降，并且呈現(xiàn)一定的非線性。而超聲波電動(dòng)機(jī)的效率那降，并且呈現(xiàn)一定的非線性。而超聲波電動(dòng)機(jī)的效率那么與電磁式電機(jī)不同，么與電磁式電機(jī)不同， 最大效率出如今低速、大轉(zhuǎn)矩最大效率出如今低速、大轉(zhuǎn)矩區(qū)域，如圖區(qū)域，如圖9-89-

20、8所示。因此，所示。因此， 超聲波電動(dòng)機(jī)非常適宜低超聲波電動(dòng)機(jī)非常適宜低速運(yùn)轉(zhuǎn)。速運(yùn)轉(zhuǎn)。 總體而言，超聲波電動(dòng)機(jī)的效率較低，這是它的一總體而言，超聲波電動(dòng)機(jī)的效率較低，這是它的一個(gè)缺陷。目前，環(huán)形行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的效率普通不個(gè)缺陷。目前，環(huán)形行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的效率普通不超越超越50%50%。第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)25第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)26第三節(jié)第三節(jié) 超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制一、調(diào)速控制方法一、調(diào)速控制方法 1 1變頻控制變頻控制 變頻調(diào)速超聲波電動(dòng)機(jī)最為適宜，由于電動(dòng)變頻調(diào)速超聲波電動(dòng)機(jī)最為適宜，由于電動(dòng)機(jī)任務(wù)在諧振點(diǎn)附近，經(jīng)過(guò)調(diào)理

21、諧振點(diǎn)附近的頻機(jī)任務(wù)在諧振點(diǎn)附近，經(jīng)過(guò)調(diào)理諧振點(diǎn)附近的頻率可以快速控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，并且易于實(shí)率可以快速控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，并且易于實(shí)現(xiàn)低速起動(dòng)。由于任務(wù)時(shí)諧振頻率能夠有漂移，現(xiàn)低速起動(dòng)。由于任務(wù)時(shí)諧振頻率能夠有漂移，要求有自動(dòng)跟蹤頻率變化的反響回路。要求有自動(dòng)跟蹤頻率變化的反響回路。第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)27 2變壓控制變壓控制 改動(dòng)激振電壓的幅值可以直接改動(dòng)行波的振幅，從而到達(dá)調(diào)速改動(dòng)激振電壓的幅值可以直接改動(dòng)行波的振幅，從而到達(dá)調(diào)速的目的，并且調(diào)理特性線性度較好。但在實(shí)踐運(yùn)用中普通不采用的目的，并且調(diào)理特性線性度較好。但在實(shí)踐運(yùn)用中普通不采用變壓調(diào)速方案，由于這種方

22、案低速時(shí)轉(zhuǎn)矩小，不易起動(dòng)。假設(shè)電變壓調(diào)速方案，由于這種方案低速時(shí)轉(zhuǎn)矩小，不易起動(dòng)。假設(shè)電壓過(guò)低壓電體有能夠不起振，而電壓過(guò)高又有能夠擊穿壓電體。壓過(guò)低壓電體有能夠不起振，而電壓過(guò)高又有能夠擊穿壓電體。 3相位差控制相位差控制 改動(dòng)兩相激振電壓的相位差可以改動(dòng)定子彈性體外表質(zhì)點(diǎn)的橢改動(dòng)兩相激振電壓的相位差可以改動(dòng)定子彈性體外表質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，從而改動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是可以方圓運(yùn)動(dòng)軌跡，從而改動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是可以方便地控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，但缺陷是低速起動(dòng)困難，并且實(shí)現(xiàn)電路便地控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，但缺陷是低速起動(dòng)困難，并且實(shí)現(xiàn)電路較為復(fù)雜。較為復(fù)雜。第九章第九章 超聲波電

23、動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)28二、驅(qū)動(dòng)控制電路二、驅(qū)動(dòng)控制電路 超聲波電動(dòng)機(jī)利用摩擦傳動(dòng)，定、轉(zhuǎn)子間的滑動(dòng)情超聲波電動(dòng)機(jī)利用摩擦傳動(dòng)，定、轉(zhuǎn)子間的滑動(dòng)情況不能完全確定。因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的況不能完全確定。因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確控制，必需采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。準(zhǔn)確控制，必需采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)29 由于超聲波電動(dòng)機(jī)劇烈的非線性，其控制不同于常由于超聲波電動(dòng)機(jī)劇烈的非線性，其控制不同于常規(guī)的電磁式電動(dòng)機(jī)，這主要是由于超聲波電動(dòng)機(jī)靠磨擦規(guī)的電磁式電動(dòng)機(jī)，這主要是由于超聲波電動(dòng)機(jī)靠磨擦傳動(dòng)，定、轉(zhuǎn)子之間的滑動(dòng)率不能完全確定，并且諧振傳動(dòng)，定、轉(zhuǎn)子之間的滑

24、動(dòng)率不能完全確定，并且諧振頻率本身又會(huì)隨著溫度而變化，導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)及其控制頻率本身又會(huì)隨著溫度而變化，導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)及其控制特性都會(huì)改動(dòng)。因此，實(shí)踐上超聲波電動(dòng)機(jī)的控制是非特性都會(huì)改動(dòng)。因此，實(shí)踐上超聲波電動(dòng)機(jī)的控制是非常復(fù)雜的，其控制戰(zhàn)略的研討吸引了不少學(xué)者，目前仍常復(fù)雜的，其控制戰(zhàn)略的研討吸引了不少學(xué)者，目前仍處于探求與開展之中。處于探求與開展之中。 第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)30第四節(jié)第四節(jié) 超聲波電動(dòng)機(jī)的運(yùn)用超聲波電動(dòng)機(jī)的運(yùn)用 一、超聲波電動(dòng)機(jī)與電磁式電動(dòng)機(jī)的比較一、超聲波電動(dòng)機(jī)與電磁式電動(dòng)機(jī)的比較 1 1根底實(shí)際根底實(shí)際 超聲波電動(dòng)機(jī)是基于剛體的動(dòng)搖實(shí)際，利用超聲波電動(dòng)機(jī)是

25、基于剛體的動(dòng)搖實(shí)際，利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。壓電晶體的逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。由于超聲波電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子之間沒有氣隙，其由于超聲波電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子之間沒有氣隙，其能量完全是經(jīng)過(guò)剛體的變形和接觸來(lái)傳送的，所能量完全是經(jīng)過(guò)剛體的變形和接觸來(lái)傳送的，所以超聲波電動(dòng)機(jī)的根底實(shí)際是機(jī)械動(dòng)搖實(shí)際；電以超聲波電動(dòng)機(jī)的根底實(shí)際是機(jī)械動(dòng)搖實(shí)際；電磁式電動(dòng)機(jī)是基于傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)實(shí)際，其能量磁式電動(dòng)機(jī)是基于傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)實(shí)際，其能量是經(jīng)過(guò)定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙來(lái)傳送的，即電磁轉(zhuǎn)是經(jīng)過(guò)定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙來(lái)傳送的，即電磁轉(zhuǎn)矩是由勵(lì)磁磁場(chǎng)中的通電電樞導(dǎo)體而產(chǎn)生，所以矩是由勵(lì)磁磁場(chǎng)中的通電電樞

26、導(dǎo)體而產(chǎn)生，所以電磁式電動(dòng)機(jī)的根底實(shí)際是電磁場(chǎng)實(shí)際。電磁式電動(dòng)機(jī)的根底實(shí)際是電磁場(chǎng)實(shí)際。第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)31 2運(yùn)轉(zhuǎn)特性運(yùn)轉(zhuǎn)特性 超聲波電動(dòng)機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)就是能實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的負(fù)載運(yùn)超聲波電動(dòng)機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)就是能實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)，但其缺陷也比較明顯，主要是超聲波電動(dòng)機(jī)是依托機(jī)械摩擦轉(zhuǎn)，但其缺陷也比較明顯，主要是超聲波電動(dòng)機(jī)是依托機(jī)械摩擦來(lái)傳送能量，不僅電動(dòng)機(jī)的效率較低，而且運(yùn)用壽命也較短。據(jù)來(lái)傳送能量，不僅電動(dòng)機(jī)的效率較低，而且運(yùn)用壽命也較短。據(jù)統(tǒng)計(jì)，超聲波電動(dòng)機(jī)的平均壽命大約為統(tǒng)計(jì)，超聲波電動(dòng)機(jī)的平均壽命大約為2000小時(shí)，與電磁式電動(dòng)小時(shí)，與電磁式電動(dòng)機(jī)相

27、比，長(zhǎng)時(shí)間任務(wù)的才干還較欠缺。機(jī)相比，長(zhǎng)時(shí)間任務(wù)的才干還較欠缺。第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)32 3 3控制特性控制特性 從實(shí)際上來(lái)說(shuō)，目前超聲波電動(dòng)機(jī)還沒有一個(gè)能準(zhǔn)從實(shí)際上來(lái)說(shuō)，目前超聲波電動(dòng)機(jī)還沒有一個(gè)能準(zhǔn)確描畫其定子振動(dòng)過(guò)程和轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。由確描畫其定子振動(dòng)過(guò)程和轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。由于壓電資料的非線性、摩擦發(fā)熱、摩擦滑動(dòng)和環(huán)境溫度于壓電資料的非線性、摩擦發(fā)熱、摩擦滑動(dòng)和環(huán)境溫度等的影響，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的摩擦力將產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性變化，等的影響，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的摩擦力將產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性變化，這種變化使得準(zhǔn)確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的難度大大添加。另外，這種變化使得準(zhǔn)確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的難度大大

28、添加。另外，由于壓電資料特性的不同，每臺(tái)超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電由于壓電資料特性的不同，每臺(tái)超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源都不一樣，這樣電機(jī)和電源必需一一配套，不利于大源都不一樣，這樣電機(jī)和電源必需一一配套，不利于大規(guī)模消費(fèi)。規(guī)模消費(fèi)。第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)33二、超聲波電動(dòng)機(jī)運(yùn)用實(shí)例二、超聲波電動(dòng)機(jī)運(yùn)用實(shí)例 雖然超聲波電動(dòng)機(jī)在一些方面還不盡人意，各類規(guī)雖然超聲波電動(dòng)機(jī)在一些方面還不盡人意，各類規(guī)范還沒有一致，但是由于其特征鮮明，優(yōu)點(diǎn)突出，經(jīng)過(guò)范還沒有一致，但是由于其特征鮮明，優(yōu)點(diǎn)突出，經(jīng)過(guò)2020多年的研討和發(fā)開，曾經(jīng)在航空航天、機(jī)器人、精細(xì)多年的研討和發(fā)開，曾經(jīng)在航空航天、機(jī)器人、精細(xì)

29、儀器、醫(yī)療設(shè)備和影像設(shè)備等諸多領(lǐng)域得到了重要的運(yùn)儀器、醫(yī)療設(shè)備和影像設(shè)備等諸多領(lǐng)域得到了重要的運(yùn)用。下面引見幾個(gè)運(yùn)用實(shí)例。用。下面引見幾個(gè)運(yùn)用實(shí)例。第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)341. 1. 用于機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)用于機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)352. 2. 用于汽油發(fā)電機(jī)的油門調(diào)理用于汽油發(fā)電機(jī)的油門調(diào)理第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)363. 3. 用于照相機(jī)的自動(dòng)調(diào)焦用于照相機(jī)的自動(dòng)調(diào)焦第九章第九章 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)37本章小結(jié)本章小結(jié) 超聲波電動(dòng)機(jī)是一種新原理、新構(gòu)造的控制超聲波電動(dòng)機(jī)是一種新原理、新構(gòu)造的控制電機(jī)，它利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能到電機(jī)，它利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能到