（南京信息工程大学 210044）
摘要：超声波电机(USM)的响应快，动态性能好，本文主要介绍了行波超声波电机的转速控制特点以及其在常态和真空环境下的负载特性。我们利用对超声波电机的分析,确定以调压方式作为主要调节方法对超声波电机进行低速控制，在此基础上设计超声波电机控制系统,对控制方法的有效性进行验证,并实现了超声波电机的低转速控制。
关键词：行波超声波电机；特性
0 引言
超声波电机(USM)的响应快且具备良好的动态性。这是因为无电磁电机本身所具备的转矩脉动能够满足控制活动的所需动力源，且拥有着足够的发展空间。但是，不容忽视的时候超声波在进行输入与输出活动的时候，其所产生的问题也是存在的，即非线性和时变性。近年来，随着国内外研究活动的不断开展，针对于智能控制的发展有了新的理论内容来解决这一问题，以此来帮助超声波电机得以具备更为准确的精度控制力。其中，最为关键的即为对死区范围的把控，这也是电机处于低速运转状态下把控有效性的追求和提升。本文将主要介绍行波超声波电机的相关特性。
1 行波超声波电机的转速控制特点
通过对定子谐振的运用，行波超声波电机可以对压力陶瓷的逆压电效用进行位移转化，进而实现定子在其表面的质点移动，从而带动转子转动。因此电机定子的振型是影响定转子能量传递的一个关键因素。本文实验用直径60mm行波超声波电机TUSM60设计时所选择的理想工作模态为B09，通过定子有限元模态分析可得到该模态下的振型，如图1所示。
在该模态下定子环上有9个弯曲振动波的波峰。此模态的固有频率为40.212kHz。通过模态分析还可以得知在该固有频率的附近频段内，同时还存在L04、B010、B08等振动模态。
调节驱动频率可以改变定子的振动状态，因此在控制中频率特性是行波超声波电机的一个重要特性。
电机的工作区域通常在谐振频率点的右侧。我们根据一台电机进行特性研究。在对电机运行机理进行分析时，根据定子理想振动模态，可将定转子接触面形状等效为正弦。当驱动频率接近谐振频率时，定子振型与选定的工作模态振型接近。但根据对超声波电机定子谐振响应分析可知，当驱动频率远离电机谐振频率点时，定子的振型将受到非工作模态的影响。此时在定子表面无法保证有9个完整的振动波。定子非工作模态对振动的影响明显，接触面形状出现变形。定子表面质点的运动轨迹将变得比较复杂，电机会出现不连续运行现象。在电机实际运行过程中，由于定转子耦合在一起，直接检测定子振动的振型比较困难。定子上压电陶瓷的孤极电压可以反映在振动状态下该区对应的定子弹性体位移随时间的变化情况。因此孤极电压可以间接反映定子振动状态，且可以利用孤极电压的频谱对定子振动情况进行分析。
2 行波超声波电机要常态和真空环境下的负载特性
本文选择的行波超声波电机是直径60mm的行波型超声波电机，其中1号电机转子上涂有环氧树脂为基的摩擦材料，定子为黄铜。2号和3号电机在定子上覆盖一层聚四氟乙烯烧结和生聚四氟乙烯填充为基的摩擦材料。转子采用硬铝。其中定转子上的摩擦材料厚度在0.2-0.3mm之间，表面粗糙度可达Ra0.01。为了排除真空度对谐振频率的影响，实验过程中常态和真空下的负载数据都是在相同的孤极电压下得到的。且每个数据点持续30秒，并记录平均值。其中实验温度的变化范围控制在10—30°之间，其中真空腔体能达到的真空度为1×10-3Pa。
由于腔体结构紧凑，常规的测功机无法放入，且腔体高度远大于横向直径，为了便于测试，特设计机械特性测试装置，超声波电机的输出轴通过联轴器与磁滞制动器相连，外壳固定在电机固定器上，而电机固定器伸出一段力臂与力传感器相连。当超声波电机通电旋转后，通过调节磁滞制动器的电流就能控制转子的输出力，由于轴上的输出力和外壳的反向力是一对作用力和反作用力，轴一旦旋转，外壳就会反转，届时力臂就会给力传感器一个压力，通过与电机固定器上的力臂相连的力传感器的数值和力臂长度计算电机的输出力矩。
在真空环境下，三种摩擦材料制成的电机的空载转速相对于常态下都有所降低，但是聚四氟乙烯填充和聚四氟乙烯烧结为基的摩擦材料的堵转力矩比常态下相应加大，而环氧胶材料的堵转力矩有减小。另外，聚四氟乙烯填充材料的性能最好，而且在真空条件下变化最小，其堵转力矩增大了6%，而空转转速下降了7%。环氧胶材料和聚四氟乙烯烧结材料的空转转速的变化范围不大，但堵转力矩却要减小15%以上，显然这二款摩擦材料效果不理想。
3 结论
本文利用对超声波电机的分析,确定以调压方式作为主要调节方法对超声波电机进行低速控制，在此基础上设计超声波电机控制系统,对控制方法的有效性进行验证,并实现了超声波电机的低转速控制。低转速时的调压控制，为利用多调节量控制、扩大转速调节范围打下了基础。单一驱动频率变量调节在转速零点附近存在转速跳跃现象。因此利用不同调节变量在不同工作区域对电机进行控制，是克服转速跳跃并扩大系统运行范围的一个有效方法。
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论文作者:杨晓东
论文发表刊物:《电力设备》2017年第2期
论文发表时间:2017/4/7
标签：电机论文; 超声波论文; 定子论文; 转速论文; 转子论文; 频率论文; 谐振论文; 《电力设备》2017年第2期论文;