超聲電機(jī)機(jī)電耦合動(dòng)力系統(tǒng)及其建模方法綜述
陳波，趙向東，王育平
（山東科技大學(xué)，泰安271019）
摘要：以旋轉(zhuǎn)行波型超聲電機(jī)為例，初步構(gòu)建了超聲電機(jī)理論體系，系統(tǒng)地提出并闡述了超聲電機(jī)機(jī)電耦合動(dòng)力系統(tǒng)的構(gòu)成、模塊劃分及其在整個(gè)超聲電機(jī)理論體系中的關(guān)鍵地位，分析并指出了超聲電機(jī)機(jī)電耦合動(dòng)力系統(tǒng)建模的思想方法、技術(shù)路線和實(shí)現(xiàn)措施，提出了超聲電機(jī)需進(jìn)一步研究的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：超聲電機(jī)；機(jī)電耦合動(dòng)力系統(tǒng)；理論體系；數(shù)學(xué)模型
中圖分類號(hào)：tm359. 9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號(hào)：1001-6848(2010)05-0086-03
o引 言
隨著材料科學(xué)、控制技術(shù)、現(xiàn)代加工制造技術(shù)的發(fā)展，超聲電機(jī)由于其固有的優(yōu)越性具有極大的發(fā)展?jié)摿�。目前，�?guó)際國(guó)內(nèi)都當(dāng)作重點(diǎn)課題加以研究，被稱為面向21世紀(jì)的電機(jī)產(chǎn)品。但由于我國(guó)超聲電機(jī)研究起步較晚，目前開(kāi)發(fā)出的原型機(jī)普遍存在性能不穩(wěn)，效率低、機(jī)械特性難以預(yù)測(cè)、難以實(shí)現(xiàn)精確控制等問(wèn)題，離實(shí)際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)尚有一定的差距。國(guó)外雖然有些論著有所涉及，但至今超聲電機(jī)的理論體系還沒(méi)有構(gòu)建起來(lái)。為了開(kāi)發(fā)出效率高、性能好、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定、可產(chǎn)業(yè)化的超聲電機(jī)產(chǎn)品，對(duì)超聲電機(jī)進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究仍然是必要的。
1 機(jī)電耦合動(dòng)力系統(tǒng)的模塊劃分
綜合考慮超聲電機(jī)及其動(dòng)力學(xué)行為，可發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)機(jī)、電、控耦合的復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。可大致分成機(jī)電耦合系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)兩大部分，如圖1所示。
驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)電路及控制電路組成。驅(qū)動(dòng)電路的作用是為壓電材料提供適宜的電壓／電流，以便達(dá)到****的驅(qū)動(dòng)效果�？刂齐娐返淖饔檬抢梅答佇盘�(hào)檢測(cè)器（如行波超聲電機(jī)的孤極）和檢測(cè)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的傳感器（如光電編碼器）等，實(shí)時(shí)地檢測(cè)定子的振動(dòng)狀態(tài)和轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電壓／電流的幅值、相位、頻率來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。
超聲電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，它將所施加的電量（電壓）轉(zhuǎn)換成機(jī)械量（變形）。而電機(jī)動(dòng)力的輸出包含兩個(gè)過(guò)程：
①將壓電材料的機(jī)械變形轉(zhuǎn)換成定子的超超聲電機(jī)機(jī)電耦臺(tái)動(dòng)力系統(tǒng)及其建模方法綜述陳波，等聲振動(dòng)，并使定子產(chǎn)生行波，從而使定子表面質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)；
②利用定子表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)，通過(guò)定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦將其切向力傳輸給轉(zhuǎn)子，以帶動(dòng)負(fù)載。
超聲電機(jī)機(jī)電耦合系統(tǒng)指的就是上述能量轉(zhuǎn)換及動(dòng)力傳遞、輸出的整個(gè)過(guò)程及其實(shí)現(xiàn)手段，其核心就在于定子表面質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)的激發(fā)及動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的摩擦傳遞，實(shí)質(zhì)上也就是預(yù)期振動(dòng)模態(tài)的激發(fā)以及振動(dòng)能量的動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)輸出。這也正是建模研究的主要內(nèi)容。
機(jī)電耦合系統(tǒng)又可進(jìn)一步劃分為定子共振模塊和摩擦驅(qū)動(dòng)模塊。前者主要是指壓電陶瓷復(fù)合定子，后者主要是指定轉(zhuǎn)子間的摩擦界面及其帶動(dòng)的轉(zhuǎn)子。定子是超聲電機(jī)的核心部分，由壓電材料與其它材料（一般為金屬）固接在一起構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)，其主要功能是產(chǎn)生某一特定模態(tài)的超聲共振。由于在壓電材料中存在機(jī)電耦合現(xiàn)象，即把交流電壓加到壓電振子上利用逆壓電效應(yīng)激發(fā)振子產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)的同時(shí)，機(jī)械振動(dòng)又通過(guò)正壓電效應(yīng)產(chǎn)生反饋電流。只有當(dāng)外加交變電壓的頻率與定子的共振頻率一致時(shí)，外加電流與反饋電流同相疊加，壓電材料的激振效果才能得以充分發(fā)揮，定子振幅達(dá)到****。不同型式的超聲電機(jī)對(duì)壓電振子的振動(dòng)模態(tài)右不同的要求，如行波型電機(jī)利用的是壓電振動(dòng)的te模態(tài)，即平行于電場(chǎng)方向的伸縮振動(dòng)。故此對(duì)定子的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行充分的分析是該模塊研究的中心內(nèi)容，壓電陶瓷復(fù)合定子的形狀、尺寸等應(yīng)最有利于該模態(tài)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，而壓電材料的分割、極化、配置等也是圍繞這一目的進(jìn)行的。
2超聲電機(jī)建模方法研究
超聲電機(jī)機(jī)電耦合動(dòng)力系統(tǒng)建模實(shí)質(zhì)上包含兩個(gè)方面：
一是系統(tǒng)集成問(wèn)題，即把動(dòng)力系統(tǒng)當(dāng)作一個(gè)整體傳遞函數(shù)來(lái)看，建立電量輸入與動(dòng)力輸出間的直觀聯(lián)系，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制；
二是分立模塊問(wèn)題，即將各機(jī)構(gòu)裝置的幾何及材質(zhì)參數(shù)同它們的動(dòng)力學(xué)行為緊密地結(jié)合起來(lái)，使其因果關(guān)系能 |
