第12章驱动与控制用微特电机.ppt

内容简介 各类微型驱动电机和控制电机（单相异步电动机、交、直流伺服电动机、交、直流测速发电机、旋转变压器、自整角机、直线电动机以及超声波电动机）的结构、工作原理与运行特性。 定义: 超声波电机（Ultrasonic Motor）（以下简称USM）是一种利用逆压电效应实现电能到机械能转换的新原理电机。它利用压电陶瓷和弹性体产生高频定子振动，借助于定、转子之间的摩擦将定子双向的机械振动转变为转子单一方向的回转或直线运动。由于定子机械振动的频率处于超声频率范围（ ）内，超声波电动机由此而得名。鉴于定子的机械振动是由压电晶体根据逆压电效应所产生的，故超声波电动机又名压电马达。 分类： 驻波型 行波型 复合型超声波电动机 A、预备知识 1. 压电晶体的本构方程与逆压电效应 经极化后的压电陶瓷材料本身具有压电和逆压电效应，即可以实现力生电或电生力功能，因而能够完成机电能量转换。 逆压电效应的定义： 压电晶体不同于一般的弹性体，其应变不仅与外加应力有关，而且还取决于外加电场。这一由外加电场产生应变的现象又称为逆压电效应。 2. 定子表面质点的椭圆运动 3. USM的摩擦驱动机理 B、各类USM的结构与工作原理 为了减小振动片的磨损，加大定、转子之间的接触区域，A. Kumada（日本）提出了一种改进型驻波型USM如图12.54所示。 2. 行波型USM 当A、B两相压电陶瓷分别采用时间上互差的两相交流电（频率在超声范围内）进行激振时，定子中性面必然要沿轴向产生弯曲振动行波（类似于单相电机产生圆形旋转磁场的机理）。考虑到定子中性面至上表面之间存在一定距离，根据弹性理论，中性面的弯曲行波必然在定子的上表面上诱发出沿圆周方向的切向位移，其结果使得定子上表面的质点做椭圆运动。由此导致定子上表面的质点和转子之间的相对运动，并产生摩擦力，使得转子沿行波的反方向旋转。上述过程可借助于图12.56加以说明。 上式表明：若定、转子之间不存在滑动，则转子的角速度 仅是弯曲行波激振频率 的1/45000。取压电陶瓷的激振频率为 ，则转子转速约为 。 3. 复合型USM D、纵、扭振子的作用： 扭转振子提供转子所需要的摩擦驱动力矩； 纵向振子用于控制定、转子之间沿轴向上的压紧力，进而控制摩擦力和接触区域，最终将交变的扭转振动转变为单一方向上的转子运动； F、一般结论： 在一个扭转振动周期内，纵-扭复合型USM仅在半个周期内定、转子相互接触。在这半个周期内，利用定、转子之间的摩擦力，将扭转振子的往复振动转变为转子单一方向上的运动； 改变扭转振子外加电压的相移改变 ，便可以实现转子反转； 纵-扭复合型USM可以实现大力矩化； 最大转矩与定子直径的立方成正比，而空载转速则与直径成反比。 C、USM的驱动电路与系统组成 采用单相（对驻波型USM）或两相高频交流输出(对行波型或纵-扭复合型USM)，要求其输出电压的幅值不能超过额定值； 为了满足调速要求，可选择调频调速、或调压（或PWM）调速方式； USM输出电压的频率一般应在略高于USM的机械谐振频率范围内运行，且连续可调； 对行波型或纵-扭复合型USM须有正、反转切换功能； 要求驱动系统需采用带有反馈检测环节的闭环系统，以防止因温度变化造成USM谐振点的变化或负载扰动造成工作点的偏移； 驱动器的输出阻抗最好与USM的输入阻抗匹配； 2. USM的驱动电路 3. USM调速系统的组成 图12.48给出了一种混合式直线步进电动机的工作原理示意图。 图12.48 混合式直线步进电动机的工作原理 12.7 超声波电动机 行波型超声波电机及其驱动器的图片 一般工作原理 通过压电晶体和弹性体，使得与转子相接触的定子表面质点产生椭圆运动，从而导致定子表面质点与转子之间有相对运动。借助于转子表面上的摩擦材料，使定、转子之间产生单方向的滑动摩擦，最终驱动转子运动。 特点： 低速、大力矩、体积小、重量轻且超静运行 用途： 照相机、微型机器人以及小卫星中的微执机构等 系统组成： 高频驱动电源部分 超声波电机本体部分 电机内部的能量传递关系： 图12.49 USM的能量传递示意图 上述结论用压电本构方程描述为: （12-47） 上式表明：压电晶体不仅具有弹性体、电介质的特性，而且还具有不同于一般弹性体、电介质的特性。 压电晶体不同于一般的电介质，其电位移矢量不仅取决于外加电场，而且还与外加应力密切相关。这一由外力产生电场的现象又称为压电效应。 压电效应的定义： 对于极化后的六