超声波电机

英文：ultrasonic motor

由于激振元件为压电陶瓷，所以也称为压电马达。80年代中期发展起来的超声波电机(Ultrasonic motor，USM)是基于功能陶瓷的超声波频率的振动实现驱动的新型驱动器。超声电机是一个典型的机电一体化产品，由电机本体和控制驱动电路两部分组成。产品涉及到振动学、波动学、材料学、摩擦学、电子科学、计算技术和实验技术等多个领域。超声波电动机打破了由电磁效应获得转速和转矩的传统电机的概念。

与传统电机相比，它具有以下特点与优点：低速大力矩输出；功率密度高；起停控制性好；可实现直接驱动；可实现精确定位；容易制成直线移动型马达；噪音小：无电磁干扰亦不受电磁干扰；需使用耐磨材料(接触型USM)和高频电源等。但它也有自己的缺点，如：功率小；寿命短等。

超声电机的两个显著特点是：1)低速大力矩输出：2)保持力矩大，宏观表现为起停控制性好。超声电机能大力矩输出是因为激振元件采用大功率密度的压电陶瓷材料。同尺寸的超声微电机的力矩比静电微电机高3-4个量级：比电磁微电机高1．2个量级且输出转速也比其它类型的微电机低。超声电机的保持力矩至少是最大输出力矩的2倍多，具有大的保持力矩是因为电机的定、转子间依靠摩擦力实现转子的驱动。由于以上特点，与超声电机相连接的系统无须齿轮减速机构和制动机构，简化了应用系统的结构。超声波电机有着诱人的应用前景，成为研究的一大热点。具体地说，有以下几方面：信息机器、光学仪器、微机器人、医疗机器、探测系统、精密加工等。超声电机的发展趋势是：大力矩、小尺寸、高效率、长寿命。

超声波电机的应用领域可概括如下：

1)航空航天领域

航空航天器往往处在高真空、极端温度、强辐射、无法有效润滑等恶劣条件中，且对系统重量要求严苛，超声马达是其中驱动器的最佳选择。

2)精密仪器仪表电磁马达用齿轮箱减速来增大力矩，由于存在齿轮间隙和回程误差，难以达到很高定位精度，而超声马达可直接实现驱动，且响应快、控制特性好，可用于精密仪器仪表。

3)机器人的关节驱动

用超声电动机作为机器人的关节驱动器，可将关节的固定部分和运动部分分别与超声马达的定、转子作为一体，使整个机构非常紧凑。日本开发出球型超声电动机，为多自由度机器人的驱动解决了诸多的难题。

4)微型机械技术中的微驱动器

微型电机作为微型机械的核心，是微型机械发展水平的重要标志。微电子机械系统(micro electronic mechanical systems，缩写MEMS)的制造研发中，其电机多是毫米级的。医疗领域是微机械技术运用最具代表性的领域之一，超声电机在手术机器人和外科手术器械上已得到应用。

5)电磁干扰很强或不允许产生电磁干扰的场合

在核磁共振环境下和磁悬浮列车运行的条件下，电磁电机不能正常工作，超声马达却能胜任。

与传统的电机不同，超声波电机无绕组和磁极，无需通过电磁作用产生运动力。一般由振动体(相当于传统电机中的定子，由压电陶瓷和金属弹性材料制成)和移动体(相当于传统电机中的转子，由弹性体和摩擦材料及塑料等制成)组成。在振动体的压电陶瓷振子上加高频交流电压时，利用逆压电效应或电致伸缩效应使定子在超声频段(频率为20KHZ以上)产生微观机械振动。并将这种振动通过共振放大和摩擦耦合变换成旋转或直线型运动。

实现超声波驱动有两个前提条件：首先，需在定子表面激励出稳态的质点椭圆运动轨迹；其次，将定子表面质点水平方向的微观运动转换成转子的宏观运动或平动。第一个前提条件对应着机电能量转换，利用逆压电效应由电能转化成机械振动能：第二个前提条件对应着运动形式转化，往往通过定转子间的摩擦力来实现，近年来亦有通过气体或液体为中间介质接触为非接触型超声波电机，也称为声悬浮超声波电机。从超声电机的工作原理可见，其正常工作离不开两个能量转换作用：机电转换作用和摩擦转换作用。机电转换作用是指压电陶瓷的逆压电效应，即对压电陶瓷振子加高频振荡电流，使它以超声波的频率振动。摩擦转换作用是指弹性体(定子与压电陶瓷的合称)的振动经过定子与转子工作面间的摩擦作用转化成转子的直线运动或旋转运动。要保证大力矩输出、止动性好，必须满足的条件就是有效足够的机电转换作用和有效稳定的摩擦转换作用。

前言

第1章 绪论

1.1 超声波电机驱动控制技术的发展

1.1.1 超声波电机系统建模的研究

1.1.2 超声波电机的运动控制策略

1.2 本书的内容安排

参考文献

第2章 超声波电机驱动控制电路

2.1 超声波电机低成本推挽式驱动电路

2.2 可调频、调幅、调相的超声波电机控制电路

2.3 具有正反转不对称补偿的超声波电机闭环控制电路

2.3.1 基于VCO的超声波电机控制电路

2.3.2 电机定子振幅闭环控制与正反转不对称补偿

2.4 基于DSP的驱动控制电路设计

2.4.1 基于DSP的驱动控制电路设计

2.4.2 基于DSP的对称PWM信号产生方法

2.5 基于对称PWM控制信号发生器的超声波电机驱动控制电路

2.5.1 对称PWM控制信号发生器工作原理

2.5.2 PWM信号发生器控制参数的设置

2.5.3 基于CPLD的对称PWM控制信号发生器

2.5.4 基于CPLD的DSP多SPI端口通信设计与实现

2.6 基于DDS的超声波电机驱动控制电路

2.6.1 系统功能分析和结构设计

2.6.2 基于CPLD的DDS信号发生器设计与实现

2.6.3 DDS中ROM分时复用的实现

2.6.4 低通滤波器设计与实现

2.6.5 用于超声波电机驱动的DDS信号发生器误差分析

2.6.6 基于DDS的对称PWM信号产生方法

2.6.7 DSP对DDS信号发生器的控制

2.7 基于相移PWM的超声波电机H桥驱动控制电路

2.7.1 H桥相移PWM控制方法

2.7.2 低成本相移PWM控制信号发生器

2.7.3 基于CPLD的相移PWM控制信号发生器

2.7.4 H桥控制电路设计与实现

2.7.5 H桥相移PWM电路与推挽式电路对比分析

2.8 超声波电机谐振驱动电路

2.8.1 行波超声波电机谐振驱动电路的仿真研究

2.8.2 行波超声波电机谐振驱动电路的实验分析

2.9 行波超声波电机驱动电路非线性研究

2.9.1 驱动超声波电机的推挽式变换器工作过程分析

2.9.2 超声波电机串联电感匹配电路研究

参考文献

第3章 两相行波超声波电机驱动控制系统的建模

3.1 超声波电机驱动控制系统的建模与仿真

3.1.1 环形行波超声波电机的建模与仿真

3.1.2 超声波电机驱动控制系统建模与仿真

3.1.3 采用神经网络进行辨识建模与仿真的展望

3.2 两相行波超声波电机转速特性的仿真计算与神经网络建模

3.2.1 压电陶瓷与定子系统的振动模型

3.2.2 定、转子接触摩擦模型

3.2.3 超声波电机的转速特性

3.2.4 超声波电机速度特性的神经网络模型

3.3 两相行波超声波电机等效电路模型及其参数辨识

3.3.1 超声波电机等效电路模型

3.3.2 超声波电机等效电路的谐振特性

3.3.3 基于导纳圆的等效电路参数近似计算

3.3.4 基于L-M法的等效电路参数辨识

3.4 两相行波超声波电机频率一转速控制的阶跃响应建模

3.4.1 数据测试实验设计

3.4.2 基于阶跃响应的超声波电机模型辨识

3.5 、两相行波超声波电机频率一转速控制的动态辨识建模

3.5.1 数据测试实验设计

3.5.2 超声波电机频率一转速控制模型辨识

3.5.3 频率一转速控制模型参数时变的模型表述

3.6 两相行波超声波电机电压幅值一转速控制的辨识建模

第4章 采用推挽驱动的超声波电机运动控制策略研究

第5章 采用H桥驱动的超声波电机运动控制策略研究

第6章 超声波电机混沌运行分析与控制2100433B

超声波电机是力矩电机，可作用高档的控制电机，研究超声波电机的力矩控制可推进超声波电机的应用，发挥其卓越性能，不仅使超声波电机用于精密定位、仪器仪表、汽车电器、医疗设备等民用工业，也使超声波电机用于武器装备、月球车、空间机器人、卫星的太阳帆板、空间天线等各种极限的军工领域。.本项目将围绕行波型超声波电机，研究其力矩控制及在机械臂中的应用。一是通过研究行波型超声波电机的输入输出力学模型，建立行波超声波电机控制的理论基础；二是研制测试方法和测试系统，揭示超声波电机的动态力矩等特性，并研究位置/力矩和速度/力矩的控制策略，形成超声波电机力矩控制的基础；三是研制基于超声波电机的机械臂，深化超声波电机位置/力矩和速度/力矩的研究。总之，通过这一项目研究，进一步深化对超声波电机的科学认识，形成行波型超声波电机控制理论，以及基于超声波电机的机械臂技术，为推进超声波电机的应用打基础。 2100433B

《超声波电机低复杂度控制策略》是作者课题组近年研究工作的总结，重点阐述超声波电机的低复杂度控制策略，包括迭代学习控制方法和专家PID控制方法，反映了超声波电机控制领域的*新进展。内容丰富，深入浅出，主要包括基于差分进化算法的超声波电机Hammerstein非线性建模、P型迭代学习控制、简单非线性迭代学习控制、自校正迭代学习控制、专家PID控制等。针对超声波电机产业化应用需求，《超声波电机低复杂度控制策略》提出了多种在线计算量小的超声波电机新型控制策略，并给出了详细设计方法和实现效果。