超声电机中一种非线性现象的试验研究*

赵孟强， 任一峰， 汲德明， 胡 威

(中北大学 伺服电机控制实验室，山西 太原 030051)

超声电机中一种非线性现象的试验研究*

赵孟强， 任一峰， 汲德明， 胡 威

(中北大学 伺服电机控制实验室，山西 太原 030051)

研究了超声电机较长时间运行时温度上升，导致了定子的共振频率下降进而使机体的转速下降的非线性问题。对超声电机的多种非线性进行了简要分析，然后针对这种非线性问题，基于弧极电压的频率跟踪方法设计了一套有效的控制电路，通过上位机软件编程使电机的这种非线性现象显示出来。最后在试验平台的基础上，对超声电机的这种非线性处理前后的结果进行了比较，验证了采用此方法及其控制电路提高了超声电机的稳定性和可靠性。

超声电机； 频率跟踪； 非线性； 试验研究

0 引 言

超声电机是一种新型的微电机，完全不同于传统电机利用电磁驱动的原理，而是利用压电陶瓷的逆压电原理将定子的高频机械振动通过摩擦耦合转化为转子的宏观运动[1]。它不需要磁铁和线圈，并以设计灵活、低速大转矩、无电磁干扰等特点，在精密定位仪、航空航天、微型机器人等领域有着十分广阔的应用前景，世界各国都投入了大量的人力物力开始研究超声电机[2]。

由于这种摩擦传动的机制，在超声电机运行中存在许多非线性因素，所以严重影响着电机的稳定运行和精确控制。对于超声电机长时间运行时压电陶瓷会升温导致定子的共振频率下降，进而使电机转速下降的非线性问题[3]，如果使电源驱动频率能够跟随温度而发生变化，谐振频率就能达到有效跟踪。这种频率自跟踪技术的采用就可以使电机速度得到稳定控制。

1 频率自动跟踪技术

超声电机较长时间运行后，谐振频率一般会下降，如图1所示。图1中A1为超声电机正常运行的速度-频率曲线，A2为升温后的速度-频率曲线，wp和wp′是对应的共振频率。设B1为A1的工作点，当超声电机温度升高后，谐振曲线由A1变为A2时，如果使驱动频率不变，则工作点变为B2。因此，驱动器只有降低驱动信号的频率，才能使工作点上升为B3，以保持原来的转速n1，这就是频率自动跟踪技术[4-5]。

图1 超声电机在不同温度下的谐振曲线

为了使超声电机一直保持在稳定运行状态，满足所需要的工作特性，常用的频率自动跟踪方法有两大类[6]： 一种是利用在压电陶瓷的弧极上安装传感器，通过反馈的电压信号来检测电机的转速，但不能应用在无法安装传感器的场合；另一种是利用驱动电压、驱动电流、驱动相位等参数，但这种方法限制条件多，实现电路复杂而且参数的选择也不容易。本文使用基于弧极电压的频率和跟踪技术是控制非线性的简单可行的方法。

2 基于弧极电压的速度稳定性控制

2.1 弧极电压反馈的跟踪方法研究过程

采用弧极电压的方法要求比较简单，在压电陶瓷片中S区可安装弧极传感器，由于安装位置的特殊性，通过检测弧极电压的信号即可反应定子振幅，如图2所示，而弧极电压与转速又有线性关系[7]，如图3所示。因此，当超声电机的转速偏离正常工作状态时，根据这个电压的反馈，调节驱动电路的频率来跟踪转速的变化。

图4为弧极电压的驱动系统控制策略框图，采用比例P控制，设定正常工作时的弧极电压值为设定值，当偏差产生时，P控制器就会立即做出响应来减少这个偏差，而且正常情况下可以改变电压的设定值来进行电机的调速。这样通过微处理器的调节，就能很好地补偿超声电机因长时间的温升而产生的速度偏差。

图2 弧极交流电压的变化曲线

图3 弧极电压与转速关系

图4 弧极电压的驱动控制策略框图

2.2 速度稳定性的弧极电压硬件电路

(1) 频率发生器。采用压控振荡器CD4046，即使用外部电压和弧极反馈的电压相比较来调节输出电压的频率。

(2) 分频分相器。将压控振荡器输出的信号转化为超声电路需要的四路相差90°方波信号，使用移位寄存器CD10194即可实现。由于输出波形加到推挽电路上可能会引起上下桥臂开关管的同时导通，所以需要使用积分法设置死区。

(3) 功放和匹配电路。采用推挽型放大电路将四路方波信号转化为两路放大的方波信号，由于超声电机是容性负载，所以须使用匹配电路来滤掉方波信号产生的高频谐波信号以将基波取出，改善电机输出电压的波形。

(4) 弧极反馈部分。这部分使用二阶RC滤波环节，把弧极传感器采集到的信号转化成与电机速度成线性关系的直流电压信号传给压控振荡器。电路图如图5所示。

图5 弧极反馈电路

2.3 软件的设计思路

软件设计是对于弧极反馈的电压信号进行处理，一旦与设定值有偏差即调节驱动电路工作频率来保证电机稳定运行。由于弧极电压与转速存在线性关系，见图3，特别编程设计了将反馈的电压转化为转速的波形，更直观简单地反映了电机长时间工作的稳定性漂移以及采取控制方法后的稳定性波形。其软件编程框如图6所示。

图6 软件设计框图

3 试验平台测试验证

本测试首先应用本设计系统测出了自制的环形行波型超声电机的正常工作频率，经过多次调试，确定了温升前的最佳工作频率为33.325kHz，在不加弧极电压反馈时长时间运行所测得的工作曲线如图7所示。由图7可知，经过了1400s后电机的转速开始下降，一直持续到2500s温度上升到了一定的值之后，工作频率稳定后转速才开始稳定。

图7 处理前的电机运行状态

当对系统加了弧极电压反馈之后，当温度上升导致的工作频率下降时，对反馈信号与设定电压信号所比较产生的偏差值进行处理，以此来调整电机的工作频率使转速稳定在一定范围之内。如图8所示为工作频率的调整过程，经过测试的工作曲线如图9所示，因温升引起的非线性已经得到了很好地控制和提高，转速误差率已经改善到相差5%以内，可见此方案行之有效。

图8 经过弧极反馈处理后的工作状态

4 结 语

本文对超声电机弧极电压反馈控制设计了一套有效的反馈驱动电路，并使用软件编程对转速变化曲线进行了比较。通过试验研究表明，对于

图9 工作频率随温度的变化图

超声电机长时间运行，温漂引起的非线性问题，采用本文的设计方法能够使电机的稳定运行速度得到有效的解决和提高。

[1] 夏长亮，郑尧，史婷娜.行波接触型超声波电机定子振动有限元分析[J].中国电机工程学报，2001，21(2)： 25-32.

[2] 赵淳生.世界超声电机技术的新进展[J].振动、测试与诊断，2004，24(1)： 1-5.

[3] 王华云.超声波电机驱动控制系统研究[D].武汉： 华中科技大学，2005.

[4] 陈志华，赵淳生.一种简单实用的超声电机频率跟踪控制技术[J].压电与声光，2003，25(2)： 149-151.

[5] 胡敏强，金龙，顾菊平.超声波电机原理与设计[M].北京： 科学出版社，2005.

[6] 赵淳生.超声电机技术与应用[M].北京： 科学出版社，2007.

[7] 祖家奎，赵淳生.行波型超声电机频率自动跟踪控制技术评述[J].微电机，2004，37(6)： 47-50.

Experimental Research on Non-Linear Phenomena in Ultrasonic Motor*

ZHAOMengqiang,RENYifeng,JIDeming,HUWei

(Servo Motor Control Laboratory， North University of China, Taiyuan 030051, China)

The non-linear phenomena was researched which affected on ultrasonic motor speed stability because of the resonance frequency of the stator decrease when it run in a long time. A variety of ultrasonic motor’ non-linear phenomena were analyzed secondly, to the non-linear question, the effective hardware circuitry based on frequency tracking method of arc voltage was designed, and it was represented visually that the motor’s state by PC software programming. Finally, based on the experiments, the two states which the non-linear phenomena effected motor’stability was compared. These results found that the method and the hardware circuitry improve the motor speed stability and operation performance.

ultrasonic motor; frequency tracking; non-linearity; experimental study

山西省自然科学基金项目(2015011043)

赵孟强(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为超声电机及其驱动控制系统的研究。 任一峰(1968—)，男，教授，研究方向为先进电机的传动与控制研究、复杂系统仿真与控制等。

TM 356

A

1673-6540(2016)07-0092-03

2015-12-02