二自由度超声波电机性能测试研究

王 剑,白 洋,郭吉丰

(浙江大学,杭州 310027)

0 引 言

多自由度超声波电机是近年来超声波电机领域的研究热点[1]，由于其转子运动形式具有多样性，因此研究适合多自由度超声波电机的性能测试方法，是实现电机控制的先决条件[2]。

目前旋转型或直线型单自由度超声波电机性能测试研究已较成熟。张铁民等[3]建立了基于虚拟仪器的直线型超声波电机性能测试平台，实现对电机稳态运行的驱动电参量、定子振动以及速度和温度的测试分析。张凯等[4]利用光纤测速仪和电阻应变仪(微力测量)构建微型电机测试系统，测量Φ1 mm柱状弯曲型超声波电机的空载转速和堵转力矩。陈超等[5]针对微小型旋转超声电机力矩小、不易直接测量的特点，提出利用瞬态特性测试和分析来估算电机机械特性的方法，通过比对测功机数据，验证该方法的有效性。

旋转-直线二自由度电机作为多自由度电机的特殊分支，一些学者在本体研究的基础上初步探索了测试技术。Mashimo等人[6]对电机转子的直线和旋转速度进行测试，对转矩/推力按照公式进行估算。Tuncdemir等人[7]采用激光测振仪测试了电机的直线运动的速度，利用弹簧测试电机的最大推力，但没有提到旋转运动的测试方法。

本文针对自主研制的旋转-直线二自由度超声波电机为测试对象，提出一种集定子振动检测、转子运动测量和电机控制等功能为一体的电机性能测控平台。文中首先介绍电机的结构和特点；其次介绍了测控平台的组成，阐述测试的原理和方法；最后，实测电机性能并分析测试结果。

1 电机结构与特点

旋转-直线二自由度超声波电机由复合定子和转子环2部分构成，如图1所示。金属弹性体和压电陶瓷组成定子复合体，其中金属弹性体为变截面结构。在正四棱柱的4个侧面开倾斜定位槽，粘接压电陶瓷，构成定子的激励部分；与转子环接触的圆柱构成定子的传导部分。压电陶瓷沿厚度方向极化，利用陶瓷的压电应变系数d31，在陶瓷表面粘接柔性电路连接单相电源，通过输入非对称方波，激励倾斜布置的压电片，利用近谐振点惯性冲击方法(SIDM)驱动电机，其中定子的扭振模态驱动旋转运动，纵振模态驱动直线运动。

电机的特点：结构紧凑，主体结构为直径小于3 mm的柱体定子，定子表面有序排列一组同类型的压电片，转子为预紧力可调的移动部件；机理巧妙，该组压电片既能激励定子的扭转振动，也能激励纵向振动，所以能驱动转子实现旋转和直线2种运动；驱动简单，应用惯性冲击控制方法为基础的单相驱动电源；调节灵活，可以根据不同的嵌入式结构，设计不同径/长比的电机。

图1 旋转-直线二自由度超声波电机的结构

2 测试方法

2.1 端面振幅检测

该电机的振动状态由定子端面质点的直线位移(纵振模态)和扭转角度(扭振模态)来表征，测试原理如图2所示。由信号发生器产生频率、幅值和占空比均可调节的方波信号激励，通过高频功放后输入电机，并设置激光测振仪检测定子端面的振幅。

电机工作在纵振模态时，激光测振仪发射的激光垂直于定子端面，可直接测量纵向振动的频率、速度和位移等参数。工作在扭振模态时，需将激光发射头偏转90°，使之垂直于定子端面槽底部的边缘，如图3所示，测得位移为Δx，定子半径为r，则扭转角度Δα=Δx/r。

图3 定子端面的扭转角度测试原理

2.2 运动速度检测

该电机定子直径小于3 mm，且转子具有直线和旋转2个自由度等原因，传统的诸如光电码盘的测试方案难以适用。为此提出基于光电识别原理的转子位置与转角检测方法，如图4(a)所示，将光电传感器TCRT 1000固定在机构上，并构建信号检测电路。

在直线运动中，采集传感器输出电压，即可直接转化为转子位移量，转子直线速度可对位移量求导得到。在旋转运动中，需对转子表面进行喷绘处理，如4(b)所示，黑色部分不反射，传感器输出高电平，白色部分对应低电平。转子旋转时，传感器输出一组方波信号。通过检测方波的频率fo，即可推导转子的旋转速度ω=π/fo。

(a) TCRT 1000 原理示意图

(b) 转子表面处理

3 结果分析

按上节的原理建立旋转-直线二自由度超声波电机的测控平台，如图5所示，并在该平台上完成电机多种特性测试。

图5 二自由度超声波电机测控平台

首先验证电机的谐振频率：选择正弦波信号(Vpp=60 V)，检测定子端面纵振和扭振的幅值，两者幅-频特性如图6所示，定子一阶纵振和一阶扭振的谐振频率分别为89.0 kHz和50.4 kHz，与阻抗分析仪的扫频结果吻合。证明电机2个模态分离清晰，可实现直线与旋转2个自由度的运动。

(a) 纵振模态

(b) 扭振模态

分别在谐振频率点(fL=89.0 kHz和fT=50.4 kHz)输入不同幅值的正弦波信号，得到定子端面振幅与激励幅值的特性如图7所示，两者近似成线性关系。而在非饱和区间内，转子运动速度与定子端面振幅值成正比，因此该电机可采用调节激励电压幅值的方式实现速度控制。

(a) 纵振模态

(b) 扭振模态

该电机驱动的特点在于采用单相电源激励，消除了相位差的影响。因此输入频率和占空比可控的非对称方波，利用惯性冲击方法，在谐振频率附近(非谐振点)，占空比为D=33%或D=66%情况下，定子端面波形更接近锯齿波，且峰值超过同频同幅的正弦波激励。给定方波激励(Vpp=100 V，fL=91 kHz)，定子处于纵振模态，其端面纵振波形(D=33%和D=66%)如图8(a)和图8(b)所示。同理，方波激励(Vpp=100 V，fT=51 kHz)下，定子处于扭振模态，其端面扭振波形如图9所示。

(a) D=33%

(b) D=66%

(a) D=33%

(b) D=66%

电机的机械测试如下：给定方波激励(Vpp=100 V，fL=91 kHz)，电机工作在纵振模态，转子向电机尾部或顶部作直线运动(D=33%或66%)，最大直线速度为1.7 mm/s，最大推力为0.67 mN。电机直线运动速度/推力与转子位置关系分别如图10(a)和图11(a)所示。同理，给定方波激励(Vpp=100 V，fT=51 kHz)，电机工作在扭振模态，转子逆/顺时针运动(D=33%或D=66%)，空载转速约为75 r/min，最大力矩约为0.23 μNm，电机的转速/力矩与转子位置关系分别如图10(b)和图11(b)所示。测试结果表明，电机力能输出的最大点均位于定子顶部，与理论分析相吻合。

(a) 纵振模态

(b) 扭振模态

(a) 纵振模态

(b) 扭振模态

当电机工作在纵振模态(fL=91 kHz)，调节激励电压的幅值Vpp，电机直线运动速度相应改变，如图12所示。Vpp∈[80 V，100 V]为活跃区域，转子运动速度与电压幅值近似成正比；Vpp∈[60 V，80 V]为准静止区域，定子表面振幅较小，转子处于随动状态，直线运动不明显；Vpp∈[100 V，120 V]为饱和区域，定子表面振幅过大，转子处于相对滑动状态，直线速度已接近极限，不再显著提升。一般应确保电机工作在活跃区域。扭振模态下电机的情况类似。

图12 电机直线运动速度与激励电压幅值的关系

4 结 语

本文提出了旋转-直线二自由度超声波电机的测控平台，具有定子振动检测、转子运动测量和电机控制等多种功能。根据测试结果，电机具有纵向和扭转2种振动模态，谐振频率分离清晰，可实现直线和旋转2个自由度的运动。在谐振频率附近输入非对称方波激励，可在定子端面输出锯齿波的振动形态，证明惯性冲击的驱动方法对电机有效。通过调节方波信号的频率、占空比和幅值，可实现直线/旋转的切换、运动方向的变化和运动速度的控制，说明了电机具有良好的控制性能。

[1] 郭吉丰,白洋,王剑.多自由度超声波电机的研究进展和展望[J].振动与冲击,2013,32(15):1-7.

[2] 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.

[3] 武威,张铁民.超声电机测试分析系统[J].微电机,2012,45(12):59-62.

[4] 张凯,周铁英,王欢,等.1 mm压电柱式超声微电机的研制[J].声学学报,2004,25(10):1369-1373.

[5] 陈如娟,陈超,宋小刚.微小旋转型超声电机瞬态特性测试及机械特性估计方法[J].中国机械工程,2011,22(11):1284-1288.

[6] MASHIMO T,TOYAMA S,ISHIDA H.Design and implementation of spherical ultrasonic motor[J].IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics and Frequency Control,2009,56(11):2514-2521.

[7] TUNCDEMIR S,URAL S O,KOC B,et al.Design of translation rotary ultrasonic motor with slanted piezoelectric ceramics[J].Japanese Journal of Applied Physics,2011,50(2):027301-027301-8.

[8] 赵淳生.超声电机技术与应用[M].北京：科学出版社,2007:513-516.