“超声电机新型功能材料及高精度测量控制技术”专栏导读

随着高端装备尤其是航空航天光电装备的发展，基于传统电磁感应原理的电机功能部件已难以满足系统不断提高的轻量化、精密化、智能化要求。以压电陶瓷为换能装置，以定动子摩擦界面为传力介质的超声电机因其功率密度大、响应速度快、电磁兼容性好、断电自锁、低速直驱、构型灵活等优点，已成为光电装备在高精度运动和定位控制方面性能提升和换代的重要选择。

超声电机的概念于1948年由英国学者提出，1982年日本学者提出“行波旋转式”构型方法，开始将超声电机推向实用化。从二十世纪九十年代初开始，国内外学者开展了大量的超声电机研究工作，至今已近30年，提出了近百种不同运动自由度、不同陶瓷致动布局的超声电机构型方案，但是由于其能量转换效率、控制精度、环境适应性等方面的差距，仍无法满足高端光电装备的静动态定位精度、环境适应性等需求。究其原因，一方面在于超声电机材料在温度场-电场作用下的性能变化机理仍不清晰，制约了压电与摩擦功能材料的能量转换效率与温度适应性的提升；另一方面由于多参数、非线性、多耦合等特点使得超声电机的测量与控制复杂度增加，速度、位置控制精度不高，需要进一步深化高精度测量与控制方法的研究。

为解决上述难题，在国家重点基础研发计划(973)的支持下，南京航空航天大学、中科院上海硅酸盐研究所、中科院兰州化学物理研究所、国防科技大学联合启动了“压电精密驱动功能部件的基础研究”项目。项目组围绕“超声振动状态下具有表面织构的接触界面的运动转换与能量高效传递机理”、“特殊环境用压电器件和摩擦副的功能协同设计及微细制造”与“超声电机系统的非线性时变规律及高精度控制”等3个科学问题开展了深入研究，取得了多项成果。

为系统介绍该项目的研究进展，我们集中撰写了《超声电机多参量高精度测控系统的研制》、《超声电机宽温域低损耗压电与摩擦功能材料》、《超声电机的预压力特性分析与优化》、《超声电机速度与位置的高精度控制》四篇论文，分别从测控系统开发、功能材料研制、预压力参数优化、高精度控制方法等方面介绍项目的主要研究成果。论文一在分析超声电机主要的控制参数、状态参数以及其组合特性的基础上，开发了可对超声电机8项控制参数与13项状态参数进行综合测控的实验系统，重点解决了预压力精准调控、界面温度准确测量、高频信号灵活生成及采集等问题，并形成了标准化的测控流程与实施方法，为超声电机的性能分析与控制研究提供了基本实验手段。论文二首先说明了超声电机压电及摩擦功能材料在环境适应性、能量转换效率等方面面临的挑战。然后从压电功能材料、界面摩擦材料两个方面介绍了相关研究进展，在压电陶瓷材料方面，研究了温度场-电场共同作用下压电陶瓷晶相结构与抗疲劳性能的演变规律，制造了低介电损耗、高机械品质因数及高温度稳定性的新型压电陶瓷。在界面摩擦方面，重点分析了温度对摩擦材料机械性能与摩擦学性能的影响，制备出了摩擦系数高、耐磨性好、温度范围宽的聚酰亚胺基摩擦材料，装机实验验证了新型功能材料对驱动效率及环境适应性提升的有效性。由于预压力对超声电机的性能与寿命有直接的影响且相关的研究工作较少，论文三结合机电模型仿真与关键性能测试，分析了预压力对速度、温度、输出转矩以及转换效率等特性的影响规律，并提出了能较好地兼顾这些特性的预压力优化方法，形成了预压力理想工作区间的选择方法。论文四针对超声电机的速度和位置的高精度控制问题开展研究。为提高速度平稳性，建立了多参数速度控制模型，通过双环复合控制方法使电机的速度稳定度优于0.44%；为提高位置控制精度，深入研究了超声电机的微步进特性，提出并辨识了微步进过程的启动-关断模型，并通过驱动参数与周期数的调控方法研究，使超声电机的运动分辨率达到了0.375 μrad。

希望上述文章能对从事超声电机研究与应用的读者有所帮助。

范大鹏 教授

国防科技大学

二〇二〇年三月一日