陳如娟 陳 超 宋小剛

南京航空航天大學(xué),南京,210016

微小旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)瞬態(tài)特性測(cè)試及機(jī)械特性估計(jì)方法

陳如娟 陳 超 宋小剛

南京航空航天大學(xué),南京,210016

提出了一種直徑10mm的微小旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,并加工制造了樣機(jī)。針對(duì)該電機(jī)具有毫秒級(jí)的響應(yīng)特性和較小輸出力矩的特點(diǎn),提出通過(guò)分析瞬態(tài)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特性來(lái)估計(jì)電機(jī)負(fù)載能力的方法。利用光電編碼器、N I采集卡及虛擬儀器軟件組成的信號(hào)采集系統(tǒng),對(duì)該微型超聲電機(jī)進(jìn)行了瞬態(tài)特性實(shí)驗(yàn),獲得了電機(jī)轉(zhuǎn)速、啟動(dòng)及關(guān)斷時(shí)間。對(duì)電機(jī)瞬態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,并計(jì)算得到了電機(jī)的力矩特性。最后,通過(guò)與采用測(cè)功機(jī)得到的電機(jī)機(jī)械特性數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了該方法的有效性。

旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī);瞬態(tài)特性;信號(hào)采集;負(fù)載

0 引言

微操作系統(tǒng)、管道微機(jī)器人技術(shù)、微光學(xué)系統(tǒng)、航空航天科技的發(fā)展對(duì)控制系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)提出了更高的要求:不僅要求電機(jī)微小化、具有足夠的驅(qū)動(dòng)力(矩),而且需要有良好的響應(yīng)特性[1]。微小旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)(TRUM)是一種有別于電磁轉(zhuǎn)換機(jī)制的驅(qū)動(dòng)裝置,新穎的工作機(jī)理使其具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):更大的功率/體積比、更高的響應(yīng)速度、隨外形尺寸減小仍具有良好的輸出效率,因而在前述領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景[2]。與傳統(tǒng)電磁電機(jī)比較,超聲電機(jī)響應(yīng)很快(通常為毫秒級(jí)),啟動(dòng)和關(guān)斷過(guò)程中的瞬態(tài)過(guò)程特別短,這一特性使得超聲電機(jī)適合于需要快速響應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),因此超聲電機(jī)的瞬態(tài)特性實(shí)驗(yàn)是十分必要的。此外,微小超聲電機(jī)的輸出力矩相對(duì)較小(μN(yùn)?m或mN?m量級(jí)),輸出軸短而細(xì),如南京航空航天大學(xué)研制中的2mm桿式電機(jī)的輸出軸直徑甚至小于2mm,其最大力矩在幾百μN(yùn)?m,常規(guī)的測(cè)試設(shè)備和方法不易直接測(cè)得其負(fù)載特性,且會(huì)因?yàn)檠b置的附加摩擦、振動(dòng)和溫度而影響測(cè)試[3]結(jié)果。因此可考慮通過(guò)分析微小超聲電機(jī)瞬態(tài)過(guò)程所表現(xiàn)出來(lái)的動(dòng)態(tài)特性來(lái)對(duì)電機(jī)的機(jī)械特性進(jìn)行評(píng)估和分析[4]。

本文設(shè)計(jì)了一種直徑為10mm的旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī),建立了其瞬態(tài)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)方程,通過(guò)分析瞬態(tài)特性來(lái)估計(jì)微小電機(jī)負(fù)載能力。針對(duì)該型電機(jī)響應(yīng)快等特性,搭建了基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的瞬態(tài)測(cè)試系統(tǒng),對(duì)電機(jī)的瞬態(tài)特性進(jìn)行了測(cè)試,根據(jù)上述方法得到了電機(jī)的負(fù)載能力數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)采用了精度很高的非接觸式光電檢測(cè)手段,適合于具有快速響應(yīng)能力和微小力矩的超聲電機(jī)。

1 微小旋轉(zhuǎn)型行波超電機(jī)的設(shè)計(jì)

微小旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)外徑為10mm(該電機(jī)以下簡(jiǎn)稱為TRUM-10電機(jī)),其定子為一個(gè)階梯厚度圓環(huán),并且頂端開(kāi)設(shè)有齒槽以提高其對(duì)轉(zhuǎn)子的驅(qū)動(dòng)效果[5]。圖1所示為旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)的工作原理。利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)可在定子中激發(fā)出沿一定方向傳播的行波,從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。本文中TRUM-10電機(jī)定子的工作模態(tài)選定為沿圓周4個(gè)波長(zhǎng)的彎曲模態(tài)。

圖1 行波超聲電機(jī)的工作機(jī)理簡(jiǎn)圖

利用文獻(xiàn)[6]的方法,通過(guò)建立TRUM-10電機(jī)定子的參數(shù)化有限元模型,可對(duì)其展開(kāi)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),以得到定子恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方案。綜合考慮加工、裝配和工藝等因素,最后樣機(jī)電機(jī)的結(jié)構(gòu)方案見(jiàn)圖2。

圖2 電機(jī)整體裝配圖

相對(duì)文獻(xiàn)[6]中的結(jié)構(gòu),本研究中的樣機(jī)取消了帶錐度的套筒,直套筒與底座一體,定子依靠緊配合固定,不僅簡(jiǎn)化了工藝,而且增加了一個(gè)定位軸承。實(shí)驗(yàn)表明電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的徑向穩(wěn)定度更高。

2 旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)瞬態(tài)特性分析

超聲電機(jī)的瞬態(tài)特性主要包括三個(gè)指標(biāo):啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間、關(guān)斷響應(yīng)時(shí)間和平均轉(zhuǎn)速[7]。電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中,轉(zhuǎn)子受到來(lái)自定子的驅(qū)動(dòng)力矩、外加負(fù)載和系統(tǒng)阻尼作用,其動(dòng)力學(xué)方程為[8-12]

式中,T為驅(qū)動(dòng)力矩;M為負(fù)載力矩;J為旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ω為轉(zhuǎn)子角速度;δ為力矩阻尼系數(shù)。

式(1)中,J為兩個(gè)部分之和,一部分為轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1,另一部分為實(shí)驗(yàn)測(cè)量設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J2,求解式(1),可得

通過(guò)測(cè)量關(guān)斷時(shí)間,可以計(jì)算出電機(jī)摩擦材料的摩擦因數(shù)[13]。通過(guò)啟動(dòng)或關(guān)斷時(shí)間的測(cè)量也可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)阻尼。

3 瞬態(tài)特性實(shí)驗(yàn)

3.1 瞬態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)

瞬態(tài)測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)備由光電編碼器、N I數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)組成,如圖3所示。

圖3 超聲電機(jī)瞬態(tài)測(cè)試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中TRUM-10電機(jī)與光電編碼器的連接方式見(jiàn)圖4。

圖4 電機(jī)與光電編碼器的連接

光電編碼器將超聲電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電脈沖信號(hào),數(shù)據(jù)采集卡采集這些脈沖信號(hào)的寬度。一個(gè)脈沖寬度對(duì)應(yīng)于光電編碼器旋轉(zhuǎn)一定角度所對(duì)應(yīng)的時(shí)間,這樣就可以獲得電機(jī)在該時(shí)間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速。如果光電編碼器分辨率線數(shù)足夠高,即可認(rèn)為光電編碼器每輸出一個(gè)脈沖所測(cè)得的平均轉(zhuǎn)速就等于此時(shí)的瞬態(tài)轉(zhuǎn)速。

根據(jù)編碼器脈沖數(shù)據(jù),利用數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)數(shù)器模塊,用硬件運(yùn)算的方法求得電機(jī)的瞬時(shí)速度[14]。

光電編碼器的測(cè)速原理:輸出信號(hào)指標(biāo)為每轉(zhuǎn)1782個(gè)脈沖,即電機(jī)帶動(dòng)光電編碼器的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)360°,就會(huì)輸出1782個(gè)方波脈沖信號(hào),每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)0.20°的角位移。

令n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速(r/s),則每個(gè)脈沖寬度對(duì)應(yīng)的時(shí)間(s)為

每收到m個(gè)脈沖信號(hào),同時(shí)記錄對(duì)應(yīng)的時(shí)間t(s),則平均轉(zhuǎn)速(r/s)定義為

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

TRUM-10電機(jī)的瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù),可采用如下分析過(guò)程得到超聲電機(jī)的瞬態(tài)特性指標(biāo):

圖5 啟動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)曲線

圖6 關(guān)斷特性實(shí)驗(yàn)曲線

式中,N為整周期采樣點(diǎn)數(shù)(去掉啟動(dòng)或關(guān)閉過(guò)程的采樣點(diǎn)數(shù));ni為每個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。

啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間定義為

式中,tr1為電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中,電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到平均轉(zhuǎn)速的95%的時(shí)刻;tr2為電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中,電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到平均轉(zhuǎn)速的5%的時(shí)刻。

式中,tf1為電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中,電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到平均轉(zhuǎn)速的5%的時(shí)刻;tf2為電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中,電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到平均轉(zhuǎn)速的95%的時(shí)刻。

基于信號(hào)采集系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù),利用上述算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,可得電機(jī)的瞬態(tài)特性結(jié)果,如表1所示。

表1 瞬態(tài)特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

考慮到電機(jī)尺寸及本身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小,所以由實(shí)驗(yàn)設(shè)備帶來(lái)的額外慣量不能忽略,需要對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行換算,以得出電機(jī)的實(shí)際瞬態(tài)特性。實(shí)際測(cè)算電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J s=7.68 g?mm2,而碼盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jt=100.24 g?mm2。忽略電機(jī)測(cè)量前后結(jié)構(gòu)阻尼的變化,根據(jù)

電機(jī)的啟動(dòng)及關(guān)斷時(shí)間應(yīng)為實(shí)際測(cè)量值的6.7%,則電機(jī)的實(shí)際瞬態(tài)特性修正結(jié)果如表2所示。

表2 瞬態(tài)特性修正 ms

4 機(jī)械特性估計(jì)

通過(guò)瞬態(tài)特性分析結(jié)果計(jì)算可近似得到微小超聲電機(jī)的機(jī)械特性,為電機(jī)堵轉(zhuǎn)力矩及自鎖力矩的獲得提供一條途徑。

4.1 堵轉(zhuǎn)力矩

把已有數(shù)據(jù)代入式(7)可得堵轉(zhuǎn)力矩,如表3所示。

表3 堵轉(zhuǎn)力矩估算

4.2 自鎖力矩

由式tc=J/δ,可得電機(jī)力矩阻尼系數(shù):

將測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與啟動(dòng)、關(guān)斷時(shí)間代入式(13),可得啟動(dòng)及關(guān)斷過(guò)程的阻尼系數(shù)。

由式(10)、式(11)可得

將已知的關(guān)斷響應(yīng)特性代入式(11)可得自鎖力矩,如表4所示。

表4 自鎖力矩

4.3 機(jī)械特性實(shí)驗(yàn)

通過(guò)圖7所示測(cè)功機(jī)的加載測(cè)試,可以獲得超聲電機(jī)的實(shí)際堵轉(zhuǎn)力矩,如圖8所示。

測(cè)功機(jī)未加載時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)速為380r/min,已測(cè)得的最大堵轉(zhuǎn)力矩應(yīng)達(dá)到6.7mN?m以上(考慮到實(shí)驗(yàn)設(shè)備存在附加力矩)。該結(jié)果與通過(guò)瞬態(tài)分析得到的結(jié)果是比較接近的,也證明通過(guò)電機(jī)瞬態(tài)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)分析得到其負(fù)載能力是可行的。

對(duì)自鎖力矩的實(shí)際測(cè)量,已經(jīng)通過(guò)懸吊砝碼的方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖7 測(cè)功機(jī)(精度:1mN?m)

圖8 機(jī)械特性擬合曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種直徑為10mm的新型微小旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,并加工制作了樣機(jī)。針對(duì)微小超聲電機(jī)力矩較小,不易直接測(cè)量的特點(diǎn),提出通過(guò)瞬態(tài)特性測(cè)試和分析來(lái)估計(jì)其機(jī)械特性的方法。搭建了微小旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)瞬態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng),通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了電機(jī)轉(zhuǎn)速、啟動(dòng)及關(guān)斷時(shí)間。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算,得到了電機(jī)的機(jī)械特性數(shù)據(jù)。最后,通過(guò)與采用測(cè)功機(jī)得到的電機(jī)機(jī)械特性數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了該方法的有效性,這種估算方法對(duì)其他行波型電機(jī)同樣適用。該方法為測(cè)量具有更微小力矩(μN(yùn)?m量級(jí))的直徑為2mm的桿式行波超聲電機(jī)的機(jī)械特性提供了一種有效的方法。

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Transient Test and Estimation of Mechanical Propertiesof Tiny Rotary Type of U ltrasonic Motor

Chen Rujuan Chen Chao Song Xiaogang
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016

One novel kind of tiny TRUM w ith the diam eter of 10mm was p resented and manu factured.For the prototype has them illisecond level response characteristics and sm alloutput torque,the load capacity of the tiny type TRUM can be obtained by analyzing the transient dynamics.By the signal acquisition system composed o f optical encoders,NI acquisition card and virtual instrument software,the transient characteristicsexperimentof the prototypewas conducted to acquire its speed,startup and shutdown time.The measured data was analyzed to calculate the torque characteristics of the p rototype.Finally,the p roposed method is validated by comparing the calculated resu lts w ith the experimental data of the dynamometer.

traveling wave rotary ultrasonicmotor(TRUM);transient characteristics;signalacquisition;load

TM 356

1004—132X(2011)11—1284—05

2010—07—29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50975135,10604032);南京航空航天大學(xué)青年科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(NS2010001)

(編輯 袁興玲)

陳如娟,男,1986年生。南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院碩士研究生。主要研究方向?yàn)槲⑿⌒统曤姍C(jī)技術(shù)。陳 超,男,1976年生。南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院副教授。宋小剛,男,1982年生。南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院碩士研究生。