高帥帥，王光慶

(浙江工商大學(xué)，杭州310018)

0 引 言

超聲波電機是一種基于振動和摩擦驅(qū)動的微型特種電機，具有低速大扭矩、結(jié)構(gòu)緊湊和快速響應(yīng)能力等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于微機構(gòu)和微型機器人的驅(qū)動組件中。主流的行波型超聲波電機是由壓電定子和轉(zhuǎn)子組成，定子環(huán)上表面開有若干齒槽，對定子彈性振動進(jìn)行放大，提高其輸出性能［1－2］。國內(nèi)外諸多專家學(xué)者對此電機進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、數(shù)學(xué)模型、控制策略等方面的研究，取得了豐富的研究成果［3－9］。

從功能應(yīng)用上講，超聲波電機目前主要是提供輸出力或力矩，對被控對象(如機器人)進(jìn)行驅(qū)動和定位。而在一些極端環(huán)境(如封閉的有毒有害容器、高低溫等)中工作的微型機器人，不僅要求電機具有驅(qū)動定位功能，其供電也是一個不容忽視的問題。電池供電主要的問題是壽命受限，一旦電池耗電完畢，要進(jìn)行更換非常困難甚至不太可能，這將導(dǎo)致微機器人失效或停止工作。針對這種極端環(huán)境中工作的微型機器人，本文研制了一種能量回饋型超聲波電機，電機不僅具有精密驅(qū)動和定位功能，還可采集電機在運行過程中的定子振動能量，并將其轉(zhuǎn)換成電能為微電子器件供電。

文獻(xiàn)［9］首次對超聲波電機定子振動能量回收轉(zhuǎn)換特性進(jìn)行了理論與實驗研究，利用鐵摩辛柯梁理論和壓電本構(gòu)方程，建立了電機定子振動能量采集模型，實驗研究了定子振動能量采集輸出特性。但該模型將復(fù)雜定子結(jié)構(gòu)等效成等截面橫梁，建立其平面坐標(biāo)下的采集模型，且實驗研究不夠全面，本文在文獻(xiàn)［9］的基礎(chǔ)上，對電機性能進(jìn)行了綜合測試、分析與研究，包括阻抗特性、機械特性、瞬態(tài)特性和能量采集輸出特性等。研究結(jié)果表明，研制的能量回饋型超聲波電機達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)要求，具備驅(qū)動與能量采集雙重功能。

1 電機設(shè)計思路及其設(shè)計技術(shù)指標(biāo)

主流行波型超聲波電機定子壓電陶瓷環(huán)的極化模式如圖1(a)所示，包括激勵區(qū)(A，B區(qū))和孤極兩部分，其中有3λ/4的壓電陶瓷未被極化，如圖1(a)陰影部分，這部分陶瓷不僅不參與機電能量的轉(zhuǎn)換，在電機定子高頻振動過程中還存在著能量的損耗。

圖1 行波型超聲波電機壓電陶瓷環(huán)的極化模式

本文研制的能量回饋型超聲波電機，其結(jié)構(gòu)與主流行波型超聲波電機結(jié)構(gòu)相似，由環(huán)形定子和柔性轉(zhuǎn)子組成，主要區(qū)別在于環(huán)形定子壓電陶瓷極化分區(qū)模式與圖1(a)模式不同。如圖1(b)所示，壓電陶瓷極化分區(qū)成激勵區(qū)(A，B區(qū))、孤極和能量采集區(qū)，將圖1(a)中未被極化部分的壓電陶瓷極化后作為能量采集區(qū)。當(dāng)電機穩(wěn)定運行時，利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，定子彎曲變形產(chǎn)生的高頻機械振動能量被能量采集區(qū)壓電陶瓷采集并轉(zhuǎn)化為交變的電能(如電壓、電流)，經(jīng)過AC/DC電子電路轉(zhuǎn)變成直流電，實現(xiàn)對微機器人/微電子設(shè)備供電。相比于常規(guī)的行波型超聲波電機，能量回饋型超聲波電機具有驅(qū)動和能量采集兩種功能于一體，能量利用效率更高，適用范圍也更加廣泛。

研制的能量回饋型超聲波電機技術(shù)指標(biāo)要求:

1)電機定子直徑為60 mm;

2)空載轉(zhuǎn)速不低于90 r/min;

3)堵轉(zhuǎn)力矩不低于0．6 N·m;

4)能量采集輸出功率不低于60 mW;

5)直流供電電壓不高于15 V;

6)起動響應(yīng)時間小于20 ms;

7)停止響應(yīng)時間小于15 ms。

2 電機樣機及實驗研究

目前超聲波電機實驗研究還不夠全面，通常僅僅考慮電機能量采集輸出特性，沒有對電機機械特性、阻抗特性、瞬態(tài)特性，特別是能量采集電路負(fù)載對電機機械性能的影響等開展實驗研究。本文對上述特性開展了詳細(xì)的實驗研究，為電機驅(qū)動電路匹配提供設(shè)計思路，并且對能量回饋型超聲波電機的進(jìn)一步優(yōu)化起到關(guān)鍵作用。研制的能量回饋型超聲波電機樣機如圖2所示，電機定子直徑60 mm，總重量325 g，其中定子重量150 g。

圖2 能量回饋型超聲波電機樣機

2． 1阻抗特性實驗

阻抗特性實驗是獲取電機定子機電等效參數(shù)的重要手段之一。本實驗利用超聲阻抗分析儀PV70A對能量回饋型超聲波電機的阻抗特性進(jìn)行測試，結(jié)果如圖3、圖4所示。由圖4可知，電機的諧振頻率為38 740 kHz(預(yù)壓力為0情況下測得)，靜態(tài)電容為6．997 nF。由圖3、圖4的實驗結(jié)果，還可以識別出電機定子主要機電等效參數(shù)，如表1所示，這些參數(shù)為超聲波電動機的優(yōu)化設(shè)計及電機驅(qū)動電路匹配提供設(shè)計思路。

圖3 電納和電導(dǎo)組成的導(dǎo)納圓

圖4 阻抗、相位和頻率的關(guān)系

表1 電機定子主要參數(shù)測試結(jié)果

2． 2機械特性實驗

圖5 機械特性實驗系統(tǒng)

能量回饋型超聲波電機機械特性實驗系統(tǒng)如圖5所示。信號發(fā)生器(圖中未顯示)和功率放大器為超聲波電機提供輸入激勵電壓，直流電源為整個實驗測試系統(tǒng)提供輸入電能，調(diào)節(jié)直流電源輸出電壓的大小，可改變功率放大器的輸出功率和超聲波電機輸入激勵電壓的幅值，從而改變電機的轉(zhuǎn)速。磁滯測功機用來模擬電機負(fù)載扭矩，測功機控制器可調(diào)節(jié)輸入測功機的電流，從而改變負(fù)載扭矩的大小，同時測量電機轉(zhuǎn)速、功率和力矩并顯示。示波器用于監(jiān)測電機輸入電壓波形，并測量電機輸入電壓幅值和頻率。

為了考察能量采集區(qū)外接負(fù)載對電機機械輸出特性的影響，將能量采集區(qū)壓電陶瓷兩端接等效負(fù)載電阻R。圖6和圖7分別是激勵電壓73 V和激勵頻率40 kHz條件下，電機速度－力矩特性和輸出功率－力矩特性隨能量采集區(qū)負(fù)載電阻的變化實驗結(jié)果。由圖6和圖7可知，負(fù)載電阻R不變的情況下隨著輸出力矩的增大，電機轉(zhuǎn)速跟著下降，電機機械輸出功率先增大后減小?？蛰d時最大轉(zhuǎn)速為118 r/min，堵轉(zhuǎn)時電機力矩最大達(dá)到0．67 N·m，最大機械輸出功率為2．6 W。由圖6和圖7還可知，在輸出力矩為輕載(輸出力矩小于0．3 N·m)時，負(fù)載電阻R對電機輸出轉(zhuǎn)速和機械輸出功率的影響不大;在重載時(輸出力矩大于0．3 N·m)，增大負(fù)載電阻R，電機的輸出速度和機械輸出功率增大，直到負(fù)載電阻R大于能量采集區(qū)壓電陶瓷的最佳匹配電阻9．4 kΩ時，電機輸出特性保持恒定，如圖6和圖7中R=11．6 kΩ，22 kΩ 和 47 kΩ 時的輸出曲線。

圖6 不同電阻下的力矩－速度特性

圖7 不同電阻下的力矩－輸出功率特性

圖8 和圖9分別是激勵電壓73 V，負(fù)載電阻6.9 kΩ條件下，電機速度－力矩特性和輸出功率－力矩特性曲線隨激勵頻率的變化實驗結(jié)果。由圖8可知，在能量采集區(qū)等效負(fù)載電阻R不變的情況下，同一激勵頻率下，電機轉(zhuǎn)速隨著輸出力矩的增大逐漸減小。輸出轉(zhuǎn)速和輸出力矩隨激勵頻率的增大逐漸減小，在激勵頻率為40 kHz時，電機空載轉(zhuǎn)速達(dá)到最大118 r/min，輸出力矩最大達(dá)到0．67 N·m;在激勵頻率為42 kHz時，電機空載轉(zhuǎn)速減小到20 r/min，輸出力矩減小到0．4 N·m。由圖9可知，隨著輸出力矩的增大，輸出功率先增大后減小且有一個最大值。隨著激勵頻率的增大，電機機械輸出功率逐漸減小。在激勵頻率為40 kHz時，最大機械輸出功率為2．6 W;激勵頻率為42 kHz時，最大輸出功率降為0．1 W。

圖8 電機轉(zhuǎn)速－力矩特性隨頻率變化結(jié)果

圖9 電機輸出功率－力矩特性隨頻率變化結(jié)果

2． 3振動能量采集特性實驗

電機定子振動能量采集輸出特性實驗系統(tǒng)如圖10所示。驅(qū)動控制器為超聲波電機提供輸入激勵電壓，直流電源為整個實驗測試系統(tǒng)提供輸入電能，調(diào)節(jié)直流電源輸出電壓的大小，可改變功率放大器的輸出功率和超聲波電機輸入激勵電壓的幅值，從而改變電機的轉(zhuǎn)速。能量采集區(qū)采集的輸出電壓由示波器采集、記錄和顯示［12］。

圖10 定子振動能量采集特性實驗系統(tǒng)

圖11 、圖12和圖13分別是激勵頻率39．4 kHz、激勵電壓67 V時能量采集區(qū)輸出電壓、輸出電流和輸出功率隨負(fù)載電阻R變化的實驗結(jié)果。由圖11可以看出，隨著負(fù)載電阻R的增大，采集區(qū)輸出電壓U逐漸增大，達(dá)到極值70 V后保持恒定。這是由于負(fù)載電阻R與能量采集區(qū)壓電陶瓷的阻抗Z=1/(j2πfCp)組成串聯(lián)電路，當(dāng)負(fù)載電阻R較小時，輸出電壓在R上的分壓也小，隨著負(fù)載電阻R的增大，采集輸出電壓在其上的分壓也逐漸增大。當(dāng)負(fù)載電阻R遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于|Z|時，采集輸出電壓幾乎全部由負(fù)載電壓R承擔(dān)，負(fù)載電路相當(dāng)于開路狀態(tài)。由圖12可知，流經(jīng)負(fù)載電阻R的最大電流I為7．8 mA，且隨著負(fù)載電阻R的增大逐漸減小，這是由于負(fù)載電阻R增大的速率ΔR大于輸出電壓增加的速率ΔU，根據(jù)ΔI=ΔU/ΔR可知，輸出電流將逐漸減小。由圖13可知，負(fù)載電路R的輸出功率P=UI存在一個最大值，當(dāng)R=9．4 kΩ時，最大輸出功率為320 mW。此時，負(fù)載電阻R與能量采集區(qū)壓電陶瓷阻抗完全匹配，這與圖6、圖7的實驗結(jié)果相吻合。

圖11 采集輸出電壓隨負(fù)載電阻的變化結(jié)果

圖12 采集輸出電流隨負(fù)載電阻的變化結(jié)果

圖13 采集輸出功率隨負(fù)載電阻的變化結(jié)果

圖14 是電機空載時采集輸出電壓隨激勵頻率的變化實驗結(jié)果，其中激勵電壓67 V。由圖14可知，不同負(fù)載電阻R條件下，能量采集輸出電壓曲線均在激勵頻率39．4 kHz處達(dá)到最大，這說明空載時能量采集區(qū)負(fù)載電阻R對電機諧振頻率影響很小，這也間接說明了輕載時負(fù)載電阻R對電機輸出速度、力矩和機械輸出功率影響不大，這與圖6和圖7的實驗結(jié)果是吻合的。另外，當(dāng)激勵頻率一定時，采集輸出電壓隨著負(fù)載電阻R(除R=0外)的增大而增大。由于負(fù)載電阻R與能量采集區(qū)壓電陶瓷的阻抗Z=1/(j2πfCp)組成串聯(lián)電路，當(dāng)負(fù)載電阻R較小時，輸出電壓在R上的分壓也小;隨著負(fù)載電阻R的增大，采集輸出電壓在其上的分壓也逐漸增大。當(dāng)負(fù)載電阻R|Z|時，如負(fù)載電阻R=470 kΩ時，壓電陶瓷采集輸出電壓幾乎全部由負(fù)載電阻R=470 kΩ分壓得到，此時負(fù)載電阻相當(dāng)于開路狀態(tài)。特別地，負(fù)載電阻R=0時，表明能量采集區(qū)壓電陶瓷輸出端處于開路狀態(tài)，此時，測量得到的輸出電壓為壓電陶瓷輸出電壓，且與R=470 kΩ時的輸出電壓曲線接近。

圖14 采集輸出電壓隨激勵頻率的變化結(jié)果

2． 4瞬態(tài)特性實驗

超聲波電機的一個重要特點就是響應(yīng)速度快，響應(yīng)時間為ms級別，因而它的控制性能較好。響應(yīng)速度快主要體現(xiàn)在起動和關(guān)斷過程時間特別短，即從零速度突然起動到穩(wěn)定速度或從某穩(wěn)定的速度突然關(guān)斷到零速度所需的時間特別短。電機能量采集輸出電壓與定子振動位移(速度)是成正比的。因此，本文通過測試能量采集區(qū)輸出電壓波形來研究電機的起動和關(guān)斷特性。為了能夠捕獲電機快響應(yīng)的起動和關(guān)斷特性，測試時將示波器的時間分辨率調(diào)整為1 ms。圖15和圖16分別是超聲波電機在激勵頻率40 kHz，無負(fù)載條件下的起動和關(guān)斷時能量采集區(qū)輸出電壓波形圖。由圖15和圖16可知，在電機開啟的瞬間電壓先是瞬間上升到峰值90 V，然后震蕩趨于穩(wěn)定，經(jīng)過6 ms左右電機進(jìn)入穩(wěn)定運轉(zhuǎn)階段，此時采集輸出電壓穩(wěn)定于70 V。由于定轉(zhuǎn)子接觸面間的摩擦制動效應(yīng)，電機斷電后，反饋電壓大約持續(xù)1．2 ms后減小至零，可見關(guān)斷時間比起動時間更小，這說明電機具有較快的響應(yīng)能力。

圖15 空載起動特性

圖16 空載關(guān)斷特性

綜合實驗研究結(jié)果，總結(jié)能量回饋型超聲波電機的主要性能參數(shù)，結(jié)果如表2所示。

表2 電機性能參數(shù)

表2的實驗結(jié)果表明，所研制的能量回饋型超聲波電機達(dá)到了電機設(shè)計技術(shù)指標(biāo)要求。

3 結(jié) 語

本文研制了能量回饋型超聲波電機，建立了電機能量采集理論模型，開展了電機實驗研究，得到以下結(jié)論:

(1)研制的能量回饋型超聲波電機達(dá)到了設(shè)計技術(shù)指標(biāo)要求。阻抗實驗表明研制的超聲波電機的諧振頻率為38 740 Hz(預(yù)壓力為0情況測得)，靜態(tài)電容為6．997 nF。阻抗特性實驗確定了超聲波電動機的模態(tài)頻率、夾持電容和等效電感等參數(shù)，為超聲波電動機的優(yōu)化設(shè)計及電機驅(qū)動電路匹配提供設(shè)計思路。

(2)輕載時，能量采集區(qū)外接負(fù)載電阻對電機機械輸出特性和諧振頻率影響不大;重載時，增大負(fù)載電阻，電機機械輸出性能增大。電機空載轉(zhuǎn)速為118 r/min，堵轉(zhuǎn)力矩為0．67 N·m，最大機械輸出功率2．6 W。

(3)電機起動和關(guān)斷響應(yīng)速度快，起動時間和關(guān)斷時間分別為6 ms和1．2 ms。

(4)能量采集區(qū)在最佳匹配負(fù)載電阻R=9．4 kΩ時，最大輸出電壓為70 V，最大輸出電流7．8 mA，最大輸出功率為320 mW。

［1］ ANTONIOI，MASSIMOP．A high － power traveling wave ultrasonic motor［J］．IEEE Transactions on Ultrasonic，F(xiàn)erroelectrics，and Frequency Control，2007，53(7):1344 －1351．

［2］ BOLBORICI V，DAWSONF P，PAUGH M C．A finite volume method and experimental study of a stator of a piezoelectric traveling wave rotary ultrasonic motor［J］．Ultrasonics，2014，53(3)809 －820．

［3］ 趙淳生．超聲波電機技術(shù)與應(yīng)用［M］．北京:科學(xué)出版社，2007．

［4］ MASHIMO T．Micro ultrasonic motor using a one cubic millimeter stator［J］．Sensors and Actuators A Physical，2014，213(7):102 －107．

［5］ 王光慶，沈潤杰，郭吉豐．壓電陶瓷對超聲波電動機定子特性的影響［J］．機械工程學(xué)報，2010，46(4):8 －14．

［6］ LEROY E，LOZADA J，HAFEZ M．A curved ultrasonic actuator optimized for spherical motors:design and experiments［J］．Ultrasonics，2014，54(6):1610 －1619．

［7］ ZHANG Y H，QU J J，LI J B．Friction and wear behavior of linear standing－wave ultrasonic motors with V －shape transducers［J］．Tribology International，2016，95(11):95 －108．

［8］ MORITA T，NIINOT，ASAMA H．Rotational feed through using ultrasonic motor for high vacuum condition［J］．Vacuum，2002，65(1):85－90．

［9］ 曲建俊，李錦棒．基于電接觸法的行波型超聲電機接觸特性研究［J］．聲學(xué)學(xué)報，2015，40(5):625 －630．

［10］ 王光慶，陸躍明，郭吉豐．超聲波電動機定子振動能量回收轉(zhuǎn)換特性［J］．浙江大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版，2013，47(1):174 －181．

［11］ UCHIO K．Piezoelectric actuators and ultrasonic motors［M］．Springer Publishing Company，Incorporated，2011．

［12］ LONGINI I M J，ACKERMAN E，KEMPER J．An experimentally validated bimorph cantilever model for piezoelectric energy harvesting from base excitations［J］．Smart Materials and Structures，2009，18(2):25009－25018．