機(jī)器人驅(qū)動(dòng)及控制第5章微型機(jī)器人壓電電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制●學(xué)習(xí)目標(biāo)了解微型壓電電動(dòng)機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史了解微型壓電電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用掌握微型壓電電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)理掌握行波型超聲電機(jī)機(jī)理和運(yùn)行特性掌握行波型超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方法了解新構(gòu)型壓電電機(jī)工作原理了解壓電電機(jī)在關(guān)節(jié)機(jī)器人中應(yīng)用01020304050607

傳統(tǒng)電磁電機(jī)由于受工作原理和結(jié)構(gòu)型式限制已無(wú)法滿足微型機(jī)器人所需驅(qū)動(dòng)器具有的能耗低、易于微型化、位移和力輸出較大、動(dòng)作響應(yīng)快、線性控制性能好等技術(shù)要求。

利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)使彈性體產(chǎn)生振動(dòng)的壓電電機(jī)因具有設(shè)計(jì)靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、低速大轉(zhuǎn)矩、低噪聲和不產(chǎn)生磁場(chǎng)、也不被外界磁場(chǎng)干擾等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前包括微型機(jī)器人在內(nèi)的機(jī)電驅(qū)動(dòng)和控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。5.1概述壓電電機(jī)不像傳統(tǒng)電磁電機(jī)利用電磁力而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和振動(dòng)來(lái)獲得運(yùn)動(dòng)和力矩，將材料的微觀變形通過(guò)機(jī)械共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子（或動(dòng)子）的旋轉(zhuǎn)（或直線）運(yùn)動(dòng)。壓電電動(dòng)機(jī)定義2025/2/125.1概述5.1.1發(fā)展簡(jiǎn)史

1942年，美國(guó)學(xué)者首次申請(qǐng)了專利，揭示了基本原理，進(jìn)入了電機(jī)研究萌芽階段。

1972年，德國(guó)西門(mén)子和日本松下電器公司研制出具有應(yīng)用前景的壓電超聲電動(dòng)機(jī)。

1987年，日本佳能公司將環(huán)狀行波壓電超聲電機(jī)應(yīng)用于相機(jī)自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，標(biāo)志著壓電超聲電動(dòng)機(jī)正式走向?qū)嶋H應(yīng)用階段。

1990年，清華大學(xué)申請(qǐng)了國(guó)內(nèi)首項(xiàng)超聲電機(jī)的發(fā)明專利，從此進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。

1995年，南京航空航天大學(xué)成功研制出首臺(tái)具有應(yīng)用前景的環(huán)形壓電行波超聲電機(jī)。2025/2/12

5.1.2壓電電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)靈活。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于微型化和多樣化。選用合適壓電陶瓷材料和摩擦材料，可在低溫、高溫和真空等極端條件下工作。

環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。沒(méi)有磁極和繞組，利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)、超聲振動(dòng)和摩擦耦合來(lái)轉(zhuǎn)換動(dòng)力；工作時(shí)不產(chǎn)生磁場(chǎng)，也不受外界磁場(chǎng)影響，抗電磁干擾性強(qiáng)。

定位精度高、響應(yīng)速度快。依靠定子產(chǎn)生微米級(jí)振幅來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，響應(yīng)速度快，沒(méi)有游隙和回程間隙，系統(tǒng)可達(dá)到微米級(jí)的定位精度。

低速、大扭矩。不存在減速機(jī)構(gòu)，可直接驅(qū)動(dòng)，提高了傳動(dòng)效率，降低了能耗和傳動(dòng)誤差。單位體積上輸出扭矩較大，一般為傳統(tǒng)電磁電機(jī)的10倍左右。5.1概述2025/2/12

5.1.2壓電電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)

缺點(diǎn)

輸出功率較小。壓電電機(jī)及其控制系統(tǒng)輸出功率較小，難以制造出輸出功率1kW以上的壓電電機(jī)，目前，旋轉(zhuǎn)行波型壓電超聲電機(jī)輸出功率小于50W。

壽命較短。大多數(shù)的壓電電機(jī)通過(guò)定、轉(zhuǎn)子間的摩擦傳遞能量，摩擦界面磨損嚴(yán)重。此外，壓電陶瓷在高頻振動(dòng)下會(huì)產(chǎn)生疲勞損壞，特別是在電機(jī)功率較大和溫度較高時(shí)疲勞損傷更為嚴(yán)重。

價(jià)格昂貴。壓電陶瓷作為一種智能材料，其工藝精度要求較高，且電機(jī)的集成控制電路成本較高，使得壓電電機(jī)及壓電系統(tǒng)在應(yīng)用中的性價(jià)比還不高。只有在一些特殊的場(chǎng)合，性價(jià)比才得以呈現(xiàn)。5.1概述2025/2/12

5.1概述5.1.3壓電電動(dòng)機(jī)分類轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理行波型壓電電動(dòng)機(jī)定子中產(chǎn)生的行走橢圓運(yùn)動(dòng)推動(dòng)轉(zhuǎn)子，屬于連續(xù)驅(qū)動(dòng)方式駐波型壓電電動(dòng)機(jī)做固定橢圓運(yùn)動(dòng)的定子推動(dòng)轉(zhuǎn)子，屬于間斷驅(qū)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)形式旋轉(zhuǎn)型壓電電動(dòng)機(jī)直線型壓電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)自由度單自由度壓電電動(dòng)機(jī)多自由度壓電電動(dòng)機(jī)彈性體和移動(dòng)體接觸情況接觸式壓電電動(dòng)機(jī)非接觸式壓電電動(dòng)機(jī)2025/2/12

5.1概述5.1.4壓電電動(dòng)機(jī)應(yīng)用

航空航天領(lǐng)域。壓電電機(jī)自身不產(chǎn)生磁場(chǎng)，也不受磁場(chǎng)干擾，電磁兼容性好，勝任太空輻射、太陽(yáng)磁暴和極端溫度變化等惡劣、極端的工作環(huán)境，結(jié)構(gòu)易于微型化和多樣化，是空間探測(cè)器的理想動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器。2025/2/12

5.1概述5.1.4壓電電動(dòng)機(jī)應(yīng)用

照相機(jī)調(diào)焦系統(tǒng)。日本佳能公司將超聲波電動(dòng)機(jī)成功應(yīng)用到EOS系列照相機(jī)鏡頭中。尼康公司和奧林巴斯公司也均將超聲波電動(dòng)機(jī)應(yīng)用到自己的產(chǎn)品中。具有調(diào)焦時(shí)間短、噪聲低、定位精度高、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)。2025/2/12

5.1概述5.1.4壓電電動(dòng)機(jī)應(yīng)用

機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)。隨著人工智能的發(fā)展，機(jī)器人手臂越來(lái)越向輕型化、柔性化、低剛度和定位精確化方向發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)自如的活動(dòng)。以往驅(qū)動(dòng)裝置多采用電磁電機(jī)或液壓裝置驅(qū)動(dòng)，配套件復(fù)雜，增加了手臂的體積和重量，不利于機(jī)器人向微型化方向發(fā)展。2025/2/12

5.1概述5.1.4壓電電動(dòng)機(jī)應(yīng)用

精密定位裝置和隨動(dòng)系統(tǒng)。超聲波電機(jī)響應(yīng)速度快，當(dāng)位置傳感器檢測(cè)到目標(biāo)位置信號(hào)的瞬間，切斷電源，電機(jī)立即停止工作，定位精確，開(kāi)環(huán)控制即可實(shí)現(xiàn)較高的精密定位。超聲波電機(jī)用于精密定位裝置，啟、停響應(yīng)速度快的特點(diǎn)很適合隨動(dòng)系統(tǒng)。

掃描電子顯微鏡試料架的驅(qū)動(dòng)。掃描電子顯微鏡試料架位置采用超聲波電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，省掉了復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，減小了手動(dòng)誤差，使定位更加精確。2025/2/125.1概述5.1.4壓電電動(dòng)機(jī)應(yīng)用

生物醫(yī)療領(lǐng)域。磁共振兼容設(shè)備基于靜態(tài)磁場(chǎng)工作，這些設(shè)備在靜態(tài)磁場(chǎng)中工作時(shí)不應(yīng)產(chǎn)生電磁干擾。超聲波電機(jī)因具有不產(chǎn)生磁場(chǎng)、也不受外界磁場(chǎng)所干擾的特性，不會(huì)對(duì)成像過(guò)程造成干擾，在該領(lǐng)域已成功商業(yè)化。

汽車領(lǐng)域。德國(guó)奔馳將超聲電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)汽車車窗或調(diào)整座椅。日本豐田將超聲電機(jī)用于豪華轎車上操縱后視鏡和座椅頭靠。2025/2/125.2微型壓電電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)理

5.2.1壓電效應(yīng)概述

壓電顧名思義就是當(dāng)外力使材料發(fā)生形變時(shí)隨之發(fā)生的發(fā)電現(xiàn)象。

當(dāng)晶體受到某固定方向外力作用時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時(shí)，電荷極性也隨之改變。這一現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)或正壓電效應(yīng)。

反之，若在晶體上施加電場(chǎng)，從而使該晶體產(chǎn)生電極化，同時(shí)也將產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力，當(dāng)電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失，這就是逆壓電效應(yīng)。

壓電電動(dòng)機(jī)就是利用逆壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的。2025/2/125.2微型壓電電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)理

5.2.1壓電效應(yīng)概述

自然界中大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分微弱。通常把明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功能材料叫作壓電材料。

壓電材料分為壓電晶體和壓電陶瓷兩大類，其中壓電陶瓷是制造壓電電機(jī)的重要材料。

箭頭方向?yàn)閴弘娞沾蓸O化方向。當(dāng)壓電材料上下表面施加正向電壓，即形成上正下負(fù)電場(chǎng)，則壓電材料在長(zhǎng)度方向伸長(zhǎng)，高度方向收縮；反之，若施加反向電壓，則會(huì)在長(zhǎng)度方向收縮，高度方向伸長(zhǎng)。

在壓電體表面施加交變電場(chǎng)時(shí)，壓電體就會(huì)激發(fā)出某種模態(tài)的彈性振動(dòng)。外加電場(chǎng)交變頻率與壓電體機(jī)械諧振頻率相同時(shí)，壓電體就進(jìn)入諧振狀態(tài)，稱為壓電振子。

當(dāng)振動(dòng)頻率高于20kHz時(shí)，就進(jìn)入超聲振動(dòng)狀態(tài)。2025/2/125.2微型壓電電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)理

5.2.2橢圓運(yùn)動(dòng)及作用

超聲振動(dòng)是超聲波電動(dòng)機(jī)工作的基本條件，起驅(qū)動(dòng)源作用。但并不是任意超聲波振動(dòng)都具有驅(qū)動(dòng)作用，必須具備一定的形態(tài)，即振動(dòng)位移的軌跡是一個(gè)橢圓時(shí)，才具有連續(xù)的定向驅(qū)動(dòng)作用。

靜止?fàn)顟B(tài)下定子與轉(zhuǎn)子表面有一微小間隙。定子產(chǎn)生超聲振動(dòng)時(shí)，其上的接觸摩擦點(diǎn)A做周期性運(yùn)動(dòng)，軌跡為一橢圓。

A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到橢圓上半圓周時(shí)與轉(zhuǎn)子表面接觸，通過(guò)摩擦撥動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；

A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到橢圓下半圓周時(shí)與轉(zhuǎn)子表面脫離，并反向回程。

如果這種橢圓運(yùn)動(dòng)連續(xù)不斷地進(jìn)行下去，則對(duì)轉(zhuǎn)子就具有連續(xù)定向的撥動(dòng)，從而使轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。2025/2/125.2微型壓電電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)理

5.2.2橢圓運(yùn)動(dòng)及作用

φ=nπ(n=0,±1,,±2)時(shí)，兩位移同相運(yùn)動(dòng)，合成軌跡為一直線。

φ≠nπ時(shí)，軌跡為一橢圓。且φ=nπ±π/2時(shí)，軌跡為規(guī)則橢圓。

相位差φ的取值決定了橢圓運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)方向，φ＞0時(shí)，橢圓運(yùn)動(dòng)為順時(shí)針?lè)较颍沪眨?時(shí)，橢圓運(yùn)動(dòng)為逆時(shí)針?lè)较颉?/p>

橢圓運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)方向決定了定子對(duì)轉(zhuǎn)子的撥動(dòng)方向，也就決定了超聲波電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

若在空間有兩個(gè)相互垂直簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)形成的振動(dòng)位移ux和uy，振動(dòng)角頻率為w，振幅為和，時(shí)間相位差為φ，則有消去時(shí)間整理得2025/2/125.3行波型超聲波電動(dòng)機(jī)

5.3.1電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

環(huán)形行波型超聲波電機(jī)由下端蓋、定子、轉(zhuǎn)子、上端蓋、軸承、碟簧和輸出軸組成。

核心是由壓電陶瓷和彈性體組成的定子和與定子接觸的接觸面粘有摩擦材料的轉(zhuǎn)子。

定子和轉(zhuǎn)子均為一薄圓環(huán)結(jié)構(gòu)，整個(gè)電動(dòng)機(jī)呈現(xiàn)扁圓環(huán)形結(jié)構(gòu)。

定子上端面開(kāi)有一圈梳狀齒槽，下端面通過(guò)粘接劑粘有環(huán)狀壓電陶瓷片，定、轉(zhuǎn)子之間依靠碟簧形變所產(chǎn)生的軸向壓力壓緊在一起。2025/2/125.3行波型超聲波電動(dòng)機(jī)

5.3.1電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

壓電陶瓷按下圖極化，即可產(chǎn)生兩個(gè)在時(shí)間和空間上都相差90°的駐波。

壓電陶瓷環(huán)極化為A、B兩個(gè)相區(qū)，為驅(qū)動(dòng)的兩相電極；兩相區(qū)之間有λ/4的S區(qū)域未極化，利用正壓電效應(yīng)實(shí)時(shí)產(chǎn)生反映定子振動(dòng)狀態(tài)的反饋信號(hào)作為控制驅(qū)動(dòng)電源的輸出頻率。

另有3λ/4區(qū)域作為A、B相區(qū)公共區(qū)。每隔λ/2沿厚度方向極化。相鄰兩個(gè)分區(qū)極化方向相反，分別以“+”“-”表示，電壓激勵(lì)下，一段收縮，另一段伸長(zhǎng)，構(gòu)成一個(gè)波長(zhǎng)為λ的彈性波。2025/2/12

5.3行波型超聲波電動(dòng)機(jī)5.3.2工作原理定子行波的產(chǎn)生

將極化方向相反的壓電陶瓷片粘貼于彈性體上，壓電陶瓷施加交變電壓時(shí)，產(chǎn)生交替伸縮形變，在一定電壓和頻率作用下，彈性體產(chǎn)生駐波，用方程表示為A、B區(qū)駐波在時(shí)間和空間上分別相差90°，方程為在彈性體中，兩列駐波疊加可得2025/2/12

5.3行波型超聲波電動(dòng)機(jī)5.3.2工作原理定子表面質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡

定子A區(qū)和B區(qū)施加對(duì)稱周期性激勵(lì)電壓，在定子圓環(huán)表面圓周上形成行波。行波的振幅比其波長(zhǎng)小得多，彈性體彎曲角度φ很小，z方向位移近似為彈性體厚度h，h0=h/2。彈性體表面任一點(diǎn)P在彈性體未撓曲時(shí)的位置為P0，從P0到P在z方向的位移為從P0到P在x方向位移為2025/2/12

5.3行波型超聲波電動(dòng)機(jī)5.3.2工作原理定子表面質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡

彈性體表面任意一點(diǎn)P按橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)，使表面質(zhì)點(diǎn)對(duì)移動(dòng)體產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，且運(yùn)動(dòng)方向與行波傳播方向相反。彈性體彎曲角度φ為整理得x方向的位移近似為

彈性體制成環(huán)形結(jié)構(gòu)，受到壓電陶瓷激勵(lì)產(chǎn)生逆時(shí)針彎曲行波時(shí)，表面質(zhì)點(diǎn)呈現(xiàn)順時(shí)針?lè)较驒E圓旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

在摩擦力的驅(qū)動(dòng)下，轉(zhuǎn)子壓緊在彈性體表面就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。

為增大定、轉(zhuǎn)子接觸處的振動(dòng)速度，定子表面開(kāi)槽，提高超聲波電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率，改善電機(jī)的性能。2025/2/12

5.3行波型超聲波電動(dòng)機(jī)5.3.3轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)速度

調(diào)節(jié)激振頻率可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。保持兩相駐波等幅的前提下，忽略激勵(lì)電壓的非線性對(duì)壓電陶瓷應(yīng)變的影響，改變駐波振幅，即調(diào)節(jié)壓電陶瓷的激勵(lì)電壓，可以做到線性調(diào)速，這是調(diào)壓調(diào)速的一大優(yōu)點(diǎn)。彈性體表面質(zhì)點(diǎn)沿x方向運(yùn)動(dòng)速度為沿x方向的運(yùn)動(dòng)速度在行波的波峰和波谷處最大。最大速度為“-”表示移動(dòng)體運(yùn)動(dòng)方向與行波行進(jìn)方向相反。若定、轉(zhuǎn)子之間沒(méi)有滑動(dòng)，且轉(zhuǎn)子表面與定子振動(dòng)波形相切，則轉(zhuǎn)子速度=橢圓最高點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度。實(shí)際上，定子與轉(zhuǎn)子表面存在滑動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際速度<假設(shè)行波移動(dòng)速度v為常數(shù)，由行波特點(diǎn)上式可得f

為電動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率。2025/2/12

5.3行波型超聲波電動(dòng)機(jī)5.3.4電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性

運(yùn)行特性主要是指轉(zhuǎn)速、效率和輸出功率等與輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。這些特性與電機(jī)類型和控制方式有關(guān)。

機(jī)械特性與直流電機(jī)相似，但電機(jī)轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增大快速下降，并且明顯呈現(xiàn)出非線性的變化趨勢(shì)。

效率特性與直流電機(jī)明顯不同，最大效率出現(xiàn)在低速、大轉(zhuǎn)矩區(qū)域，故超聲波電動(dòng)機(jī)適合低速運(yùn)行。

效率較低，環(huán)形行波型超聲波電機(jī)效率一般不超過(guò)45%。2025/2/125.4行波型超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制5.4.1驅(qū)動(dòng)控制方法

電壓幅值控制改變電壓幅值可以直接改變行波的振幅。但是電壓過(guò)低，壓電元件有可能不起振，電壓過(guò)高又會(huì)接近壓電元件的工作極限，實(shí)際應(yīng)用中一般不采用調(diào)壓調(diào)速方案。

變頻控制調(diào)節(jié)諧振點(diǎn)附近的頻率可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，頻率控制對(duì)超聲波電機(jī)最為合適。由于電動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)在諧振點(diǎn)附近，故調(diào)頻具有響應(yīng)快的特點(diǎn)。但是電動(dòng)機(jī)工作時(shí)由于諧振頻率的漂移，控制系統(tǒng)要有自動(dòng)跟蹤頻率變化的反饋回路。2025/2/125.4行波型超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制5.4.1驅(qū)動(dòng)控制方法

相位差控制改變兩相電壓的相位差，可以改變定子表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。但是這種控制方法低速啟動(dòng)困難，驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)較復(fù)雜。

正反脈寬調(diào)幅控制調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)正反脈寬比例（占空比）即可實(shí)現(xiàn)速度控制。

在以上四種控制方式中，由于變頻控制響應(yīng)快、易于實(shí)現(xiàn)低速起動(dòng)，應(yīng)用得最多。2025/2/12

5.4行波型超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制5.4.2驅(qū)動(dòng)控制電路

超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路主要由高頻信號(hào)發(fā)生電路、移相電路、功率放大電路和頻率自動(dòng)跟蹤電路四部分組成。

驅(qū)動(dòng)控制電路為超聲波電機(jī)提供一定幅值、相位差90°的高頻激勵(lì)電壓信號(hào)。

高頻信號(hào)發(fā)生電路是驅(qū)動(dòng)電路的核心。用于產(chǎn)生超聲頻率的激勵(lì)信號(hào)。

超聲頻率信號(hào)可以由諧振電路、計(jì)算機(jī)控制的定時(shí)計(jì)數(shù)器和壓控振蕩電路等多種方法產(chǎn)生。

為保證超聲波電動(dòng)機(jī)始終在最佳驅(qū)動(dòng)頻率下工作，驅(qū)動(dòng)電源中設(shè)置自動(dòng)頻率跟蹤電路。2025/2/12

5.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)5.5.1駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)

定子激勵(lì)單純駐波振動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置或與其他運(yùn)動(dòng)組合，把往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為橢圓運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

由蘭杰文振子（由兩塊金屬夾持兩片壓電陶瓷元件，并用螺栓緊固在一起）、振子前端的楔形振動(dòng)片和轉(zhuǎn)子三部分組成。

振子端面沿長(zhǎng)度方向振動(dòng)，楔形結(jié)構(gòu)振動(dòng)片的前端面與轉(zhuǎn)子表面傾斜接觸，誘發(fā)振動(dòng)片前端向上運(yùn)動(dòng)，形成橫向共振。

縱、橫向振動(dòng)的合成使振動(dòng)片前端質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡近似為橢圓，滿足超聲波電機(jī)運(yùn)動(dòng)的形成機(jī)理。

楔形超聲波電機(jī)以縱振動(dòng)為驅(qū)動(dòng)力，前端振動(dòng)片在驅(qū)動(dòng)力作用下橫向彎曲振動(dòng)，從而撥動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

楔形超聲波電動(dòng)機(jī)2025/2/125.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)5.5.1駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)

定子由兩個(gè)獨(dú)立的振子組成?？v振子控制定子與轉(zhuǎn)子之間的摩擦力，扭振子控制輸出轉(zhuǎn)矩?？v向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)在定子彈性體合成為質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)。

一個(gè)振動(dòng)周期，當(dāng)定子做伸長(zhǎng)縱向運(yùn)動(dòng)時(shí)，定子與轉(zhuǎn)子接觸，扭轉(zhuǎn)振子的運(yùn)動(dòng)通過(guò)摩擦力傳遞給轉(zhuǎn)子，以輸出轉(zhuǎn)矩。當(dāng)定子做縮短縱向運(yùn)動(dòng)時(shí)，定子與轉(zhuǎn)子脫離，定子相反方向的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不傳遞給轉(zhuǎn)子，保證轉(zhuǎn)子單方向旋轉(zhuǎn)。

兩種復(fù)合運(yùn)動(dòng)可以獨(dú)立控制，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大，工作穩(wěn)定，可雙向旋轉(zhuǎn)。

縱扭復(fù)合型超聲波電動(dòng)機(jī)2025/2/125.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)5.5.2直線型超聲波電動(dòng)機(jī)

利用兩個(gè)蘭杰文振子作為激振器和吸振器的結(jié)構(gòu)型式。

激振器上外加激勵(lì)電壓產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)，使梁振動(dòng)。此時(shí)吸振器受到梁的振動(dòng)產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，所產(chǎn)生的能量消耗在與之相連的負(fù)載上。

當(dāng)吸振器能很好地吸收激振器傳來(lái)的振動(dòng)波時(shí)，有限長(zhǎng)直梁就好像變成了半無(wú)限長(zhǎng)直梁，形成單向行波。

與環(huán)形行波型超聲波電機(jī)工作原理相同，梁表面質(zhì)點(diǎn)做橢圓運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)移動(dòng)體做直線運(yùn)動(dòng)。

激振器和吸收器調(diào)換位置，形成反向行波，實(shí)現(xiàn)反向運(yùn)動(dòng)。2025/2/125.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)5.5.3多自由度超聲波電動(dòng)機(jī)

在高性能機(jī)器人的柔性關(guān)節(jié)、人形機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)和全方位仿生運(yùn)動(dòng)的球形關(guān)節(jié)等應(yīng)用場(chǎng)合，要求輸出軸能全方位運(yùn)動(dòng)，即要求有多個(gè)自由度的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

兩自由度球形超聲波電動(dòng)機(jī)

主要由一個(gè)球形轉(zhuǎn)子和兩個(gè)定子組成。

定子與行波型超聲波電機(jī)定子類似，但端面加工成內(nèi)凹球面，以便與球形轉(zhuǎn)子保持良好接觸。

定子位于空間不同位置，每個(gè)定子可驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子繞相應(yīng)軸線旋轉(zhuǎn)，故電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)自由度。2025/2/125.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)

三自由度超聲波電動(dòng)機(jī)5.5.3多自由度超聲波電動(dòng)機(jī)

電機(jī)定子為圓柱體，轉(zhuǎn)子為球體。

定子采用螺桿結(jié)構(gòu)，把金屬?gòu)椥泽w和3組6片壓電陶瓷元件及電極片夾持在一起。

彎曲振子的壓電陶瓷元件分割為兩部分，相互反向極化。壓電陶瓷按極性相反順序兩兩疊合為一組。

為激發(fā)正交彎曲振動(dòng)模態(tài)，兩彎曲振動(dòng)陶瓷元件在空間相位差90°，即U、V兩組激發(fā)彎曲振動(dòng)，W組激發(fā)縱向振動(dòng)。

質(zhì)點(diǎn)彎曲振動(dòng)與縱向振動(dòng)合成為橢圓運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)彎曲振動(dòng)合成行波，因此任意兩組壓電陶瓷通電都可以驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子沿相應(yīng)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)為兩兩正交的三自由度。2025/2/125.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)5.5.4桿式壓電電動(dòng)機(jī)

將壓電驅(qū)動(dòng)、諧波傳動(dòng)和活齒傳動(dòng)集成于一體，利用活齒嚙合取代定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦力來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，減小摩擦和磨損，提高電動(dòng)機(jī)的工作效率和使用壽命。

壓電陶瓷片組驅(qū)動(dòng)型

由電機(jī)定子（提供動(dòng)力）和活齒傳動(dòng)系統(tǒng)兩部分組成。

定子包括上配重塊、下配重塊和壓電陶瓷片組。陶瓷片組通過(guò)定子上、下配重塊上的螺紋連接并壓緊。

活齒傳動(dòng)系統(tǒng)主要由激波器（柔輪）、活齒架、活齒和中心輪組成。2025/2/125.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)2025/2/12

壓電陶瓷片組由5片壓電陶瓷片、3片接電片和2片地極片組成。每片陶瓷片表面鍍銀，上表面分兩個(gè)區(qū)，一個(gè)正向極化，另一個(gè)反向極化，下表面不分區(qū)為全電極。

當(dāng)極化方向與所加電壓的電場(chǎng)方向一致時(shí)，此分區(qū)產(chǎn)生伸長(zhǎng)變形，反之將產(chǎn)生壓縮變形。

每片陶瓷片在交變電壓產(chǎn)生的交變電場(chǎng)作用下，若其頻率接近定子的一階彎曲共振頻率時(shí)，將使定子上配重塊產(chǎn)生彎曲共振。

取4片陶瓷片，將其分為U相和V相兩組。

壓電陶瓷片組驅(qū)動(dòng)型5.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)

當(dāng)定子中的壓電陶瓷片組U相和V相同時(shí)施加同頻、同幅的正弦和余弦交變電壓（其頻率接近定子一階彎曲共振頻率）時(shí)，定子將產(chǎn)生左右和前后方向的彎曲共振模態(tài)，這兩個(gè)共振模態(tài)的合成使定子上端圓周面呈現(xiàn)出一階勻速旋轉(zhuǎn)彎曲共振模態(tài)。

反饋相利用壓電陶瓷片的正壓電效應(yīng)產(chǎn)生的交變電壓，作為反饋電壓對(duì)電機(jī)定子彎曲狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行控制，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定。2025/2/12

壓電陶瓷片組驅(qū)動(dòng)型5.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)

定子彎曲經(jīng)與之配合的柔輪放大后，柔輪對(duì)活齒將產(chǎn)生徑向推力，迫使與中心輪嚙合的活齒在沿活齒架均布的徑向?qū)Р垡苿?dòng)的同時(shí)，也沿著中心輪工作齒廓滑滾。

活齒架的徑向?qū)Р弁苿?dòng)活齒架以等角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)與之固連的輸出軸旋轉(zhuǎn)。

與中心輪非嚙合的活齒，在活齒架均布的徑向?qū)Р鄯赐谱饔孟?，順序地返回工作起始位置?/p>

傳動(dòng)系統(tǒng)完成了由定子彎曲運(yùn)動(dòng)到輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換過(guò)程。2025/2/12

壓電陶瓷片組驅(qū)動(dòng)型5.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)

若用ns

表示柔輪旋轉(zhuǎn)速度，nR

表示活齒架旋轉(zhuǎn)速度，O表示活齒架旋轉(zhuǎn)中心，O’表示柔輪幾何中心，則壓電陶瓷片組驅(qū)動(dòng)型桿式壓電電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)見(jiàn)右圖。

壓電陶瓷片組驅(qū)動(dòng)型2025/2/12

5.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)2025/2/12

由驅(qū)動(dòng)部分和傳動(dòng)部分構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)部分包括壓電疊堆、彈性體、擺動(dòng)體和調(diào)整彈簧，傳動(dòng)部分包括波發(fā)生器、中心輪、活齒架和活齒。

壓電疊堆驅(qū)動(dòng)型

壓電疊堆驅(qū)動(dòng)型

由兩個(gè)互為90°布置于下殼體內(nèi)側(cè)的壓電疊堆提供動(dòng)力。

未工作時(shí)，各零件在調(diào)整彈簧彈力的作用下緊密接觸，擺動(dòng)體朝彈性體一側(cè)偏移。

工作時(shí)，被施加正弦和余弦信號(hào)的壓電疊堆產(chǎn)生伸縮變形，作用于彈性體再傳遞給擺動(dòng)體，實(shí)現(xiàn)前后和左右擺動(dòng)，通過(guò)彈性體和擺動(dòng)體兩級(jí)位移放大，與擺動(dòng)體固連的波發(fā)生器圓周形成連續(xù)性行波。

波發(fā)生器推動(dòng)活齒沿中心輪齒廓移動(dòng)，活齒帶動(dòng)活齒架和轉(zhuǎn)子發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。5.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)2025/2/125.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)5.5.5旋轉(zhuǎn)尺蠖壓電電動(dòng)機(jī)

驅(qū)動(dòng)器根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率可分為準(zhǔn)靜態(tài)驅(qū)動(dòng)器和超聲驅(qū)動(dòng)器。

尺蠖壓電電動(dòng)機(jī)屬于準(zhǔn)靜態(tài)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率較低。

該電機(jī)以壓電疊堆為驅(qū)動(dòng)源，因定子的特殊結(jié)構(gòu)，工作時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可產(chǎn)生角位移，具有鉗位裝置可調(diào)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能夠?qū)崿F(xiàn)大行程與高精度、高分辨率很好兼容等優(yōu)點(diǎn)。

基于尺蠖運(yùn)動(dòng)機(jī)理的壓電電機(jī)逐漸應(yīng)用于高精密測(cè)量、微小機(jī)器人、精密加工裝配和納米科學(xué)儀器等領(lǐng)域。2025/2/125.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)5.5.5旋轉(zhuǎn)尺蠖壓電電動(dòng)機(jī)

旋轉(zhuǎn)尺蠖壓電電機(jī)主要由軸承、轉(zhuǎn)子、鉗位機(jī)構(gòu)、壓電疊堆、底板、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、基座和底座組成。

2025/2/125.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)5.5.5旋轉(zhuǎn)尺蠖壓電電動(dòng)機(jī)

施加圖(a)時(shí)序信號(hào)，壓電疊堆1伸長(zhǎng)，鉗位機(jī)構(gòu)3頂住轉(zhuǎn)子。

施加圖(b)時(shí)序信號(hào)，壓電疊堆5伸長(zhǎng)，由于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)利用杠桿位移放大原理，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)7發(fā)生彎曲。鉗位機(jī)構(gòu)3帶動(dòng)轉(zhuǎn)子9順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)一定角度θ。

2025/2/125.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)5.5.5旋轉(zhuǎn)尺蠖壓電電動(dòng)機(jī)

施加圖(c)時(shí)序信號(hào)，壓電疊堆2伸長(zhǎng)頂住轉(zhuǎn)子后撤消壓電疊堆1和5的電壓信號(hào)，鉗位機(jī)構(gòu)3和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)7恢復(fù)原狀。鉗位機(jī)構(gòu)4帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)角度θ。2025/2/125.5其他構(gòu)型壓電電動(dòng)機(jī)5.5.5旋轉(zhuǎn)尺蠖壓電電動(dòng)機(jī)

施加圖(d)時(shí)序信號(hào)，壓電疊堆6伸長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)8發(fā)生彎曲，鉗位機(jī)構(gòu)4再帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)角度θ。

撤消壓電疊堆2和6電壓信號(hào)，鉗位機(jī)構(gòu)4和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)8恢復(fù)原狀。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)角度3θ，完成周期動(dòng)作。

時(shí)序信號(hào)回到初始狀態(tài)，壓電疊堆1開(kāi)始伸長(zhǎng)，重復(fù)上述動(dòng)作實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)動(dòng)。2025/2/125.6壓電電動(dòng)機(jī)在關(guān)節(jié)機(jī)器人中的應(yīng)用5.6.1關(guān)節(jié)機(jī)器人結(jié)構(gòu)

關(guān)節(jié)機(jī)器人各關(guān)節(jié)均采用超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)。每一關(guān)節(jié)配備一臺(tái)中空型旋轉(zhuǎn)編碼器，與電機(jī)輸出軸固聯(lián)于一起，超聲電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)編碼器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)位置測(cè)量。

各關(guān)節(jié)與超聲電機(jī)直接連接，可以提供低速大扭矩，沒(méi)有減速齒輪，不存在齒輪傳動(dòng)的間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，使整個(gè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)緊湊輕巧。2025/2/125.6壓電電動(dòng)機(jī)在關(guān)節(jié)機(jī)器人中的應(yīng)用5.6.2關(guān)節(jié)機(jī)器人控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是機(jī)器人的神經(jīng)中樞，是實(shí)現(xiàn)各種控制算法和控制策略的實(shí)際載體。機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、輸入/輸出設(shè)備及裝置、關(guān)節(jié)執(zhí)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和傳感器系統(tǒng)等各子系統(tǒng)組成。2025/2/125.6壓電電動(dòng)機(jī)在關(guān)節(jié)機(jī)器人中的應(yīng)用5.6.2