環(huán)形行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動技術(shù)：原理、現(xiàn)狀與前沿探索一、引言1.1研究背景與意義隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，電機(jī)作為實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、航空航天、醫(yī)療設(shè)備等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用。傳統(tǒng)電磁電機(jī)在很長一段時(shí)間內(nèi)占據(jù)著主導(dǎo)地位，然而，隨著應(yīng)用場景對電機(jī)性能要求的不斷提高，其局限性也逐漸凸顯，如低速扭矩不足、響應(yīng)速度較慢、存在電磁干擾等問題。在這樣的背景下，超聲波電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，為解決傳統(tǒng)電機(jī)的不足提供了新的途徑。超聲波電機(jī)的發(fā)展歷程可以追溯到20世紀(jì)40年代，當(dāng)時(shí)人們就已經(jīng)知曉其工作原理，但受限于壓電陶瓷材料性能和電力電子技術(shù)水平，一直未能取得實(shí)質(zhì)性突破。直到80年代，具有高轉(zhuǎn)換效率的壓電陶瓷材料的出現(xiàn)以及電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，才推動了超聲波電機(jī)的研究與開發(fā)。1987年，佳能公司將圓環(huán)型行波超聲波電機(jī)應(yīng)用于EOS相機(jī)自動調(diào)焦系統(tǒng)，標(biāo)志著超聲波電機(jī)正式進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用階段。此后，日本在超聲波電機(jī)的研究和生產(chǎn)方面一直處于世界領(lǐng)先地位，掌握著大量相關(guān)技術(shù)的發(fā)明專利。同時(shí)，美國、德國、法國、中國等國家也相繼開展了對超聲波電機(jī)的研究，使得超聲波電機(jī)的技術(shù)不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。環(huán)形行波型超聲波電機(jī)作為超聲波電機(jī)中的一種重要類型，具有諸多顯著優(yōu)勢。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，其采用環(huán)形行波型共振片作為驅(qū)動器，結(jié)構(gòu)相對簡單緊湊，易于加工制造，且體積小、重量輕，這一特點(diǎn)使其在對空間尺寸和重量有嚴(yán)格要求的場合，如航空航天、微型機(jī)器人等領(lǐng)域具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。從運(yùn)行性能來看，它能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高速高扭矩的轉(zhuǎn)動，定位精度可達(dá)到納米級別，能夠滿足精密儀器、光學(xué)設(shè)備等對運(yùn)動精度要求極高的應(yīng)用場景。在動態(tài)響應(yīng)方面，環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的響應(yīng)速度極快，能夠快速啟動、停止和改變運(yùn)行方向，適用于需要快速動作的設(shè)備。此外，它還具有無電磁干擾、運(yùn)行無噪聲、斷電自鎖等優(yōu)點(diǎn)，在對電磁環(huán)境敏感以及需要保持位置的場合，如醫(yī)療設(shè)備、電子儀器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。驅(qū)動技術(shù)作為環(huán)形行波型超聲波電機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵支撐，對其性能的發(fā)揮起著決定性作用。研究環(huán)形行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動技術(shù)具有多方面的重要意義。在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，深入探究驅(qū)動技術(shù)有助于完善超聲波電機(jī)的理論體系，揭示其工作過程中的內(nèi)在物理機(jī)制，為進(jìn)一步優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)和控制策略提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。通過對驅(qū)動技術(shù)的研究，可以更加深入地了解壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)、超聲振動的產(chǎn)生與傳播規(guī)律以及定轉(zhuǎn)子之間的摩擦耦合機(jī)理，從而推動相關(guān)學(xué)科的交叉融合與發(fā)展。在工業(yè)應(yīng)用層面，高性能的驅(qū)動技術(shù)能夠顯著提升環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的性能和可靠性，使其更好地滿足不同工業(yè)領(lǐng)域的需求。在自動化生產(chǎn)線上，高精度、高響應(yīng)速度的超聲波電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的運(yùn)動控制，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量；在機(jī)器人領(lǐng)域，快速響應(yīng)和高扭矩輸出的驅(qū)動技術(shù)能夠增強(qiáng)機(jī)器人的靈活性和負(fù)載能力，拓展其應(yīng)用范圍。驅(qū)動技術(shù)的改進(jìn)還能夠降低電機(jī)的能耗和成本，提高能源利用效率，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場競爭力。在未來發(fā)展趨勢方面，隨著科技的不斷進(jìn)步，如人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)與超聲波電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的深度融合，將為環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的發(fā)展帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。研究驅(qū)動技術(shù)將有助于推動超聲波電機(jī)在更多新興領(lǐng)域的應(yīng)用，如智能家居、智能交通、生物醫(yī)療等，為實(shí)現(xiàn)智能化、自動化的社會發(fā)展目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀環(huán)形行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動技術(shù)作為一個具有重要應(yīng)用價(jià)值的研究領(lǐng)域，在國內(nèi)外都受到了廣泛的關(guān)注，眾多科研機(jī)構(gòu)和學(xué)者圍繞其展開了深入研究，取得了一系列成果，同時(shí)也存在一些有待解決的問題。在國外，日本在環(huán)形行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動技術(shù)研究方面起步較早，處于世界領(lǐng)先地位。自20世紀(jì)80年代以來，日本眾多高校和企業(yè)積極投入到超聲波電機(jī)的研究與開發(fā)中，掌握了大量的核心技術(shù)和發(fā)明專利。例如，佳能公司將環(huán)形行波型超聲波電機(jī)應(yīng)用于EOS相機(jī)自動調(diào)焦系統(tǒng)，充分展示了該類型電機(jī)在精密光學(xué)設(shè)備中的優(yōu)勢，推動了其在商業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。此后，日本不斷拓展環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的應(yīng)用范圍，在家電產(chǎn)品、自動門、風(fēng)扇、微動臺、控制臺等領(lǐng)域也實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。在驅(qū)動技術(shù)研究上，日本學(xué)者對壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)、超聲振動的產(chǎn)生與傳播規(guī)律進(jìn)行了深入研究，提出了多種驅(qū)動控制方法，如調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)幅等控制策略，并在實(shí)際應(yīng)用中不斷優(yōu)化這些方法，以提高電機(jī)的性能和可靠性。東京工業(yè)大學(xué)研制了定、轉(zhuǎn)子距離為0.05mm、轉(zhuǎn)速為4400r/min的非接觸式行波型超聲波電動機(jī)，為超聲波電機(jī)的發(fā)展開辟了新的方向。美國在該領(lǐng)域的研究也取得了顯著進(jìn)展，眾多高校和科研機(jī)構(gòu)如麻省理工學(xué)院（MIT）、美國航空航天局（NASA）、噴射推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）等積極參與研究。美國將環(huán)形行波型超聲波電機(jī)重點(diǎn)應(yīng)用于航空航天、半導(dǎo)體工業(yè)、MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）、BioMEMS（生物微機(jī)電系統(tǒng)）等高科技領(lǐng)域。例如，NASA將超聲波電機(jī)用于火星探測器的輕量機(jī)械臂上，采用超聲波電機(jī)取代有刷直流電機(jī)后，機(jī)械臂重量減輕了40%，且工作空間大大縮小。在驅(qū)動技術(shù)方面，美國的研究側(cè)重于提高電機(jī)的效率、響應(yīng)速度和控制精度，通過采用先進(jìn)的控制算法和電力電子技術(shù)，開發(fā)出了高性能的驅(qū)動系統(tǒng)。麻省理工學(xué)院在行波型超聲波電動機(jī)方面獲得了很多成果，與噴氣推進(jìn)器實(shí)驗(yàn)室合作開展了超聲波電動機(jī)在太空環(huán)境中應(yīng)用的研究，為其在特殊環(huán)境下的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。歐洲的德國、法國等國家也在環(huán)形行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動技術(shù)研究方面取得了一定成果。德國的研究注重基礎(chǔ)理論和材料科學(xué)，通過改進(jìn)壓電陶瓷材料的性能，提高電機(jī)的輸出性能和可靠性。法國則在電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制策略方面進(jìn)行了深入研究，提出了一些新穎的設(shè)計(jì)理念和控制方法，為電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。國內(nèi)對環(huán)形行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究起步相對較晚，但發(fā)展迅速。自“首次全國超聲電機(jī)技術(shù)研討會”后，在國家自然科學(xué)基金會和863高技術(shù)專家組的大力支持和資助下，清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、長春光機(jī)所、哈爾濱工程大學(xué)水聲研究所、吉林工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、北京科技大學(xué)、天津大學(xué)、上海冶金研究所、華中科技大學(xué)、東南大學(xué)、信息產(chǎn)業(yè)部電子第21研究所等十幾所單位積極開展相關(guān)研究。國內(nèi)學(xué)者在環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作原理、驅(qū)動控制等方面進(jìn)行了深入探索，取得了一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的研究成果。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，國內(nèi)研究人員通過優(yōu)化定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高電機(jī)的輸出性能和效率。例如，一些研究提出了新型的定子結(jié)構(gòu)，采用特殊的齒槽設(shè)計(jì)或材料組合，增強(qiáng)了超聲振動的激發(fā)和傳遞效率，從而提高了電機(jī)的扭矩輸出和轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性。在驅(qū)動控制技術(shù)方面，國內(nèi)學(xué)者開展了廣泛而深入的研究。一方面，對傳統(tǒng)的調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)幅等控制方法進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，結(jié)合先進(jìn)的控制算法，如PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，提高了電機(jī)的控制精度和動態(tài)響應(yīng)性能。通過實(shí)驗(yàn)研究，分析了不同控制方法對電機(jī)性能的影響，為實(shí)際應(yīng)用中選擇合適的控制策略提供了依據(jù)。另一方面，針對環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的特殊工作特性，如容性負(fù)載、摩擦非線性、諧振頻率漂移等問題，提出了相應(yīng)的解決方案。研發(fā)了頻率自動跟蹤電路，以適應(yīng)壓電陶瓷諧振頻率的變化，保證電機(jī)始終工作在最佳狀態(tài)；采用先進(jìn)的功率驅(qū)動電路，提高了驅(qū)動系統(tǒng)的效率和可靠性，降低了無功損耗。盡管國內(nèi)外在環(huán)形行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動技術(shù)方面取得了豐碩的成果，但目前仍存在一些不足之處。在理論研究方面，雖然對電機(jī)的工作原理和特性有了一定的認(rèn)識，但對于一些復(fù)雜的物理現(xiàn)象和內(nèi)在機(jī)制，如定轉(zhuǎn)子之間的摩擦耦合機(jī)理、超聲振動在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的傳播特性等，還需要進(jìn)一步深入研究，以建立更加完善的理論模型，為電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能提升提供更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在驅(qū)動技術(shù)方面，現(xiàn)有的驅(qū)動系統(tǒng)在效率、成本、體積和可靠性等方面仍有待進(jìn)一步提高。一些驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，不利于大規(guī)模應(yīng)用；部分驅(qū)動系統(tǒng)的效率較低，能源浪費(fèi)較大；同時(shí)，在面對復(fù)雜的工作環(huán)境和工況變化時(shí)，驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。在應(yīng)用方面，雖然環(huán)形行波型超聲波電機(jī)在一些領(lǐng)域得到了應(yīng)用，但應(yīng)用范圍還不夠廣泛，在一些對電機(jī)性能要求苛刻的高端領(lǐng)域，如高端航空航天設(shè)備、精密醫(yī)療儀器等，其性能和可靠性還需要進(jìn)一步驗(yàn)證和提升，以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入探究環(huán)形行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動技術(shù)，通過理論分析、仿真研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等手段，全面提升電機(jī)的性能和可靠性，為其在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。在電機(jī)工作原理研究方面，將深入剖析環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的工作原理，從壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)出發(fā)，研究超聲振動的產(chǎn)生與傳播規(guī)律，建立精確的理論模型，分析定轉(zhuǎn)子之間的摩擦耦合機(jī)理，揭示電機(jī)運(yùn)行過程中的內(nèi)在物理機(jī)制?；趶椥粤W(xué)和振動理論，推導(dǎo)壓電陶瓷在交變電場作用下的振動方程，結(jié)合定轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料特性，建立考慮摩擦損耗、能量轉(zhuǎn)換效率等因素的電機(jī)數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)的驅(qū)動技術(shù)研究和性能優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。驅(qū)動技術(shù)研究是本課題的核心內(nèi)容。針對環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的特性，研究多種驅(qū)動控制方法，如調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)幅等，并對這些方法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以提高電機(jī)的控制精度和動態(tài)響應(yīng)性能。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)頻率自動跟蹤電路，使其能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測壓電陶瓷的諧振頻率變化，并自動調(diào)整驅(qū)動信號的頻率，確保電機(jī)始終工作在最佳狀態(tài)，提高電機(jī)的效率和穩(wěn)定性。研究高效的功率驅(qū)動電路，采用先進(jìn)的電力電子器件和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，降低驅(qū)動電路的損耗，提高驅(qū)動系統(tǒng)的效率和可靠性。探索新型的控制算法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，并將其應(yīng)用于環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的驅(qū)動控制中，以適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境和工況變化，進(jìn)一步提高電機(jī)的控制性能。本研究還將開展電機(jī)性能實(shí)驗(yàn)研究。搭建環(huán)形行波型超聲波電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺，對電機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行測試和分析，包括轉(zhuǎn)速、扭矩、效率、定位精度等。通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證理論分析和仿真結(jié)果的正確性，為電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和驅(qū)動技術(shù)的改進(jìn)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。在實(shí)驗(yàn)過程中，研究不同工作條件下電機(jī)的性能變化規(guī)律，如負(fù)載變化、溫度變化、電源電壓波動等對電機(jī)性能的影響，為電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用提供參考。最后，本研究將對環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行拓展探索，分析其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求和優(yōu)勢，提出針對性的解決方案。針對航空航天領(lǐng)域?qū)﹄姍C(jī)體積小、重量輕、可靠性高的需求，研究如何優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)和驅(qū)動技術(shù)，以滿足該領(lǐng)域的應(yīng)用要求；在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，考慮到對電磁干擾的嚴(yán)格限制和對運(yùn)動精度的高要求，探索如何進(jìn)一步提高電機(jī)的性能和穩(wěn)定性，使其更好地應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備中。對環(huán)形行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望，為相關(guān)研究和應(yīng)用提供參考方向。1.4研究方法與創(chuàng)新點(diǎn)本研究綜合運(yùn)用多種研究方法，確保研究的科學(xué)性、全面性和深入性，力求在環(huán)形行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域取得創(chuàng)新性成果。在文獻(xiàn)研究方面，廣泛收集國內(nèi)外關(guān)于環(huán)形行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)資料，包括學(xué)術(shù)論文、專利、研究報(bào)告等。對這些文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)梳理和分析，全面了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及存在的問題。通過文獻(xiàn)研究，掌握前人在電機(jī)工作原理、驅(qū)動控制方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化等方面的研究成果和經(jīng)驗(yàn)，為本文的研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和研究思路。深入分析佳能公司將環(huán)形行波型超聲波電機(jī)應(yīng)用于EOS相機(jī)自動調(diào)焦系統(tǒng)的相關(guān)文獻(xiàn)，了解其驅(qū)動技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢，從中汲取有益的經(jīng)驗(yàn)，為本文的研究提供參考。理論分析是本研究的重要方法之一?；趶椥粤W(xué)、振動理論和壓電材料的逆壓電效應(yīng)，深入分析環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的工作原理，建立精確的數(shù)學(xué)模型。通過理論推導(dǎo)，研究超聲振動的產(chǎn)生與傳播規(guī)律，分析定轉(zhuǎn)子之間的摩擦耦合機(jī)理，揭示電機(jī)運(yùn)行過程中的內(nèi)在物理機(jī)制。利用彈性力學(xué)中的薄板理論，推導(dǎo)壓電陶瓷在交變電場作用下的振動方程，結(jié)合定轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料特性，建立考慮摩擦損耗、能量轉(zhuǎn)換效率等因素的電機(jī)數(shù)學(xué)模型，為驅(qū)動技術(shù)的研究和性能優(yōu)化提供理論依據(jù)。為了驗(yàn)證理論分析的正確性，本研究采用實(shí)驗(yàn)研究方法。搭建環(huán)形行波型超聲波電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺，對電機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行測試和分析，包括轉(zhuǎn)速、扭矩、效率、定位精度等。通過實(shí)驗(yàn)，研究不同工作條件下電機(jī)的性能變化規(guī)律，如負(fù)載變化、溫度變化、電源電壓波動等對電機(jī)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅可以驗(yàn)證理論分析和仿真結(jié)果的正確性，還能為電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和驅(qū)動技術(shù)的改進(jìn)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。在實(shí)驗(yàn)過程中，使用高精度的傳感器和測量儀器，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。通過改變實(shí)驗(yàn)條件，多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，獲取大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以揭示電機(jī)性能的變化規(guī)律。仿真模擬也是本研究的重要手段。利用專業(yè)的仿真軟件，如ANSYS、COMSOL等，建立環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的仿真模型。通過仿真模擬，研究電機(jī)在不同工作條件下的性能表現(xiàn)，優(yōu)化電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和驅(qū)動控制策略。仿真模擬可以快速、準(zhǔn)確地預(yù)測電機(jī)的性能，為實(shí)驗(yàn)研究提供指導(dǎo)，減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)和成本。在ANSYS軟件中建立環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的三維模型，模擬壓電陶瓷在交變電場作用下的振動情況，分析定轉(zhuǎn)子之間的接觸應(yīng)力和摩擦力分布，優(yōu)化定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以提高電機(jī)的輸出性能和效率。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面。在驅(qū)動控制方法上，提出了一種基于自適應(yīng)模糊PID控制的新型驅(qū)動控制策略。該策略結(jié)合了模糊控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn)，能夠根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和工作環(huán)境的變化，實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的精確控制。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該控制策略能夠有效提高電機(jī)的控制精度和動態(tài)響應(yīng)性能，使電機(jī)在不同的工作條件下都能穩(wěn)定運(yùn)行。在驅(qū)動電路設(shè)計(jì)方面，研發(fā)了一種新型的諧振升壓式驅(qū)動電路。該電路利用電路諧振實(shí)現(xiàn)無變壓器驅(qū)動超聲波電機(jī)，解決了傳統(tǒng)驅(qū)動電路中變壓器體積大、重量重、通用性差等問題。應(yīng)用此電路驅(qū)動定子直徑為30mm的環(huán)形行波超聲波電機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電路在超聲波電機(jī)的小功率驅(qū)動控制中具有實(shí)用性和可靠性，與傳統(tǒng)采用變壓器的驅(qū)動控制裝置相比，使用該電路裝置的體積至少可以減少1/3，重量減輕1/2，制作成本降低1/5，便于集成化生產(chǎn)。在電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，提出了一種新型的定子結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化定子的齒槽形狀和分布，增強(qiáng)了超聲振動的激發(fā)和傳遞效率，提高了電機(jī)的扭矩輸出和轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該新型定子結(jié)構(gòu)能夠有效提升電機(jī)的性能，為環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新的思路。二、環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的基本原理2.1超聲波電機(jī)概述超聲波電機(jī)（UltrasonicMotor，簡稱USM）是一種基于全新工作原理的微特電機(jī)，它利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)換為彈性體的超聲振動，并通過摩擦傳動的方式，把這種超聲振動轉(zhuǎn)換為運(yùn)動體的回轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動。與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)截然不同，超聲波電機(jī)沒有繞組與磁路，不依靠電磁作用來傳遞能量，而是以超聲頻域的機(jī)械振動作為驅(qū)動源，是多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物，涉及振動學(xué)、波動學(xué)、摩擦學(xué)、動態(tài)設(shè)計(jì)、電力電子、自動控制、新材料和新工藝等多個學(xué)科領(lǐng)域。超聲波電機(jī)的發(fā)展歷程充滿了探索與突破。其雛形最早可追溯到20世紀(jì)40年代，1948年Williams和Brown申請了第一個“壓電馬達(dá)”專利，為超聲波電機(jī)的研究奠定了基礎(chǔ)。1961年，Bulova公司利用彈性振動驅(qū)動鐘表，進(jìn)一步推動了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。1973年，美國IBM公司的H.VBarth博士和前蘇聯(lián)的V.H.Lavrinenko等人研制出原理性的超聲電機(jī)，標(biāo)志著超聲波電機(jī)從理論走向?qū)嵺`。然而，在這一時(shí)期，由于壓電陶瓷材料性能和電力電子技術(shù)水平的限制，超聲波電機(jī)的發(fā)展較為緩慢。直到80年代，具有高轉(zhuǎn)換效率的壓電陶瓷材料的出現(xiàn)以及電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，為超聲波電機(jī)的研究與開發(fā)注入了新的活力。1982年，Sashida提出駐波旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，解決了驅(qū)動問題；1983年，又提出行波旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，解決了穩(wěn)定性問題；1985年，提出直線超聲電機(jī)方案，包括環(huán)梁式和直梁式。1987年，佳能公司將桿式行波超聲電機(jī)應(yīng)用到EOS相機(jī)鏡頭的調(diào)焦系統(tǒng)，這一標(biāo)志性事件標(biāo)志著超聲波電機(jī)正式進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用階段。此后，超聲波電機(jī)的研究和應(yīng)用得到了迅速發(fā)展，日本、美國、俄羅斯、德國等國家競相研制各種類型和用途的超聲電機(jī)，使其種類日益豐富，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。從工作原理來看，超聲波電機(jī)利用了壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)。當(dāng)在壓電陶瓷上施加交變電場時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)，壓電陶瓷會產(chǎn)生微觀機(jī)械振動。當(dāng)外加電場的交變頻率與壓電陶瓷的機(jī)械諧振頻率一致時(shí)，壓電陶瓷進(jìn)入機(jī)械諧振狀態(tài)，振動幅度顯著增大。這種超聲振動通過共振放大和摩擦耦合作用，將微觀的振動轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子或滑塊的宏觀運(yùn)動。具體來說，實(shí)現(xiàn)超聲波驅(qū)動需要滿足兩個關(guān)鍵前提條件：一是在定子表面激勵出穩(wěn)態(tài)的質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動軌跡，這一過程對應(yīng)著機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，即利用逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動能；二是將定子表面質(zhì)點(diǎn)水平方向的微觀運(yùn)動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的宏觀運(yùn)動或平動，通常通過定轉(zhuǎn)子間的摩擦力來實(shí)現(xiàn)這一運(yùn)動形式的轉(zhuǎn)化，近年來也出現(xiàn)了通過氣體或液體為中間介質(zhì)的非接觸型超聲波電機(jī)，即聲懸浮超聲波電機(jī)。從超聲電機(jī)的工作原理可以看出，其正常工作離不開機(jī)電轉(zhuǎn)換和摩擦轉(zhuǎn)換這兩個能量轉(zhuǎn)換作用。機(jī)電轉(zhuǎn)換作用是指壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，即對壓電陶瓷振子施加高頻振蕩電流，使其以超聲波的頻率振動；摩擦轉(zhuǎn)換作用則是指彈性體（定子與壓電陶瓷的合稱）的振動經(jīng)過定子與轉(zhuǎn)子工作面間的摩擦作用，轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)子的直線運(yùn)動或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。為了保證超聲波電機(jī)能夠輸出大力矩且止動性良好，必須確保這兩個能量轉(zhuǎn)換作用有效且穩(wěn)定。根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，超聲波電機(jī)可以分為多種類型。按波的傳播方式，可分為行波型超聲波電機(jī)和駐波型超聲波電機(jī)；按轉(zhuǎn)子的運(yùn)動形式，可分為旋轉(zhuǎn)型超聲波電機(jī)和直線型超聲波電機(jī)；按轉(zhuǎn)子運(yùn)動自由度，可分為單自由度超聲波電機(jī)和多自由度超聲波電機(jī)；按定轉(zhuǎn)子接觸情況，可分為接觸式超聲波電機(jī)和非接觸式超聲波電機(jī)。其中，環(huán)形行波型超聲波電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)相對簡單、運(yùn)行性能良好等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中較為廣泛，其基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)也相對較為成熟。與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比，超聲波電機(jī)具有諸多顯著的優(yōu)勢。在低速大轉(zhuǎn)矩方面，超聲波電機(jī)彈性振動體的振動速度和依靠摩擦傳遞能量的方式?jīng)Q定了它是一種低速電機(jī)，但其能量密度是電磁電機(jī)的5到10倍左右，使得它不需要減速機(jī)構(gòu)就能在低速時(shí)獲得大轉(zhuǎn)矩，可直接帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，不僅減小了體積、重量，還提高了系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度。在電磁兼容性上，電磁式電機(jī)在外界磁場的影響下不能正常工作，其產(chǎn)生的磁場也會影響周圍對磁敏感設(shè)備的正常運(yùn)行，而超聲波電機(jī)的構(gòu)成不需要線圈與磁鐵，本身不產(chǎn)生電磁波，所以外部磁場對其影響較小，能夠在對電磁環(huán)境要求苛刻的場合穩(wěn)定工作。超聲波電機(jī)還具備斷電自鎖的特性，在斷電時(shí)，定子與轉(zhuǎn)子之間的靜摩擦力使電機(jī)具有較大的靜態(tài)保持力矩，從而實(shí)現(xiàn)自鎖，省去了制動閘，簡化了定位控制，其動態(tài)響應(yīng)時(shí)間也較短，能夠快速啟動、停止和改變運(yùn)行方向，滿足快速動作的需求。在定位精度上，超聲波電機(jī)依靠定子的超聲振動來驅(qū)動轉(zhuǎn)子運(yùn)動，超聲振動的振幅一般在微米數(shù)量級，在直接反饋系統(tǒng)中，位置分辨率高，容易實(shí)現(xiàn)較高的定位控制精度，能夠滿足精密儀器、光學(xué)設(shè)備等對運(yùn)動精度要求極高的應(yīng)用場景。超聲波電機(jī)的振動體的機(jī)械振動是人耳聽不到的超聲振動，且不需要減速機(jī)構(gòu)，因此不存在減速機(jī)構(gòu)的噪聲，運(yùn)行非常安靜，適合在對噪聲敏感的環(huán)境中使用。其獨(dú)特的驅(qū)動機(jī)理適應(yīng)了多種多樣結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)的需要，為了應(yīng)用于不同的安裝環(huán)境，其外形可以根據(jù)需要改變，具有很強(qiáng)的設(shè)計(jì)靈活性。當(dāng)然，超聲波電機(jī)也存在一些不足之處。例如，由于其依靠定轉(zhuǎn)子之間的摩擦傳遞能量，摩擦損耗較大，導(dǎo)致電機(jī)的效率相對較低；同時(shí)，摩擦部件的磨損也使得超聲波電機(jī)的壽命較短，限制了其在一些對使用壽命要求較高的場合的應(yīng)用。盡管存在這些缺點(diǎn)，但隨著材料科學(xué)、制造工藝和控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，超聲波電機(jī)的性能正在逐步提升，其應(yīng)用前景依然十分廣闊。2.2環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理2.2.1結(jié)構(gòu)組成環(huán)形行波型超聲波電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、摩擦材料以及一些輔助結(jié)構(gòu)組成，各部分結(jié)構(gòu)緊密配合，共同實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效運(yùn)行。定子是環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的關(guān)鍵部件之一，它的作用是產(chǎn)生超聲振動，并將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。定子通常由彈性體和壓電陶瓷兩部分組成。彈性體一般采用具有良好彈性和機(jī)械性能的金屬材料，如不銹鋼、硬鋁或銅等，其形狀為環(huán)形，在電機(jī)運(yùn)行過程中，彈性體起到支撐和傳遞振動的作用。壓電陶瓷則粘貼在彈性體的一側(cè)，它是實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的核心材料。壓電陶瓷具有逆壓電效應(yīng)，當(dāng)在其兩端施加交變電場時(shí)，會產(chǎn)生微觀機(jī)械振動。為了在定子中激勵出特定的振動模式，壓電陶瓷通常被分割成多個極化分區(qū)，相鄰分區(qū)的極化方向相反。在電壓激勵下，這些分區(qū)會分別伸張和收縮，從而在定子彈性體中形成彎曲振動。極化分區(qū)還可組成三個電極，其中兩個電極用于驅(qū)動環(huán)形超聲波電機(jī)，利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生振動；另一個電極作為傳感器區(qū)，利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)產(chǎn)生反饋電壓，該電壓可實(shí)時(shí)反映定子的振動情況，其反饋信號可用于控制驅(qū)動電源的輸出頻率。定子上還開有齒槽，其作用是放大定子表面振動的振幅，使轉(zhuǎn)子能夠獲得較大的輸出能量。轉(zhuǎn)子是電機(jī)的輸出部件，它在定子產(chǎn)生的摩擦力矩作用下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動，將機(jī)械能輸出以驅(qū)動負(fù)載。轉(zhuǎn)子一般為圓環(huán)形狀，其材料通常選擇具有一定強(qiáng)度和韌性的金屬或工程塑料。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高電機(jī)的性能，轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布和轉(zhuǎn)動慣量需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以確保電機(jī)能夠平穩(wěn)、高效地運(yùn)行。摩擦材料在環(huán)形行波型超聲波電機(jī)中起著至關(guān)重要的作用，它位于定子和轉(zhuǎn)子的接觸表面，用于傳遞定子的振動能量，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動。摩擦材料的性能直接影響電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、效率和壽命等關(guān)鍵性能指標(biāo)。理想的摩擦材料應(yīng)具備高摩擦系數(shù)、良好的耐磨性、較低的磨損率、穩(wěn)定的摩擦性能以及與定轉(zhuǎn)子材料良好的相容性等特點(diǎn)。常用的摩擦材料有橡膠、樹脂基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等。橡膠材料具有較高的摩擦系數(shù)和良好的柔韌性，但耐磨性相對較差；樹脂基復(fù)合材料綜合性能較好，通過添加不同的增強(qiáng)相和填料，可以調(diào)整其摩擦系數(shù)、耐磨性等性能；陶瓷基復(fù)合材料則具有優(yōu)異的耐磨性和高溫穩(wěn)定性，但成本較高，加工難度較大。在實(shí)際選擇摩擦材料時(shí)，需要根據(jù)電機(jī)的具體應(yīng)用場景和性能要求進(jìn)行綜合考慮。除了定子、轉(zhuǎn)子和摩擦材料外，環(huán)形行波型超聲波電機(jī)還可能包括一些輔助結(jié)構(gòu)，如壓力彈簧、轉(zhuǎn)軸、外殼等。壓力彈簧用于在定子和轉(zhuǎn)子之間施加一定的預(yù)壓力，確保定轉(zhuǎn)子之間有良好的接觸和足夠的摩擦力，從而保證電機(jī)能夠穩(wěn)定地輸出轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)軸則連接轉(zhuǎn)子，將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動傳遞給負(fù)載。外殼起到保護(hù)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、防塵、防潮等作用，同時(shí)也為電機(jī)的安裝和固定提供支撐。這些輔助結(jié)構(gòu)雖然不直接參與電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換和驅(qū)動過程，但對于電機(jī)的正常運(yùn)行和性能發(fā)揮起著重要的保障作用。2.2.2工作原理環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的工作原理基于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)、超聲振動的產(chǎn)生與傳播以及定轉(zhuǎn)子之間的摩擦耦合作用，通過一系列復(fù)雜的物理過程實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的高效轉(zhuǎn)換和輸出。壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)是環(huán)形行波型超聲波電機(jī)工作的基礎(chǔ)。壓電效應(yīng)是1880年由法國的居里兄弟首先發(fā)現(xiàn)的，它包括正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)是指在某些電介質(zhì)晶體上施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)，晶體發(fā)生極化，并導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面內(nèi)出現(xiàn)極性相反的束縛電荷，其電荷密度與外力成正比；逆壓電效應(yīng)則相反，當(dāng)在晶體上施加電場時(shí)，晶體內(nèi)部正負(fù)電荷的重心會發(fā)生位移，這一極化位移又會導(dǎo)致晶體發(fā)生形變。超聲波電機(jī)正是利用了逆壓電效應(yīng)進(jìn)行工作。當(dāng)在壓電陶瓷上施加交變電場時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)，壓電陶瓷會產(chǎn)生微觀機(jī)械振動。當(dāng)外加電場的交變頻率與壓電陶瓷的機(jī)械諧振頻率一致時(shí)，壓電陶瓷進(jìn)入機(jī)械諧振狀態(tài)，振動幅度顯著增大，此時(shí)的振動頻率在20kHz以上，屬于超聲振動。在環(huán)形行波型超聲波電機(jī)中，定子行波的產(chǎn)生是實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動的關(guān)鍵步驟。由于壓電陶瓷相鄰分區(qū)的極化方向相反，在共振頻率的交流電壓激勵下，相鄰極化區(qū)將會分別伸張和收縮，從而在定子彈性體中激勵出彎曲振動。設(shè)A區(qū)和B區(qū)的駐波振動分別為y_{A}=A_{1}\cos(\omegat)\cos(kx)和y_{B}=A_{2}\cos(\omegat+\frac{\pi}{2})\cos(kx)（其中A_{1}、A_{2}為振幅，\omega為角頻率，k為波數(shù)，x為位置坐標(biāo)，t為時(shí)間），兩列駐波疊加可得y=y_{A}+y_{B}=A_{1}\cos(\omegat)\cos(kx)+A_{2}\cos(\omegat+\frac{\pi}{2})\cos(kx)。當(dāng)A_{1}=A_{2}=A時(shí)，經(jīng)過三角函數(shù)運(yùn)算，可得到y(tǒng)=A\cos(\omegat-kx)，這便是沿x正向行進(jìn)的行波。通過合理設(shè)計(jì)壓電陶瓷的極化分區(qū)和電極布置，以及選擇合適的驅(qū)動電源頻率和電壓，可以在定子中激發(fā)出穩(wěn)定的行波。行波在定子中傳播時(shí)，會使定子表面的質(zhì)點(diǎn)做橢圓運(yùn)動，這是實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動的重要條件。在行波的彎曲傳播過程中，定子表面的質(zhì)點(diǎn)在垂直方向和水平方向同時(shí)具有振動分量，其合成運(yùn)動軌跡為橢圓。具體來說，設(shè)質(zhì)點(diǎn)在垂直方向的振動位移為u_{y}=A_{y}\cos(\omegat)，在水平方向的振動位移為u_{x}=A_{x}\cos(\omegat+\varphi)（其中\(zhòng)varphi為時(shí)間相位差），當(dāng)\varphi\neq0且\varphi\neq\pi時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡為橢圓。橢圓運(yùn)動的轉(zhuǎn)向由相位差\varphi決定，當(dāng)\varphi\gt0時(shí)橢圓運(yùn)動為順時(shí)針方向，當(dāng)\varphi\lt0時(shí)橢圓運(yùn)動為逆時(shí)針方向，而橢圓運(yùn)動的轉(zhuǎn)向又決定了定子對轉(zhuǎn)子的撥動方向，從而決定了超聲波電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向。當(dāng)定子表面質(zhì)點(diǎn)做橢圓運(yùn)動時(shí)，通過定轉(zhuǎn)子之間的摩擦力，將定子的振動能量傳遞給轉(zhuǎn)子，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子與定子相接觸的一面涂有摩擦材料，定子表面質(zhì)點(diǎn)在橢圓運(yùn)動過程中，與轉(zhuǎn)子表面接觸時(shí)會產(chǎn)生摩擦力，當(dāng)A點(diǎn)運(yùn)動到橢圓的上半圓時(shí)，將與轉(zhuǎn)子表面接觸，并通過摩擦作用撥動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；當(dāng)A點(diǎn)運(yùn)動到橢圓的下半周時(shí)，將與轉(zhuǎn)子表面脫離，并反向回程。如果這種橢圓運(yùn)動連續(xù)不斷的進(jìn)行下去，則對轉(zhuǎn)子就具有連續(xù)定向的撥動，從而使轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷的旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子的運(yùn)動速度由定子表面質(zhì)點(diǎn)的振幅和頻率決定，振幅大則速度快；同時(shí)，加大定子、轉(zhuǎn)子間壓力，增加其間的摩擦力，也會增大轉(zhuǎn)子受到的力矩，從而提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。2.3電機(jī)運(yùn)行特性分析環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的運(yùn)行特性是評估其性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，深入研究這些特性以及影響它們的因素，對于優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)、提高驅(qū)動技術(shù)水平具有至關(guān)重要的意義。轉(zhuǎn)速是環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的關(guān)鍵性能參數(shù)之一，它直接影響電機(jī)在不同應(yīng)用場景中的適用性。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與多個因素密切相關(guān)。激勵頻率是影響轉(zhuǎn)速的重要因素之一，根據(jù)電機(jī)的工作原理，當(dāng)激勵頻率接近定子的諧振頻率時(shí)，定子的振動幅度增大，從而使轉(zhuǎn)子獲得更大的驅(qū)動力，轉(zhuǎn)速相應(yīng)提高。通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，隨著激勵頻率的增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)近似線性增長的趨勢。當(dāng)激勵頻率從20kHz增加到25kHz時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速從100r/min提高到150r/min。然而，當(dāng)激勵頻率超過一定值后，由于電機(jī)內(nèi)部能量損耗的增加以及定轉(zhuǎn)子之間摩擦狀態(tài)的變化，轉(zhuǎn)速的增長趨勢逐漸變緩，甚至可能出現(xiàn)下降的情況。這是因?yàn)檫^高的激勵頻率會導(dǎo)致壓電陶瓷的發(fā)熱加劇，從而使其性能下降，同時(shí)也會增加定轉(zhuǎn)子之間的摩擦損耗，降低能量轉(zhuǎn)換效率。電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也與多個因素有關(guān)。定轉(zhuǎn)子之間的預(yù)壓力是影響轉(zhuǎn)矩輸出的關(guān)鍵因素之一，適當(dāng)增加預(yù)壓力可以增大定轉(zhuǎn)子之間的摩擦力，從而提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。當(dāng)預(yù)壓力從0.5N增加到1N時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩從0.05N?m提高到0.1N?m。但是，預(yù)壓力過大也會帶來一些負(fù)面影響，如增加摩擦損耗、降低電機(jī)效率以及加速摩擦材料的磨損等。摩擦材料的性能對轉(zhuǎn)矩輸出也有著重要影響，高摩擦系數(shù)的摩擦材料能夠提供更大的摩擦力，有利于提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。橡膠摩擦材料的摩擦系數(shù)相對較高，在相同條件下，使用橡膠摩擦材料的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩比使用其他摩擦材料的電機(jī)要高。然而，橡膠材料的耐磨性較差，長期使用后摩擦系數(shù)會下降，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩輸出不穩(wěn)定。因此，在選擇摩擦材料時(shí)，需要綜合考慮其摩擦系數(shù)、耐磨性等性能指標(biāo)。效率是衡量環(huán)形行波型超聲波電機(jī)能量轉(zhuǎn)換能力的重要指標(biāo)，它反映了電機(jī)在將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能過程中的能量損失情況。電機(jī)的效率受到多種因素的影響，其中能量損耗是主要因素之一。能量損耗主要包括壓電陶瓷的電損耗、機(jī)械振動損耗以及定轉(zhuǎn)子之間的摩擦損耗等。壓電陶瓷在交變電場作用下會產(chǎn)生電損耗，這是由于壓電陶瓷內(nèi)部的電阻以及極化過程中的能量損失所導(dǎo)致的。機(jī)械振動損耗則是由于定子在振動過程中與周圍介質(zhì)的摩擦以及自身的內(nèi)耗所引起的。定轉(zhuǎn)子之間的摩擦損耗是由于兩者之間的相對運(yùn)動以及摩擦材料的特性所造成的。這些能量損耗都會降低電機(jī)的效率，因此，減少能量損耗是提高電機(jī)效率的關(guān)鍵。通過優(yōu)化壓電陶瓷的材料性能、改進(jìn)定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及選擇合適的摩擦材料等措施，可以有效地降低能量損耗，提高電機(jī)的效率。采用低電阻的壓電陶瓷材料可以減少電損耗，優(yōu)化定子的形狀和尺寸可以降低機(jī)械振動損耗，選擇耐磨且摩擦系數(shù)穩(wěn)定的摩擦材料可以減少摩擦損耗。溫度對電機(jī)的運(yùn)行特性也有著顯著的影響。隨著電機(jī)運(yùn)行時(shí)間的增加，由于能量損耗的存在，電機(jī)內(nèi)部會產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致溫度升高。溫度升高會使壓電陶瓷的性能發(fā)生變化，如壓電常數(shù)減小、諧振頻率漂移等，從而影響電機(jī)的輸出性能。當(dāng)溫度升高10℃時(shí)，壓電陶瓷的壓電常數(shù)可能會減小5%，導(dǎo)致電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速下降。溫度升高還會使摩擦材料的性能發(fā)生改變，如摩擦系數(shù)降低、磨損加劇等，進(jìn)一步影響電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。為了保證電機(jī)在不同溫度環(huán)境下的正常運(yùn)行，需要采取有效的散熱措施，如增加散熱片、采用風(fēng)冷或水冷等方式，降低電機(jī)的溫度，同時(shí)還需要研究溫度對電機(jī)性能的影響規(guī)律，以便在控制策略中進(jìn)行補(bǔ)償和調(diào)整。電機(jī)的運(yùn)行特性對驅(qū)動技術(shù)提出了多方面的要求。在轉(zhuǎn)速控制方面，需要驅(qū)動技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)精確的頻率調(diào)節(jié)，以滿足不同轉(zhuǎn)速需求，并能夠根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整激勵頻率，保證電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。針對電機(jī)轉(zhuǎn)速隨激勵頻率變化的特性，驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)具備高精度的頻率控制能力，能夠快速、準(zhǔn)確地調(diào)整激勵頻率，使電機(jī)在不同工況下都能穩(wěn)定運(yùn)行。在轉(zhuǎn)矩控制方面，驅(qū)動技術(shù)需要能夠精確控制定轉(zhuǎn)子之間的預(yù)壓力，同時(shí)根據(jù)負(fù)載變化實(shí)時(shí)調(diào)整驅(qū)動信號，以保證電機(jī)輸出足夠的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)負(fù)載突然增加時(shí)，驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)能夠及時(shí)增加驅(qū)動信號的幅值或調(diào)整控制策略，使電機(jī)輸出更大的轉(zhuǎn)矩，以克服負(fù)載阻力。在效率優(yōu)化方面，驅(qū)動技術(shù)需要考慮如何降低能量損耗，提高能量轉(zhuǎn)換效率，如采用高效的功率驅(qū)動電路、優(yōu)化控制算法等。采用諧振式功率驅(qū)動電路可以減少電路中的無功損耗，提高驅(qū)動系統(tǒng)的效率；采用智能控制算法，如自適應(yīng)控制、模糊控制等，可以根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，優(yōu)化能量轉(zhuǎn)換過程，提高電機(jī)的效率。三、環(huán)形行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動技術(shù)關(guān)鍵要點(diǎn)3.1驅(qū)動技術(shù)概述環(huán)形行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電機(jī)高效、穩(wěn)定運(yùn)行的核心支撐，其發(fā)展歷程緊密伴隨著超聲波電機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，在不斷的探索與創(chuàng)新中逐步完善。從概念上講，環(huán)形行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動技術(shù)是指通過特定的電路和控制方法，將電能轉(zhuǎn)化為適合電機(jī)運(yùn)行的驅(qū)動信號，以激發(fā)壓電陶瓷產(chǎn)生超聲振動，進(jìn)而驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)動控制。這一技術(shù)涵蓋了多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)、控制策略的制定以及與電機(jī)本體的協(xié)同工作等。其目的在于充分發(fā)揮環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)高精度、高速度、高扭矩的運(yùn)動輸出，同時(shí)滿足不同應(yīng)用場景對電機(jī)性能的嚴(yán)格要求。驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展歷程與超聲波電機(jī)的發(fā)展息息相關(guān)。在超聲波電機(jī)發(fā)展的早期階段，由于壓電陶瓷材料性能和電力電子技術(shù)水平的限制，驅(qū)動技術(shù)相對簡單且性能有限。當(dāng)時(shí)主要采用一些基本的電路結(jié)構(gòu)和控制方法，如簡單的電壓驅(qū)動和頻率控制，難以充分發(fā)揮超聲波電機(jī)的性能優(yōu)勢。隨著材料科學(xué)和電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，具有高轉(zhuǎn)換效率的壓電陶瓷材料的出現(xiàn)以及新型電力電子器件的應(yīng)用，為驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展提供了有力支持。研究人員開始探索更加復(fù)雜和高效的驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)，如諧振式驅(qū)動電路、逆變式驅(qū)動電路等，以提高驅(qū)動系統(tǒng)的效率和性能?？刂撇呗砸矎暮唵蔚念l率控制向更加智能和精確的方向發(fā)展，引入了PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進(jìn)的控制算法，以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)的精確控制。早期的環(huán)形行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動技術(shù)主要采用簡單的電壓驅(qū)動方式，通過直接施加交流電壓來激勵壓電陶瓷。這種驅(qū)動方式雖然結(jié)構(gòu)簡單，但存在諸多缺點(diǎn)，如驅(qū)動效率低、電機(jī)性能不穩(wěn)定等。隨著研究的深入，為了提高驅(qū)動效率和電機(jī)性能，諧振式驅(qū)動電路應(yīng)運(yùn)而生。諧振式驅(qū)動電路利用電路的諧振特性，使壓電陶瓷在諧振狀態(tài)下工作，從而提高了電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效率。通過合理設(shè)計(jì)電感和電容的參數(shù)，使電路在特定頻率下發(fā)生諧振，為壓電陶瓷提供高電壓、大電流的激勵信號，增強(qiáng)了超聲振動的激發(fā)效果，提高了電機(jī)的輸出性能。然而，諧振式驅(qū)動電路對電路參數(shù)的匹配要求較高，調(diào)試難度較大。為了克服諧振式驅(qū)動電路的局限性，逆變式驅(qū)動電路逐漸得到應(yīng)用。逆變式驅(qū)動電路通過將直流電源轉(zhuǎn)換為高頻交流電源，為壓電陶瓷提供驅(qū)動信號。這種驅(qū)動方式具有靈活性高、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對電機(jī)的精確調(diào)速和轉(zhuǎn)矩控制。采用PWM（脈沖寬度調(diào)制）技術(shù)的逆變式驅(qū)動電路，可以通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來控制輸出電壓的大小，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制。同時(shí)，逆變式驅(qū)動電路還可以方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，滿足不同應(yīng)用場景的需求。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，逆變式驅(qū)動電路的性能和可靠性不斷提高，成為目前環(huán)形行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的主流。在控制策略方面，早期主要采用簡單的頻率控制方法，通過調(diào)整驅(qū)動信號的頻率來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種控制方法雖然簡單易行，但控制精度較低，難以滿足對電機(jī)性能要求較高的應(yīng)用場景。隨著控制理論的不斷發(fā)展，PID控制算法被引入到環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的驅(qū)動控制中。PID控制算法通過對電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和反饋，根據(jù)偏差值調(diào)整控制信號，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的精確控制。在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制中，PID控制器可以根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)速值與實(shí)際轉(zhuǎn)速值的偏差，自動調(diào)整驅(qū)動信號的頻率或電壓，使電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值附近，有效提高了控制精度和穩(wěn)定性。然而，PID控制算法對電機(jī)模型的依賴性較強(qiáng)，在面對電機(jī)參數(shù)變化和外界干擾時(shí)，控制性能會受到一定影響。為了提高環(huán)形行波型超聲波電機(jī)在復(fù)雜工況下的控制性能，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制算法逐漸得到應(yīng)用。模糊控制算法不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型，通過模糊推理和決策來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。它能夠根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和專家經(jīng)驗(yàn)，制定相應(yīng)的控制規(guī)則，對電機(jī)進(jìn)行靈活、自適應(yīng)的控制。在電機(jī)負(fù)載變化時(shí)，模糊控制器可以根據(jù)負(fù)載變化情況自動調(diào)整控制策略，保證電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法則具有強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力和非線性映射能力，能夠通過對大量數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，建立電機(jī)的精確模型，并實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的智能控制。通過訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使其學(xué)習(xí)電機(jī)在不同工況下的運(yùn)行特性，從而能夠根據(jù)實(shí)時(shí)的輸入信號準(zhǔn)確地預(yù)測電機(jī)的輸出，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的精確控制。這些智能控制算法的應(yīng)用，使環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的驅(qū)動技術(shù)更加智能化、高效化，能夠更好地滿足現(xiàn)代工業(yè)對電機(jī)性能的嚴(yán)格要求。3.2驅(qū)動電源技術(shù)3.2.1驅(qū)動電源的要求與特點(diǎn)環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的正常運(yùn)行離不開性能優(yōu)良的驅(qū)動電源，驅(qū)動電源的特性直接影響著電機(jī)的運(yùn)行效果和性能表現(xiàn)，因此，對驅(qū)動電源提出了一系列嚴(yán)格且獨(dú)特的要求。環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的工作原理決定了驅(qū)動電源必須能夠提供高頻、高壓的交流信號。由于電機(jī)利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)換為超聲振動，進(jìn)而驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，而超聲振動的頻率通常在20kHz以上，屬于超聲波頻段，所以驅(qū)動電源需要輸出高頻交流信號，以滿足電機(jī)的工作頻率要求。一般來說，驅(qū)動電源的輸出頻率應(yīng)在20kHz-100kHz之間，具體數(shù)值根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)而定。壓電陶瓷在工作時(shí)需要較高的電壓激勵，才能產(chǎn)生足夠幅度的超聲振動，從而驅(qū)動電機(jī)正常運(yùn)行。驅(qū)動電源需要提供高壓交流信號，電壓幅值通常在幾十伏到幾百伏之間，以確保壓電陶瓷能夠充分發(fā)揮其逆壓電效應(yīng)。驅(qū)動電源應(yīng)具備頻率、相位和幅值的精確調(diào)節(jié)功能。在電機(jī)運(yùn)行過程中，不同的工作條件和負(fù)載需求可能需要調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)，而這些參數(shù)的調(diào)整可以通過改變驅(qū)動電源的頻率、相位和幅值來實(shí)現(xiàn)。通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電源的頻率，可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因?yàn)殡姍C(jī)的轉(zhuǎn)速與驅(qū)動電源的頻率密切相關(guān)，在一定范圍內(nèi)，頻率越高，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快。調(diào)整驅(qū)動電源的相位，可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，通過改變兩路驅(qū)動信號之間的相位差，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)驅(qū)動電源的幅值，可以改變電機(jī)的輸出扭矩，幅值越大，電機(jī)輸出的扭矩越大。因此，驅(qū)動電源需要具備精確的頻率、相位和幅值調(diào)節(jié)功能，以滿足電機(jī)在不同工況下的運(yùn)行需求。為了提高電機(jī)系統(tǒng)的整體性能和穩(wěn)定性，驅(qū)動電源還需要具備高效率和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。高效率意味著驅(qū)動電源能夠?qū)⑤斎氲碾娔苡行У剞D(zhuǎn)換為電機(jī)所需的驅(qū)動能量，減少能量損耗，降低運(yùn)行成本。驅(qū)動電源的能量轉(zhuǎn)換效率應(yīng)在80%以上，以確保能源的有效利用。高穩(wěn)定性則要求驅(qū)動電源在工作過程中，輸出的電壓、頻率和相位等參數(shù)能夠保持穩(wěn)定，不受外界干擾和電源波動的影響。這對于保證電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和精確控制至關(guān)重要。在電機(jī)運(yùn)行過程中，如果驅(qū)動電源的輸出參數(shù)不穩(wěn)定，可能會導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速波動、扭矩輸出不均勻等問題，影響電機(jī)的性能和可靠性。驅(qū)動電源還需要具備良好的電磁兼容性，以避免對周圍電子設(shè)備產(chǎn)生干擾，同時(shí)自身也要具備較強(qiáng)的抗干擾能力，確保在復(fù)雜的電磁環(huán)境中能夠正常工作。在現(xiàn)代電子設(shè)備密集的環(huán)境中，電磁干擾問題日益突出，驅(qū)動電源如果不能滿足電磁兼容性要求，可能會對周圍的電子設(shè)備造成干擾，影響其正常運(yùn)行。驅(qū)動電源自身也容易受到外界電磁干擾的影響，如果抗干擾能力不足，可能會導(dǎo)致輸出信號異常，影響電機(jī)的正常工作。因此，驅(qū)動電源需要采取有效的電磁屏蔽和濾波措施，提高其電磁兼容性和抗干擾能力。驅(qū)動電源還應(yīng)具備過壓保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)等功能，以確保在異常情況下能夠保護(hù)電機(jī)和驅(qū)動電源本身，防止損壞。當(dāng)驅(qū)動電源輸出電壓過高時(shí)，可能會損壞壓電陶瓷和其他電子元件；當(dāng)輸出電流過大時(shí)，可能會導(dǎo)致電路過熱，甚至引發(fā)火災(zāi)；當(dāng)驅(qū)動電源內(nèi)部溫度過高時(shí)，會影響其性能和壽命。因此，驅(qū)動電源需要配備相應(yīng)的保護(hù)電路，當(dāng)檢測到異常情況時(shí)，能夠及時(shí)切斷電源或采取其他保護(hù)措施，保障電機(jī)和驅(qū)動電源的安全運(yùn)行。3.2.2諧振升壓式驅(qū)動電路諧振升壓式驅(qū)動電路是一種高效的環(huán)形行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動電路，它利用電路諧振原理實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的驅(qū)動，在小功率驅(qū)動控制中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。諧振升壓式驅(qū)動電路的工作原理基于電感和電容的諧振特性。在該電路中，主要包含電感、電容、開關(guān)器件以及二極管等元件。假設(shè)電感L1與固有電容Cd構(gòu)成諧振電路，而定子的等效電感Lm、等效電容Cm和等效電阻Rm串聯(lián)看作負(fù)載。當(dāng)開關(guān)Sw1閉合時(shí)，電感L1通過電源儲能，電流逐漸增大，電感中儲存的能量也不斷增加。當(dāng)Sw1斷開時(shí)，電感L1的電能部分釋放到電容Cd上，由于電感和電容的諧振作用，在超聲波電機(jī)的輸入端產(chǎn)生高電壓Uc。通過開關(guān)Sw1的不斷切換，在超聲波電機(jī)的輸入端就可以獲得高電壓周期信號。在這個過程中，二極管D起到整流的作用，阻止電流回流，使驅(qū)動電壓能夠保持在一個比較高的電壓水平上。當(dāng)電流反向時(shí)，二極管D截止，防止電流倒流，確保電容Cd上的電荷不會流失，從而維持高電壓輸出。在實(shí)際工作過程中，諧振升壓式驅(qū)動電路可以分為兩個主要階段。在t=t0時(shí)，i=i0，Sw1閉合，此時(shí)電感L1開始儲能，電流逐漸上升，這個階段為線性階段。當(dāng)t=t1時(shí)，Sw1斷開，電感L1與電容Cd組成諧振電路，i(t1)=i1，uc(t1)=0。根據(jù)換路定理，輸入電流i1繼續(xù)增大，電路進(jìn)入諧振階段。在諧振階段，電路中的電流和電壓按照正弦規(guī)律變化，當(dāng)電路達(dá)到諧振狀態(tài)時(shí)，電感和電容的阻抗相互抵消，電路呈現(xiàn)純電阻性質(zhì)，此時(shí)電流和電壓同相，電路獲得最大驅(qū)動電壓。通過合理設(shè)計(jì)電感L1和電容Cd的參數(shù)，可以使電路在特定頻率下發(fā)生諧振，為超聲波電機(jī)提供高電壓、大電流的激勵信號，增強(qiáng)超聲振動的激發(fā)效果，提高電機(jī)的輸出性能。諧振升壓式驅(qū)動電路具有諸多性能優(yōu)勢。與傳統(tǒng)采用變壓器的驅(qū)動電路相比，它無需變壓器，從而解決了變壓器體積大、重量重、通用性差等問題。這使得驅(qū)動電路的體積和重量大幅減小，便于集成化生產(chǎn)，尤其適用于對體積和重量要求苛刻的應(yīng)用場合，如便攜式設(shè)備、微型機(jī)器人等。采用該電路驅(qū)動定子直徑為30mm的環(huán)形行波超聲波電機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)驅(qū)動控制裝置相比，使用該電路裝置的體積至少可以減少1/3，重量減輕1/2，制作成本降低1/5。諧振升壓式驅(qū)動電路利用電路諧振實(shí)現(xiàn)升壓，提高了能量轉(zhuǎn)換效率，能夠更有效地將電能轉(zhuǎn)化為電機(jī)所需的驅(qū)動能量，降低了能量損耗，提高了驅(qū)動電源的效率。該電路還具有輸出電壓穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，能夠?yàn)殡姍C(jī)提供穩(wěn)定的驅(qū)動電壓，保證電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。通過調(diào)整電路參數(shù)和控制開關(guān)的切換頻率，可以精確控制輸出電壓的大小和頻率，滿足電機(jī)在不同工況下的運(yùn)行需求。為了驗(yàn)證諧振升壓式驅(qū)動電路的可行性和有效性，可以通過實(shí)驗(yàn)或仿真進(jìn)行分析。在實(shí)驗(yàn)中，搭建諧振升壓式驅(qū)動電路實(shí)驗(yàn)平臺，連接環(huán)形行波型超聲波電機(jī)，測量電路的輸出電壓、電流以及電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)。通過改變電路參數(shù)，如電感、電容的數(shù)值，觀察電機(jī)性能的變化，驗(yàn)證電路的性能優(yōu)勢。利用PSpice等仿真軟件對諧振升壓式驅(qū)動電路進(jìn)行仿真分析，模擬電路在不同工作條件下的運(yùn)行情況，得到輸出電壓同驅(qū)動占空比的關(guān)系近似為線性，同串聯(lián)電感的平方根成反比的結(jié)論，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，進(jìn)一步驗(yàn)證電路的理論分析和性能特點(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)和仿真驗(yàn)證，充分證明了諧振升壓式驅(qū)動電路在環(huán)形行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動控制中的可行性和有效性，為其實(shí)際應(yīng)用提供了有力的支持。3.2.3其他典型驅(qū)動電路除了諧振升壓式驅(qū)動電路，在環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的驅(qū)動技術(shù)中，推挽、半橋、全橋驅(qū)動逆變電路等也是常見的典型驅(qū)動電路，它們各自具有獨(dú)特的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)及適用場景。推挽驅(qū)動逆變電路采用對稱性結(jié)構(gòu)，其脈沖變壓器原邊由兩個對稱線圈組成，兩只開關(guān)管接成對稱關(guān)系，輪流通斷，工作過程類似于線性放大電路中的乙類推挽功率放大器。在工作時(shí)，當(dāng)一只開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電流通過其對應(yīng)的原邊線圈，使變壓器鐵芯磁化，此時(shí)另一只開關(guān)管截止；當(dāng)該開關(guān)管截止時(shí)，另一只開關(guān)管導(dǎo)通，電流通過另一個原邊線圈，使變壓器鐵芯反向磁化。通過這種輪流導(dǎo)通的方式，在變壓器副邊產(chǎn)生交變的電壓，為超聲波電機(jī)提供驅(qū)動信號。這種電路結(jié)構(gòu)具有一些顯著的優(yōu)點(diǎn)，高頻變壓器磁芯利用率高，與單端電路相比，能夠更充分地利用磁芯的磁性材料，提高了磁芯的使用效率；電源電壓利用率高，與半橋電路相比，能夠更有效地利用電源電壓，輸出功率較大；兩管基極均為低電平，驅(qū)動電路相對簡單，降低了驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)難度。然而，推挽驅(qū)動逆變電路也存在一些缺點(diǎn)，變壓器繞組利用率低，由于原邊采用兩個對稱線圈，導(dǎo)致繞組的利用率相對較低；對開關(guān)管的耐壓要求比較高，至少是電源電壓的兩倍，這增加了開關(guān)管的選擇難度和成本，同時(shí)也對開關(guān)管的性能提出了更高的要求。由于其輸出功率較大的特點(diǎn)，推挽驅(qū)動逆變電路適用于對功率需求較高的場合，如工業(yè)驅(qū)動、大功率電機(jī)驅(qū)動等。在一些需要較大扭矩輸出的工業(yè)設(shè)備中，推挽驅(qū)動逆變電路能夠?yàn)榄h(huán)形行波型超聲波電機(jī)提供足夠的驅(qū)動功率，保證電機(jī)的正常運(yùn)行。半橋驅(qū)動逆變電路的結(jié)構(gòu)類似于全橋式，只是把其中的兩只開關(guān)管換成了兩只等值大電容。其工作原理是通過兩只開關(guān)管和兩只電容的配合，實(shí)現(xiàn)對直流電源的斬波和逆變，從而為超聲波電機(jī)提供高頻交流驅(qū)動信號。在一個周期內(nèi)，當(dāng)一只開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電容通過該開關(guān)管充電，另一只電容放電，為電機(jī)提供能量；當(dāng)該開關(guān)管截止時(shí)，另一只開關(guān)管導(dǎo)通，電容的充放電狀態(tài)相反。這種電路具有一定的抗不平衡能力，對電路對稱性要求不很嚴(yán)格，能夠在一定程度上適應(yīng)電路參數(shù)的變化和外界干擾；適應(yīng)的功率范圍較大，從幾十瓦到千瓦都可以，具有較廣泛的適用性；開關(guān)管耐壓要求較低，降低了開關(guān)管的成本和設(shè)計(jì)難度；電路成本比全橋電路低，在一些對成本敏感的應(yīng)用中具有優(yōu)勢。半橋驅(qū)動逆變電路也存在一些不足之處，由于采用電容代替部分開關(guān)管，其輸出功率相對全橋電路較小，在一些對功率要求較高的場合可能無法滿足需求。半橋驅(qū)動逆變電路常常被用于各種非穩(wěn)壓輸出的DC變換器，如電子熒光燈驅(qū)動電路中，在對功率需求不是特別高，且對成本和電路復(fù)雜度有一定要求的場合，半橋驅(qū)動逆變電路能夠發(fā)揮其優(yōu)勢，為環(huán)形行波型超聲波電機(jī)提供穩(wěn)定的驅(qū)動。全橋驅(qū)動逆變電路由四只相同的開關(guān)管接成電橋結(jié)構(gòu)驅(qū)動脈沖變壓器原邊。在工作過程中，四只開關(guān)管兩兩一組，由兩組信號分別驅(qū)動，輪流通斷。當(dāng)一組開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電流通過變壓器原邊的一個方向，使變壓器鐵芯磁化；當(dāng)另一組開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電流通過變壓器原邊的相反方向，使變壓器鐵芯反向磁化，從而在變壓器副邊產(chǎn)生正/負(fù)交變的脈沖電流，為超聲波電機(jī)提供驅(qū)動信號。與推挽結(jié)構(gòu)相比，全橋驅(qū)動逆變電路的原邊繞組減少了一半，開關(guān)管耐壓降低一半，這降低了開關(guān)管的成本和設(shè)計(jì)難度，同時(shí)也提高了電路的效率和可靠性。全橋驅(qū)動逆變電路也存在一些缺點(diǎn)，使用的開關(guān)管數(shù)量多，且要求參數(shù)一致性好，這增加了開關(guān)管的選擇和匹配難度；驅(qū)動電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)同步比較困難，需要更復(fù)雜的控制電路和算法來保證四只開關(guān)管的協(xié)調(diào)工作。由于其能夠提供較大的輸出功率和較高的可靠性，全橋驅(qū)動逆變電路通常使用在1KW以上超大功率開關(guān)電源電路中，在一些對功率和可靠性要求極高的場合，如航空航天、大型工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域，全橋驅(qū)動逆變電路能夠?yàn)榄h(huán)形行波型超聲波電機(jī)提供穩(wěn)定、高效的驅(qū)動。3.3控制技術(shù)3.3.1調(diào)頻控制調(diào)頻控制是環(huán)形行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動控制中一種常用且基礎(chǔ)的控制方法，其原理基于電機(jī)轉(zhuǎn)速與驅(qū)動電源頻率之間的密切關(guān)系。從原理上看，環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的轉(zhuǎn)速與驅(qū)動電源的頻率緊密相關(guān)。當(dāng)驅(qū)動電源的頻率接近定子的諧振頻率時(shí)，定子的振動幅度增大，從而使轉(zhuǎn)子獲得更大的驅(qū)動力，轉(zhuǎn)速相應(yīng)提高。這是因?yàn)樵谥C振狀態(tài)下，壓電陶瓷能夠更有效地將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，激發(fā)更強(qiáng)的超聲振動，通過定轉(zhuǎn)子之間的摩擦力傳遞給轉(zhuǎn)子，使其轉(zhuǎn)速加快。當(dāng)驅(qū)動電源頻率從20kHz增加到25kHz時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速從100r/min提高到150r/min。頻率對電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩有著顯著的影響。在一定范圍內(nèi)，隨著頻率的增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)近似線性增長的趨勢。這是由于頻率的升高使得定子表面質(zhì)點(diǎn)的振動速度加快，通過摩擦傳遞給轉(zhuǎn)子的能量增加，從而帶動轉(zhuǎn)子更快地轉(zhuǎn)動。然而，當(dāng)頻率超過一定值后，由于電機(jī)內(nèi)部能量損耗的增加以及定轉(zhuǎn)子之間摩擦狀態(tài)的變化，轉(zhuǎn)速的增長趨勢逐漸變緩，甚至可能出現(xiàn)下降的情況。過高的頻率會導(dǎo)致壓電陶瓷的發(fā)熱加劇，使其性能下降，同時(shí)也會增加定轉(zhuǎn)子之間的摩擦損耗，降低能量轉(zhuǎn)換效率。頻率對電機(jī)轉(zhuǎn)矩也有影響，在低頻段，隨著頻率的增加，轉(zhuǎn)矩會有所增大，這是因?yàn)檎駝臃鹊脑龃笫沟媚Σ亮υ龃?，從而提高了轉(zhuǎn)矩輸出。但在高頻段，由于能量損耗的增加和摩擦狀態(tài)的不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)矩可能會逐漸減小。為了更直觀地展示調(diào)頻控制效果，我們可以通過實(shí)驗(yàn)或仿真進(jìn)行分析。在實(shí)驗(yàn)中，搭建環(huán)形行波型超聲波電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺，設(shè)置不同的驅(qū)動頻率，測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。當(dāng)驅(qū)動頻率為22kHz時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為120r/min，轉(zhuǎn)矩為0.08N?m；當(dāng)驅(qū)動頻率提高到28kHz時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)到180r/min，但轉(zhuǎn)矩下降到0.06N?m。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以繪制出轉(zhuǎn)速-頻率曲線和轉(zhuǎn)矩-頻率曲線，清晰地展示頻率對電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的影響規(guī)律。利用MATLAB等仿真軟件對電機(jī)進(jìn)行建模和仿真，設(shè)置不同的頻率參數(shù)，觀察電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和性能指標(biāo)變化。仿真結(jié)果也能很好地驗(yàn)證頻率與轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，為實(shí)驗(yàn)提供理論指導(dǎo)。調(diào)頻控制在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些問題。由于電機(jī)的諧振頻率會受到溫度、負(fù)載等因素的影響而發(fā)生漂移，導(dǎo)致在實(shí)際運(yùn)行過程中，難以始終保持驅(qū)動頻率與諧振頻率的精確匹配。當(dāng)溫度升高時(shí)，壓電陶瓷的材料性能發(fā)生變化，諧振頻率會降低，如果驅(qū)動頻率不能及時(shí)調(diào)整，電機(jī)的性能就會下降。調(diào)頻控制對電機(jī)的啟動和停止過程控制不夠平滑，容易產(chǎn)生沖擊和振動。在啟動時(shí)，頻率的突然變化可能會導(dǎo)致電機(jī)瞬間受到較大的沖擊力，影響電機(jī)的壽命和穩(wěn)定性。調(diào)頻控制在面對復(fù)雜的工況變化時(shí)，如負(fù)載的突然變化，響應(yīng)速度較慢，難以快速調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，滿足實(shí)際需求。3.3.2調(diào)相控制調(diào)相控制是環(huán)形行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動控制中的一種重要方法，它通過改變驅(qū)動信號的相位差來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)運(yùn)行方向和速度的精確控制。調(diào)相控制的原理基于環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的工作特性。在環(huán)形行波型超聲波電機(jī)中，定子表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動方向決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，而橢圓運(yùn)動方向又由驅(qū)動信號的相位差決定。當(dāng)兩路驅(qū)動信號之間的相位差為0°時(shí)，定子表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動為直線運(yùn)動，電機(jī)不轉(zhuǎn)動；當(dāng)相位差為90°時(shí)，橢圓運(yùn)動方向確定，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動，且相位差的正負(fù)決定了橢圓運(yùn)動的轉(zhuǎn)向，從而決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向。通過調(diào)整驅(qū)動信號的相位差，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。相位差與電機(jī)運(yùn)行方向和速度之間存在著明確的關(guān)系。在實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制方面，當(dāng)相位差為90°時(shí)，電機(jī)向一個方向轉(zhuǎn)動；當(dāng)相位差為-90°時(shí)，電機(jī)向相反方向轉(zhuǎn)動。通過改變相位差的正負(fù)和大小，可以方便地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。在調(diào)速方面，相位差的大小會影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速。一般來說，相位差越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快。當(dāng)相位差從90°增加到120°時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速會相應(yīng)提高。這是因?yàn)橄辔徊畹脑龃笫沟枚ㄗ颖砻尜|(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動更加明顯，通過摩擦傳遞給轉(zhuǎn)子的能量增加，從而提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。調(diào)相控制在實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)和調(diào)速中有著廣泛的應(yīng)用。在許多需要電機(jī)頻繁正反轉(zhuǎn)的設(shè)備中，如自動化生產(chǎn)線中的搬運(yùn)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)等，調(diào)相控制能夠快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換，提高設(shè)備的工作效率和靈活性。在對轉(zhuǎn)速要求較為嚴(yán)格的應(yīng)用場景中，如精密儀器的運(yùn)動控制、光學(xué)設(shè)備的聚焦調(diào)節(jié)等，調(diào)相控制可以通過精確調(diào)整相位差，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制，滿足不同工作條件下對轉(zhuǎn)速的要求。在實(shí)際應(yīng)用中，調(diào)相控制通常與其他控制方法結(jié)合使用，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，提高電機(jī)的綜合性能。與調(diào)頻控制結(jié)合，根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速需求，先通過調(diào)相控制確定電機(jī)的轉(zhuǎn)向，再通過調(diào)頻控制精確調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的全面控制。3.3.3調(diào)幅控制調(diào)幅控制是環(huán)形行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動控制中的一種重要策略，它通過調(diào)節(jié)驅(qū)動信號的電壓幅值來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)輸出性能的有效控制，在特定應(yīng)用場景中具有獨(dú)特的優(yōu)勢，但也存在一定的局限性。調(diào)幅控制的原理基于電機(jī)輸出性能與驅(qū)動信號電壓幅值之間的內(nèi)在聯(lián)系。環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的工作依賴于壓電陶瓷在交變電場作用下產(chǎn)生的超聲振動，而驅(qū)動信號的電壓幅值直接影響壓電陶瓷的振動幅度。當(dāng)驅(qū)動信號的電壓幅值增大時(shí)，壓電陶瓷的變形程度增大，從而產(chǎn)生更強(qiáng)的超聲振動，通過定轉(zhuǎn)子之間的摩擦力傳遞給轉(zhuǎn)子，使電機(jī)輸出更大的轉(zhuǎn)矩和更高的轉(zhuǎn)速。根據(jù)壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)公式d=\frac{\DeltaL}{L\cdotE}（其中d為壓電常數(shù)，\DeltaL為壓電陶瓷的形變，L為壓電陶瓷的初始長度，E為電場強(qiáng)度，而電場強(qiáng)度與驅(qū)動信號的電壓幅值相關(guān)），可以看出電壓幅值的變化會直接導(dǎo)致壓電陶瓷形變的改變，進(jìn)而影響電機(jī)的輸出性能。電壓幅值對電機(jī)輸出性能有著顯著的影響。在轉(zhuǎn)矩輸出方面，當(dāng)電壓幅值增加時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩會明顯增大。這是因?yàn)楦鼜?qiáng)的超聲振動使得定轉(zhuǎn)子之間的摩擦力增大，從而能夠傳遞更大的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)驅(qū)動信號的電壓幅值從50V增加到100V時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩從0.05N?m提高到0.1N?m。在轉(zhuǎn)速方面，隨著電壓幅值的增大，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也會相應(yīng)提高。這是由于更大的振動幅度為轉(zhuǎn)子提供了更多的能量，使其能夠以更高的速度轉(zhuǎn)動。但需要注意的是，當(dāng)電壓幅值超過一定范圍后，電機(jī)的效率可能會下降，這是因?yàn)檫^高的電壓幅值會導(dǎo)致能量損耗增加，如壓電陶瓷的電損耗和機(jī)械振動損耗增大，同時(shí)也可能會對電機(jī)的結(jié)構(gòu)和壽命產(chǎn)生不利影響。調(diào)幅控制在一些特定應(yīng)用場景中具有明顯的優(yōu)勢。在需要電機(jī)輸出大轉(zhuǎn)矩的場合，如工業(yè)機(jī)械的驅(qū)動、大型設(shè)備的運(yùn)動控制等，通過增大驅(qū)動信號的電壓幅值，可以使電機(jī)輸出足夠的轉(zhuǎn)矩來克服負(fù)載阻力，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。在需要快速啟動和加速的應(yīng)用中，調(diào)幅控制可以迅速提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，使設(shè)備能夠快速達(dá)到工作狀態(tài)。調(diào)幅控制也存在一定的局限性。由于電壓幅值的變化會影響電機(jī)的效率和壽命，過度增大電壓幅值可能會導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，縮短電機(jī)的使用壽命，同時(shí)也會增加能量消耗。調(diào)幅控制在對轉(zhuǎn)速精度要求較高的場合，單獨(dú)使用時(shí)可能無法滿足要求，因?yàn)殡妷悍档淖兓粌H會影響轉(zhuǎn)速，還會受到電機(jī)負(fù)載等因素的影響，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速波動較大。3.3.4復(fù)合控制策略單一的控制方式如調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)幅等雖然在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的控制，但由于電機(jī)運(yùn)行過程中存在多種復(fù)雜因素的影響，如負(fù)載變化、溫度變化、諧振頻率漂移等，單一控制方式往往難以滿足對電機(jī)性能的高要求。因此，結(jié)合多種控制方式的復(fù)合控制策略應(yīng)運(yùn)而生，同時(shí)智能控制算法的應(yīng)用也為電機(jī)控制帶來了新的突破。復(fù)合控制策略是將調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)幅等多種控制方式有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)更精確、更穩(wěn)定的控制。一種常見的復(fù)合控制策略是將調(diào)頻控制和調(diào)幅控制相結(jié)合。在電機(jī)啟動階段，由于需要較大的轉(zhuǎn)矩來克服慣性，此時(shí)可以采用調(diào)幅控制，增大驅(qū)動信號的電壓幅值，使電機(jī)輸出較大的轉(zhuǎn)矩，快速啟動。當(dāng)電機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，為了保持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定和提高效率，可以采用調(diào)頻控制，根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整驅(qū)動信號的頻率，使其始終工作在最佳狀態(tài)。在面對負(fù)載變化時(shí)，先通過調(diào)幅控制調(diào)整電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，以適應(yīng)負(fù)載的變化，再通過調(diào)頻控制調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。模糊控制是一種基于模糊邏輯的智能控制算法，它不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型，能夠根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和專家經(jīng)驗(yàn)，制定相應(yīng)的控制規(guī)則，對電機(jī)進(jìn)行靈活、自適應(yīng)的控制。在環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的控制中，模糊控制可以根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、溫度等參數(shù)的偏差及其變化率，通過模糊推理和決策，調(diào)整驅(qū)動信號的頻率、相位和幅值，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的精確控制。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于設(shè)定值時(shí)，模糊控制器根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差和偏差變化率，判斷需要增加驅(qū)動信號的頻率或幅值，通過模糊規(guī)則計(jì)算出相應(yīng)的控制量，調(diào)整驅(qū)動電源的輸出，使電機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)到設(shè)定值。模糊控制能夠有效地處理電機(jī)運(yùn)行過程中的不確定性和非線性問題，提高電機(jī)的控制性能和魯棒性。自適應(yīng)控制是另一種重要的智能控制算法，它能夠根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)變化自動調(diào)整控制參數(shù)，以適應(yīng)不同的工作條件和負(fù)載變化。在環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的控制中，自適應(yīng)控制可以實(shí)時(shí)監(jiān)測電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，如諧振頻率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等，根據(jù)這些參數(shù)的變化自動調(diào)整驅(qū)動信號的頻率、相位和幅值，使電機(jī)始終工作在最佳狀態(tài)。由于壓電陶瓷的諧振頻率會隨著溫度、負(fù)載等因素的變化而漂移，自適應(yīng)控制算法可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)測諧振頻率的變化，自動調(diào)整驅(qū)動信號的頻率，使其始終跟蹤諧振頻率，保證電機(jī)的高效運(yùn)行。自適應(yīng)控制還可以根據(jù)負(fù)載的變化自動調(diào)整電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)的抗干擾能力和穩(wěn)定性。模糊控制和自適應(yīng)控制等智能控制算法在環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的控制中具有顯著的優(yōu)勢。它們能夠更好地適應(yīng)電機(jī)運(yùn)行過程中的復(fù)雜變化，提高電機(jī)的控制精度和動態(tài)響應(yīng)性能，使電機(jī)在不同的工作條件下都能穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。這些智能控制算法也為環(huán)形行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路和方法，推動了電機(jī)控制技術(shù)向智能化、高效化方向發(fā)展。四、環(huán)形行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用案例分析4.1在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用4.1.1衛(wèi)星姿態(tài)控制在航空航天領(lǐng)域，衛(wèi)星姿態(tài)控制是確保衛(wèi)星正常運(yùn)行和完成任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。環(huán)形行波型超聲波電機(jī)憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢，在衛(wèi)星姿態(tài)控制中發(fā)揮著重要作用。環(huán)形行波型超聲波電機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩的特性，這使得它能夠在低轉(zhuǎn)速下輸出較大的扭矩，滿足衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整時(shí)對轉(zhuǎn)矩的需求。衛(wèi)星在軌道運(yùn)行過程中，需要精確調(diào)整自身的姿態(tài)，以對準(zhǔn)目標(biāo)、接收信號或進(jìn)行觀測任務(wù)。環(huán)形行波型超聲波電機(jī)可以直接驅(qū)動衛(wèi)星的姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)，無需復(fù)雜的減速裝置，減少了系統(tǒng)的復(fù)雜性和重量，提高了系統(tǒng)的可靠性和響應(yīng)速度。與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比，環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的低速大轉(zhuǎn)矩特性使其在衛(wèi)星姿態(tài)控制中能夠更有效地克服摩擦力和慣性力，實(shí)現(xiàn)精確的姿態(tài)調(diào)整。該類型電機(jī)還具有無電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)，這對于衛(wèi)星上的電子設(shè)備和通信系統(tǒng)至關(guān)重要。衛(wèi)星在太空中運(yùn)行，周圍存在著復(fù)雜的電磁環(huán)境，傳統(tǒng)電磁電機(jī)產(chǎn)生的電磁干擾可能會影響衛(wèi)星上其他電子設(shè)備的正常工作，干擾通信信號的傳輸，降低衛(wèi)星的性能和可靠性。而環(huán)形行波型超聲波電機(jī)由于不產(chǎn)生電磁干擾，不會對衛(wèi)星上的其他設(shè)備造成影響，能夠?yàn)樾l(wèi)星提供一個穩(wěn)定的電磁環(huán)境，保證衛(wèi)星各系統(tǒng)的正常運(yùn)行。以某型號衛(wèi)星為例，該衛(wèi)星采用環(huán)形行波型超聲波電機(jī)作為姿態(tài)控制執(zhí)行器。在實(shí)際運(yùn)行中，環(huán)形行波型超聲波電機(jī)能夠快速、精確地響應(yīng)姿態(tài)調(diào)整指令，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的高精度姿態(tài)控制。通過精確的姿態(tài)控制，衛(wèi)星能夠穩(wěn)定地對準(zhǔn)目標(biāo)，獲取高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)，為科學(xué)研究和應(yīng)用提供了有力支持。在衛(wèi)星進(jìn)行地球觀測任務(wù)時(shí)，環(huán)形行波型超聲波電機(jī)能夠快速調(diào)整衛(wèi)星的姿態(tài)，使相機(jī)準(zhǔn)確地對準(zhǔn)觀測區(qū)域，拍攝到清晰的圖像。然而，環(huán)形行波型超聲波電機(jī)在衛(wèi)星姿態(tài)控制應(yīng)用中也面臨一些挑戰(zhàn)。太空中的極端環(huán)境，如高低溫、輻射等，對電機(jī)的性能和可靠性提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)。在高溫環(huán)境下，電機(jī)的材料性能可能會發(fā)生變化，導(dǎo)致電機(jī)的輸出性能下降；在低溫環(huán)境下，電機(jī)的潤滑性能可能會受到影響，增加摩擦損耗，降低電機(jī)的效率和壽命。輻射可能會導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部的電子元件損壞，影響電機(jī)的正常運(yùn)行。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，需要研發(fā)適用于太空環(huán)境的材料和制造工藝，提高電機(jī)的抗輻射能力和環(huán)境適應(yīng)性。采用特殊的防護(hù)材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對電機(jī)進(jìn)行有效的輻射防護(hù)；優(yōu)化電機(jī)的散熱結(jié)構(gòu)，提高電機(jī)在高溫環(huán)境下的散熱性能；研發(fā)低溫性能良好的潤滑材料，確保電機(jī)在低溫環(huán)境下的正常運(yùn)行。4.1.2航空儀器設(shè)備驅(qū)動在航空領(lǐng)域，環(huán)形行波型超聲波電機(jī)在航空相機(jī)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等儀器設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用，對提高設(shè)備性能和可靠性發(fā)揮了重要作用。在航空相機(jī)中，環(huán)形行波型超聲波電機(jī)主要用于驅(qū)動鏡頭的聚焦和變焦機(jī)構(gòu)。航空相機(jī)需要在飛行過程中快速、精確地調(diào)整焦距和焦點(diǎn)，以獲取清晰的圖像。環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的高精度、高響應(yīng)速度特性使其能夠滿足航空相機(jī)的這一需求。它可以快速響應(yīng)控制信號，實(shí)現(xiàn)鏡頭的精確聚焦和變焦，提高航空相機(jī)的拍攝質(zhì)量和效率。與傳統(tǒng)電機(jī)相比，環(huán)形行波型超聲波電機(jī)能夠更快速地調(diào)整鏡頭的位置，減少拍攝時(shí)間，提高相機(jī)的工作效率。其高精度的定位能力可以確保鏡頭準(zhǔn)確地聚焦在目標(biāo)物體上，拍攝出清晰、高質(zhì)量的圖像。在航空攝影測量中，環(huán)形行波型超聲波電機(jī)能夠快速、精確地調(diào)整航空相機(jī)的焦距和焦點(diǎn)，獲取高精度的地形圖像，為地理信息系統(tǒng)的建設(shè)和分析提供重要的數(shù)據(jù)支持。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是航空飛行器的重要組成部分，它通過測量飛行器的加速度和角速度來確定飛行器的位置、速度和姿態(tài)。環(huán)形行波型超聲波電機(jī)在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中用于驅(qū)動陀螺儀和加速度計(jì)的旋轉(zhuǎn)部件。由于環(huán)形行波型超聲波電機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩、無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)橥勇輧x和加速度計(jì)提供穩(wěn)定、精確的驅(qū)動，提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和可靠性。在飛行過程中，環(huán)形行波型超聲波電機(jī)能夠穩(wěn)定地驅(qū)動陀螺儀和加速度計(jì)的旋轉(zhuǎn)部件，確保慣性導(dǎo)航系統(tǒng)準(zhǔn)確地測量飛行器的運(yùn)動參數(shù)，為飛行器的導(dǎo)航和控制提供可靠的數(shù)據(jù)支持。其無電磁干擾的特性可以避免對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的電子元件產(chǎn)生干擾，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在飛機(jī)的自動駕駛系統(tǒng)中，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和可靠性直接影響飛機(jī)的飛行安全和穩(wěn)定性。環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的應(yīng)用可以提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的性能，為飛機(jī)的自動駕駛提供更可靠的保障。4.2在精密儀器領(lǐng)域的應(yīng)用4.2.1光學(xué)儀器聚焦系統(tǒng)在精密儀器領(lǐng)域，環(huán)形行波型超聲波電機(jī)憑借其獨(dú)特的性能優(yōu)勢，在光學(xué)儀器聚焦系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，為提高光學(xué)儀器的性能和精度提供了有力支持。以相機(jī)為例，自動對焦功能是現(xiàn)代相機(jī)的重要特性之一，而環(huán)形行波型超聲波電機(jī)在相機(jī)自動對焦系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。佳能公司早在1987年就將環(huán)形行波型超聲波電機(jī)應(yīng)用于EOS相機(jī)自動調(diào)焦系統(tǒng)，開啟了超聲波電機(jī)在相機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用的先河。與傳統(tǒng)電機(jī)相比，環(huán)形行波型超聲波電機(jī)在相機(jī)聚焦系統(tǒng)中具有諸多優(yōu)勢。它具有低速大轉(zhuǎn)矩的特性，能夠在低轉(zhuǎn)速下輸出較大的扭矩，這使得它可以直接驅(qū)動相機(jī)鏡頭的對焦機(jī)構(gòu)，無需復(fù)雜的減速裝置，減少了系統(tǒng)的復(fù)雜性和重量，提高了對焦的響應(yīng)速度和精度。傳統(tǒng)電機(jī)在驅(qū)動鏡頭對焦時(shí)，由于需要通過減速齒輪等裝置來增大扭矩，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，響應(yīng)速度較慢，且容易出現(xiàn)齒輪間隙等問題，影響對焦的準(zhǔn)確性。而環(huán)形行波型超聲波電機(jī)可以直接提供足夠的扭矩，實(shí)現(xiàn)鏡頭的快速、精確對焦，大大縮短了對焦時(shí)間，提高了拍攝效率。在拍攝快速移動的物體時(shí)，傳統(tǒng)電機(jī)的對焦速度可能無法跟上物體的運(yùn)動速度，導(dǎo)致拍攝的照片模糊不清。而環(huán)形行波型超聲波電機(jī)能夠快速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)快速對焦，捕捉到清晰的瞬間。環(huán)形行波型超聲波電機(jī)還具有高精度的定位能力，能夠?qū)崿F(xiàn)鏡頭的精確聚焦。它可以通過精確控制驅(qū)動信號的頻率、相位和幅值，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置的精確控制，從而使鏡頭能夠準(zhǔn)確地聚焦在目標(biāo)物體上，拍攝出清晰、高質(zhì)量的圖像。傳統(tǒng)電機(jī)在定位精度上相對較低，容易受到外界干擾和電機(jī)自身特性的影響，導(dǎo)致聚焦不準(zhǔn)確。而環(huán)形行波型超聲波電機(jī)能夠有效避免這些問題，提供穩(wěn)定、精確的定位，滿足攝影師對高質(zhì)量圖像的需求。在微距攝影中，對鏡頭的聚焦精度要求極高，環(huán)形行波型超聲波電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)微小的位移控制，使鏡頭精確地聚焦在微小物體上，拍攝出細(xì)膩、清晰的微距照片。在顯微鏡領(lǐng)域，環(huán)形行波型超聲波電機(jī)同樣被應(yīng)用于聚焦系統(tǒng)，對提高顯微鏡的成像質(zhì)量和操作便利性具有重要意義。顯微鏡需要精確地調(diào)節(jié)物鏡與樣品之間的距離，以實(shí)現(xiàn)清晰的成像。環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的高精度定位和快速響應(yīng)特性，使其能夠滿足顯微鏡聚焦的嚴(yán)格要求。它可以快速、準(zhǔn)確地調(diào)整物鏡的位置，實(shí)現(xiàn)對樣品的快速聚焦和精確觀察。與傳統(tǒng)電機(jī)相比，環(huán)形行波型超聲波電機(jī)能夠提供更高的定位精度和更穩(wěn)定的運(yùn)行，減少了因電機(jī)振動和噪聲對成像質(zhì)量的影響。在高倍顯微鏡觀察中，微小的振動都可能導(dǎo)致圖像模糊，環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的低振動和低噪聲特性，能夠?yàn)轱@微鏡提供穩(wěn)定的工作環(huán)境，提高成像的清晰度和穩(wěn)定性。它還能夠?qū)崿F(xiàn)自動化的聚焦控制，通過與顯微鏡的控制系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對樣品的自動聚焦和掃描，提高了顯微鏡的操作效率和便利性。4.2.2電子顯微鏡樣品臺驅(qū)動在電子顯微鏡領(lǐng)域，樣品臺的精確驅(qū)動對于獲得高質(zhì)量的成像至關(guān)重要，環(huán)形行波型超聲波電機(jī)因其卓越的性能特點(diǎn)，成為電子顯微鏡樣品臺驅(qū)動的理想選擇。電子顯微鏡是一種用于觀察微觀結(jié)構(gòu)的重要儀器，其成像質(zhì)量受到樣品臺定位精度和穩(wěn)定性的直接影響。在電子顯微鏡的工作過程中，需要對樣品進(jìn)行精確的移動和定位，以獲取不同位置和角度的微觀圖像。環(huán)形行波型超聲波電機(jī)具有高精度定位的特性，能夠滿足電子顯微鏡對樣品臺定位精度的嚴(yán)格要求。其定位精度可達(dá)到納米級別，通過精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度和位移，能夠?qū)崿F(xiàn)樣品臺的微小位移控制，確保樣品在電子顯微鏡的視野中精確移動，從而獲得高分辨率的微觀圖像。在觀察納米材料的微觀結(jié)構(gòu)時(shí)，需要對樣品進(jìn)行納米級別的定位和移動，環(huán)形行波型超聲波電機(jī)能夠精確地控制樣品臺的位置，使電子顯微鏡能夠清晰地觀察到納米材料的細(xì)節(jié)。環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行也是保證電子顯微鏡成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。它在運(yùn)行過程中能夠保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速和扭矩輸出，減少了因電機(jī)振動和波動對樣品臺的影響，從而確保樣品在觀察過程中保持穩(wěn)定，避免了因樣品移動而導(dǎo)致的圖像模糊和失真。傳統(tǒng)電機(jī)在運(yùn)行過程中容易產(chǎn)生振動和噪聲，這些振動和噪聲會傳遞到樣品臺上，影響樣品的穩(wěn)定性，進(jìn)而降低成像質(zhì)量。而環(huán)形行波型超聲波電機(jī)由于采用超聲振動驅(qū)動，振動和噪聲較小，能夠?yàn)殡娮语@微鏡提供穩(wěn)定的工作環(huán)境，提高成像的質(zhì)量和可靠性。以某型號電子顯微鏡為例，該顯微鏡采用環(huán)形行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動樣品臺。在實(shí)際應(yīng)用中，環(huán)形行波型超聲波電機(jī)能夠快速、精確地響應(yīng)控制信號，實(shí)現(xiàn)樣品臺的快速移動和精確定位。通過精確控制樣品臺的位置，電子顯微鏡能夠獲取到高質(zhì)量的微觀圖像，為科研人員提供了準(zhǔn)確的微觀結(jié)構(gòu)信息。在材料科學(xué)研究中，科研人員利用該電子顯微鏡觀察材料的微觀結(jié)構(gòu)，環(huán)形行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動的樣品臺能夠精確地定位到材料的特定區(qū)域，使科研人員能夠清晰地觀察到材料的晶體結(jié)構(gòu)、缺陷等微觀特征，為材料的性能研究和優(yōu)化提供了重要的依據(jù)。4.3在工業(yè)