超声波电机(UltrasonicMotor,USM)是一种采用全新原理利用特殊材料制成的新

　　实现了大外径(80mm)环状行波型超声波电机的高精度位置检测研制了基于DSP

　　的超声波电机位置控制系统完成了采用相位差P控制方案进行精密定位控制的实验

　　内容提要 本章介绍超声波电机的特点 发展状况和主要应用，概述超声波电机驱动控

　　众所周知 人耳能感觉到声音的频率范围为 20Hz~20kHz 超声波就是频率超过

　　20kHz 的声波 而超声波电机就是一种利用在超声频域的机械振动作为驱动源的驱动

　　圈，而是依靠压电陶瓷的逆压电效应直接将电能转变成机械能，更新了迄今为止由电

　　电机与传统的利用电磁效应工作的电机相比，具有体积小 重量轻 速度慢 转矩大

　　响应速度快 控制精度高 运行无噪声 静态（断电时）有保持力矩 不受磁场干扰

　　也不对周围环境产生磁干扰等优点 因此 超声波电机的研究受到了工业发达国家的

　　普遍重视 日 美 德等国在超声波电机的理论研究和应用方面都投入了大量的人力

　　和财力 日本在这个领域居世界领先地位 现已有多种规格的产品问世 超声波电机

　　应用于航天航空 军事 机器人 计算机设备 生物医疗仪器 汽车专用电器 办公

　　(1) 电磁型电机用于位置控制系统时 需配有齿轮减速机构, 以保证其低速运转并

　　获得较大的转矩 而超声波电机不需要减速齿轮即能在低速时获得大转矩 可以直接

　　(2) 超声波电机的能量密度是电磁型电机的5~10 倍左右 相同功率下 其体积比

　　(3) 超声波电机依靠压电陶瓷的超声振动而工作 人耳听不到超声频域的振动噪

　　声 而且由于它不需齿轮减速机构 因此也不存在齿轮产生的噪音 减少了对周围环

　　(4) 电磁型电机在外界强磁场影响下不能正常工作 而超声波电机由于没有线圈

　　(5) 超声波电机定 转子通过较大的预压力压紧 断电后具有很大的自锁力 另

　　外 由于转子转动惯量小 与转子的惯性力比较 定 转子之间的摩擦力相当大 所

　　20 世纪40 年代 人们就知道了超声波电机的工作原理 但直到80 年代 随着具

　　有高转换效率的压电陶瓷材料的出现 以及电力电子技术的发展 才逐步研制出各种

　　1961 年 Bulova 钟表公司首次尝试利用弹性振动获得动力 利用电磁力激振音叉

　　1970 至1972 年 西门子公司和松下公司开发出了一种直线驱动器和步进电机

　　但由于压电材料在几十千赫兹甚至更高的驱动频率下工作 振子的振幅太小 不能获

　　似牛角尖的驱动足由压电体提供振动 其前部压制在转子上 借助摩擦力推动转子旋

　　转 转子需要顺时针转动时 左侧的驱动足工作 右侧的停止 需要逆时针转动时

　　右侧的驱动足工作 左侧的停止 但这种电机的结构仅仅是一种原理性方案 并没有

　　1978 年 前苏联Vasiliev 等人提出了一种转动良好的旋转型超声波电机

　　1.2 所示 其压电振子由两个金属块夹持压电元件构成 压电振子的纵向振动激振与转

　　子相接触的振动片 振动片纵向振动的同时弯曲振动而拨动转子旋转 这种电机的优

　　点在于降低了共振频率 并提高了振幅 同时在电路中设置了反馈回路以稳定振幅

　　但可惜的是 这种电机在连续工作中磨损与发热严重 且难以保持振动片的恒幅振动

　　体 稍倾斜于振子轴线 使用螺栓紧固型 Langevin 振子 驱动频率为27.8kHz 输入

　　功率90W 机械输出功率50W 转矩0.25N· m 接近可实用程度 但是 由于振动片

　　几乎与转子相垂直 磨损比较严重 为了解决这个问题 Sashida 又于 1982 年提出并

　　试制了行波型超声波电机 实现了由驻波定点定期推动转子向由行波连续不断推动转

　　子的转变 大大降低了定子与转子界面的摩擦和损耗 为超声波电机走向实用化开辟

　　1987 年 佳能公司将其开发的圆环型行波超声波电机正式应用于 EOS 相机自动

　　世界领先地位 它掌握着世界上大多数超声波电机技术的发明专利 在日本, 几乎各

　　知名大学和许多公司都对超声电机进行了研究和生产 环状行波型和棒状行波型电机

　　已大批量生产 最近一种驻波型电机也已投入批量生产 主要用于工作时间短 精度

　　高及某种特定功能的机器或领域中 日本公司将超声波电机应用于自动门 风扇 微

　　20 世纪末和新世纪初 中国 美国 德国 法国 英国和其他一些发达国家都开

　　始了对超声电机的研究 最近几年来, 除了日本之外, 美国 德国 法国 中国 瑞士

　　韩国 土耳其和新加坡等都有超声波电机产品进入市场 在这些国家中 以美国发展

　　的研究 如麻省理工学院(MIT) 美国航空航天局(NASA) 喷射推进实验室(JPL)

　　Agency)等 美国某些公司生产的超声波电机产品已经在航空航天 半导体工业

　　MEMS 和Bio MEMS 等领域先后得到了应用 美国为了发展空间的反导弹 反卫星

　　及情报侦察系统 近几年将要发射100 个以上的纳米卫星(质量7~8kg) 这种纳米卫星

　　的核心技术之一是微机械和微传感系统 包括微传感/遥感器 微陀螺和微驱动器 为

　　我国于80 年代末开始超声波电机的研究 先后有哈尔滨工程大学水声研究所 清

　　华大学 哈尔滨工业大学 浙江大学 长春光机所 吉林工业大学 南京航空航天大

　　学 北京科技大学 天津大学 上海冶金研究所 华中科技大学 东南大学 信息产

　　业部电子第21 研究所等十几所单位开展了对超声波电机的研究 其内容涉及超声波电

　　机运动机理 谐振频率计算 驱动电路设计 控制方法以及样机的研制和试验 基本

　　型式几乎涵盖目前所出现的所有超声波电机类型 南京航空航天大学在赵淳生教授的

　　带领下研制了多种不同型号的超声波电机 清华大学物理系已研制成直径 10mm 5

　　mm 3 mm 1.5mm 1mm 的多种微型超声波电机 空载转速数百转到上千转 且转

　　速可调 力矩从几微牛米到几百微牛米 可为医用超声内窥镜的超声探头提供驱动源

　　1987 年日本佳能公司将超声波电机用于 EOS 型照相机的自动调焦镜头中 这也

　　是超声波电机应用非常成功的一例 与采用电磁型电机的镜头相比 具有安静 定位

　　精度高 调焦时间短 无齿轮减速机构及结构简单等优点 从1990 年起 佳能公司月

　　Akihiro 开发了用于手表驱动的行波型微电机 电机外径10mm 厚5mm 为简化其驱

　　动电路及电机结构 它们又使用单相自激振电路进行驱动 研制成功直径4.5mm 的电

　　机 日本精工公司将其用于手表日历盘的驱动 该型手表于1998 年正式投入批量生产

　　凑 且低速大转矩 无需齿轮减速机构 电机工作非常安静 (由于它由人耳听不到的

　　超声振动驱动) 故非常适于在办公室 医院 旅馆 剧院和图书馆等需要低噪声的场

　　合使用 东京都府窗子上的窗帘机采用压电超声波电机作为驱动元件, 噪音很低, 适合

　　对精确性提出了更高的要求 电磁电机用齿轮减速装置增大扭矩 由于存在间隙 要

　　达到更高的精确性就很困难 由于超声波电机可直接驱动负载 所以其精确性依赖于

　　电机控制性能好 其位置分辨率高 占用空间体积小 可用于 IC LSI 用等高精度数

　　控机构 印刷线路板加工 检测 晶片元件排列 焊接 封装 半导体片精密冲裁等

　　度快 当位置传感器检测到目标位置信号瞬间 只要切断电源 电机立即停止 定位准确

　　电磁电机也有几毫米直径 而目前还没有根本的阻碍因素限制超声波电机的微型化

　　超声波电机正在与微机械系统(MEMS)结合起来 作为MEMS 的动力 有的还将超声

　　对新一代需要自由移动的机器人而言 这种驱动形式是不适合的 另一方面 一个产

　　生10N· m扭矩的电磁电机 本身比较笨重 而超声波电机具有满足这些要求的可能性

　　1996 年美国航空航天局首次将超声波电机作为驱动元件用于微型着陆器中的机器人

　　展 由于结构柔性的增加 机械臂工作时容易引起振动 从而导致操作精度降低 压

　　电陶瓷具有良好的机电耦合性能 且对温度不敏感 由其构成的超声波电机非常适合

　　在柔性机械臂中承担机械臂轨迹运动和定位时的原关节电机振动控制任务 可使机械

　　件下仍能工作 因此可用于核磁共振设备上的驱动器 西门子(东京)医疗器械公司把

　　三个超声波电机用在核磁共振诊断装置(MRI-CT)的线圈调整装置上 微调附属于线圈

　　上的调整用电容器容量 MRI-CT 使用2T 以上的强磁场 普通电动机在这种强磁场内

　　不仅不能转动 而且还严重破坏了磁体内磁场的均匀性 所以不能使用 从这方面看

　　超声波电机驱动时不用磁场和磁铁 是最适用的 在调整扫描电子显微镜(SEM)真空

　　试料室内的试料架位置时 由于它正好处在电子束的下方 故不能使用电磁电机 过

　　去用手动控制 现在采用超声波电机驱动 不仅省掉了复杂的传动机构 减少了故障

　　MIT 开发了具有双面齿的行波型超声波电机用于火星登陆机器人手臂关节驱动

　　以适应恶劣的空间环境 喷射推进器实验室(JPL)则在用于宇宙飞船舱壁检测的自动爬

　　超声电机应用于火星探测器的机器手 还对超声波电机进行了低温和真空试验 试验

　　Technology 公司研发了一种直线型超声波电机 并将其用在人造卫星上

　　波型超声波电机的重要组成部分 控制技术的优劣 直接关系到能否充分发挥超声波

　　电机的卓越性能 更会影响到超声波电机的应用和推广 因此 超声波电机的驱动控

　　超声波电机的基本驱动原理(见图1.5) 是利用信号发生电路产生基准的方波信号

　　通过分频移相后得到所需频率的两相方波 经信号放大电路驱动半导体功率器件工作

　　在开关方式下将直流能量逆变为交流能量 近年来 随着FPGA/CPLD 单片机和DSP

　　技术的发展 逐步抛弃了使用分离元件搭建驱动和控制电路 而将信号发生 分频移

　　相以及控制等整合到大规模集成芯片中 提高了信号的精度与稳定性 同时 也使驱

　　超声波电机的控制策略包括P 控制 PI 控制 自适应控制 模糊控制 人工神经

　　网络控制以及这些控制策略的组合等 Yuji 等提出了可变增益的PI 控制器来控制超声

　　制器中的比例增益不变 积分增益随电机速度的不同而变化 T.Senjyu 等人提出了超

　　动自适应能力 模糊控制器的输出比例因子由可变学习速率的神经网络在线调节 以

　　使超声波电机驱动系统对各种控制输入 都保持良好的跟踪性能 在各种控制的组合

　　本课题来源之一是国家高技术航天领域项目 863-2-2-4-6B 项目全名为航天用超

　　声波电机样机研制 其目标是研制适用于航天器内使用的大转矩行波旋转型超声波电

　　机及其伺服控制系统 来源之二是高等学校博士学科点专项科研基金 2000048711

　　经过多年的努力 课题组已经取得了若干研究成果 现阶段主要是在继承已有研究成

　　(1) 对超声波电机的发展应用状况和驱动控制技术发展现状进行了资料的收集和

　　(3) 构建了基于DSP 的超声波电机驱动控制系统实验平台 对驱动电路的参数匹

　　(4) 对超声波电机的各种控制方法进行了分析 采用频率 P 调节保持了电机速度