二自由度超音波電機

二自由度超音波電機是一種雙自由度微特電機。目前常見的多自由度球形超音波電機的位姿檢測方法可分為接觸型和非接觸型兩類.接觸型檢測的典型結構為滑軌支架測量系統少，該系統原理簡單，檢測精度較高.

基本介紹

• 中文名：二自由度超音波電機
• 外文名：Two degrees of freedom ultrasonic motor
• 類型：發電設備
• 領域：能源
• 學科：電氣工程
• 特點：雙自由度

簡介

為了探索多自由度超音波電機在微型機器人等控制領域的套用，電機的位姿檢測與控制方法.以基於三定子的二自由度球形超音波電機為研究對象，以定子角速度的極小範數為最佳化目標，結合角速度矢量合成原理和電機的相位差調速方式，建立電機的前饋模型;基於機械滑鼠原理的位姿檢測機構，反饋球轉子的姿態量，並結合分段斜率比較的控制策略實現電機位姿控制.電機閉環軌跡控制的誤差率為1. 3%，位姿檢測與控制的效果較好，為二自由度球形超音波電機的推進打下紮實的基礎

超音波電機是一種新型的微特電機，已利用壓電材料的逆壓電效應，激發定子彈性體在超聲頻段內的微幅振動，通過摩擦作用將振動轉換為轉子的旋轉運動.該電機在機器人、光學儀器和航空航天等領域中具有廣闊的套用前景。

多自由度球形超音波電機是近年來超音波電機領域的研究熱點.而電機的速度/位置檢測一直是其難點，原因在於該類電機的轉子是球體，單自由度電機的檢測方法不能簡單地複製，需新的檢測機構和方法.

目前常見的多自由度球形超音波電機的位姿檢測方法可分為接觸型和非接觸型2類.接觸型檢測的典型結構為滑軌支架測量系統少，該系統原理簡單，檢測精度較高.最早由Toyama等，採用1個弧形十字球絞機構和2個光電編碼器檢測二自由度電機轉子的位置.Lee等的改進方案可檢測三自由度電機.傅平等叫採用調心軸承和連桿機構來檢測球轉子運動姿態.上述機構都會增加電機的損耗和限制球轉子的轉動範圍.

非接觸型檢測的典型結構為視覺識別測量系統等在球轉子表而噴塗格線，並利用CCD鏡頭來識別格線位置，但該結構複雜，實用性較差.Purwant。等.了使用霍爾元件檢測電機姿態的方案，但精度較低，算法複雜.Mashimo等利用雷射檢測球轉子的位置，由於光纖尖端的表而差異和界而反射導致定位精度受限.

因此，研究適合多自由度球形超音波電機的位姿檢測機構，實現高精度的電機位姿控制是當前球電機套用中函需解決的關鍵問題.首先介紹電機的結構和工作原理;其次電機的位姿檢測機構、驅動方式、調速方式和控制策略;最後，對電機位姿控制方案進行測試，驗證方案的有效性和精確度.

電機結構

研究室自主研製的基於三定子的二自由度球形超音波電機的結構如圖1所示，電機由3個定子、1個球轉子和預緊力載入機構組成.3個行波型環狀定子繞空間軸迴轉120。對稱分布，由於3個定子的中心軸線通過球心且處於同一球截而內，電機從三自由度退化為二自由度.定子均採用大斜齒而內緣接觸結構，能提高定、轉子的能量傳遞效率.球轉子採用X40 mm氮化矽材料的高精度陶瓷球，該陶瓷球相比普通鋼球，具有質量輕、耐磨性好和抗氧化性強等優點.預緊力載入機構由柔性板簧、板簧壓套、板簧座和側蓋等元件組成:環狀定子以過盈配合方式固定安裝在柔性板簧的中心孔內，柔性板簧的3個引腳被固定於板簧壓套上，圓環形板簧壓套可在板簧座內軸向移動.板簧座固定在底座上，擰動側蓋可調節板簧壓套的位移，進而調節柔性板簧的壓緊量，實現定、轉子之間預緊力的調節.

工作機理

二自由度球形超音波電機通過行波型環狀定子的齒內緣摩擦驅動球轉子.當給某一個定子施加兩路在空間和時間上都相差90。的正弦波激勵，同時給剩餘2個定子施加駐波信號時，可驅動球轉子繞著某一定子中心軸線迴轉，調節激勵電壓的相位差，可以控制球轉子的速度和方向，這是最簡單的單自由度驅動原理。

運動姿態控制

運動姿態測量機構

球形轉子的二自由度運動姿態可由二對行波定子馭動決定，通過控制各對的運動速度和轉向，可使球形轉子轉向各個方向，為檢測球轉子的運動姿態，國外採用球絞結構和兩個光電編碼器但由於球絞實現困難，我們採用了調心軸承和連桿的測量結構。

在球轉子上安裝輸出軸(其軸線通過球心)，輸出軸上裝有能兩自由度迴轉的調心軸承，在調心軸承的軸承座圓環上與各自光電編碼器相連的連桿連線，兩連桿與調心軸承在同一平而內 (這一平而與四個行波定子組成平而平行)，當輸出軸在中心位置時(即輸出軸軸線垂直於四個行波定子組成的平而時)，兩連桿是互相垂直的，即各連桿中心線與調心軸承中心相交，球轉子轉動時，調心軸承也隨之向外移動並且兩自由度轉動，其軸承中心仍在兩連桿組成的平而內。另外，各連桿與各光電編碼器軸線垂直相交，連桿可在與光電編碼器軸的相交點滑動，並帶動光電編碼軸迴轉;同時，為避免出現冗餘自由度，連桿1與調心軸承座圓環固連，連桿2與調心軸承座圓環鉸接，這樣做，輸出軸偏離中心位置時，即球轉子運動姿態變化時，連桿1中心線繼續保持通過調心軸承中心，而連桿2中心線則不能保證通過調心軸承中心。

運動姿態控制策略

對於球轉子運動姿態可以用上述屍點在xoy平而的運動位置描述，即控制目標由球轉子的運動姿態角轉化為屍點的運動位置，由於姿態角與屍點關係較簡單，這裡就不再贅述了。

超音波電機的位置控制一般採用相位差控制、頻率控制和調壓控制等策略。對於二自由度超音波電機來說，由於要求四個行波定子在工作時的諧振頻率基木一致，而定子由於加工、材料和工藝等原因，很難保證一致，修正行波定子外緣傾角大小的方法來使四個定子的諧振頻率接近一致，且行波定子的諧振頻率的頻寬一般較小，所以不宜採用變頻法。若採用調壓控制，雖然可以實現一定的控制效果，提高電機的轉速，但是硬體電路的實現比較複雜，而且由於調壓時電機定子電壓的峰一峰值在不斷改變，因此電機會出現速度波動，這不利於電機的平穩運行。

對於球形二自由度超音波電機來說，採用相位差控制是比較理想的控制方案。相位差控制只需要用軟體改變定子馭動信號的相位差，方法簡單且可靠實用，不需要增加額外的硬體電路。只要控制得當，對電機輸出轉速的影響較小，可以實現電機的平穩運行。更重要的是因為電機是由兩對定子馭動採用相位差控制有無可比擬的優越性，這是由於電機的靜摩擦係數大於行波馭動時的摩擦係數。假設一對定子由行波馭動，另一對定子不馭動，這時不被馭動的這對定子與轉子間為靜摩擦，也就是說球轉子無法在行波馭動的那對定子作用卜運動，這是因為靜摩擦產生的阻力矩大於行波馭動定子的馭動力矩。若不被馭動的那對定子改為駐波馭動，雖然行波馭動的那對定子產生的馭動力矩不變，但是此時駐波馭動的定子與轉子間為動摩擦，而動摩擦產生的阻力矩遠小於靜摩擦產生的阻力矩，因此，行波馭動定子的馭動力矩就大於動摩擦的阻力矩，這樣，球轉子就可以順利地運轉了。

總結

球形二自由度超音波電機的運動依賴於兩對定子聯合馭動，只能採用相位差控制協調動作，而且具有兩自由度運動姿態精度高、運動快和平穩等特點。

實驗結果表明，木系統所使用的馭動電路可以使球形二自由度超音波電機實現二自由度運動，的姿態測量連桿機構以及相應的控制算法可以實現電機的運動姿態控制，為球形二自由度超音波電機的套用提供了堅實的基礎。