1、d1e5aa488d627bb3230108c7572e5281.pdf 与分析37第五章 电机样机输出特性实验测试与分析根据前面的几章的理论和设计思路，设计并制作了一台三定子的纵弯复合型旋转超声波电机样机，本章主要是介绍样机的驱动试验，测试样机的输出特性，一方面用实际的驱动实验证明前面的理论的正确性，另一方面测试其输出特性以进一步深入分析该类型超声波电机的特点。5.1 电机样机的制作与安装电机定子采用兰杰文振子结构。为了保证兰杰文振子获得优良的性能，就必须保证前后盖板与压电陶瓷片之间保持良好的机械接触与导电性，这需要对结合面的结构、表面平行度和不平度及螺栓施加的预紧力等方面提出较高要求，其中
2、结合面的结构和螺栓施加的预紧力对电机的输出影响最大。如果结构设计不合理，当使用螺栓加预紧力后，就可能使压电陶瓷片的受力不均匀，这对压电片的装配和使用以及电机的性能产生很大的影响。在装配兰杰文振子过程中，由于螺栓施加的预紧力对电机会产生巨大影响，如何确定预紧力的大小以使兰杰文振子的输出性能达到最佳，是要考虑的另一个问题。由于四片压电陶瓷片按极性相反两两叠合成两组，三个定子的压电片摆放要一致，装配之后要确保三个定子驱动转子都顺时针或者逆时针运动。对于电机的转子，要保证与定子的良好接触，首先转子的接触面的表面粗糙度要达到要求 ，当定子和转子的粗糙度很差，或者三个定子装配之后高度不一，则会导致预压力在
3、定子上分布不均匀，电机运转不平稳并且伴有很大的噪声，严重情况会导致电机无法运转。实验研究表明在设计、制造、安装过程中，为了增加压电陶瓷的激振效能，同时保证压电陶瓷能各激励出驱动振子所需要的模态，需要注意以下几个要点：(1) 应当尽可能使结合面有较高的尺寸，位置精度和平面的不平度，以保证压电陶瓷能够激励出驱动振子所需要的模态。(2)驱动振子的螺纹应采用细牙螺纹。细牙螺纹的自锁性能要比粗牙要好，可以用于变载、振动及冲击载荷的。超声波电机螺栓受到的是高频振动载荷，因此采用细牙螺纹联接以确保电机性能的稳定性。(3) 因螺栓紧固而产生的接触面上的静态接触应力应尽可能地均匀。避免压电片受力不均匀的情况。(
4、4) 最佳预紧力的确定。安装时，螺栓的预紧力根据需要来施加，一般预紧力越大，压电陶瓷元件的输出振动越容易，得到的振动峰值越大，但不能超过压电陶瓷的受力极限。另外为了在调节预紧力的时候有微调效果，紧固螺栓d1e5aa488d627bb3230108c7572e5281.pdf 与分析38应尽量选用细牙的螺栓。根据第四章的理论和以上要点，制作、组装了一台三定子纵弯复合模式旋转超声波电机。其实物照片图如图 6-1。5.2 电机驱动电源介绍本次设计的样机只需要一路即可驱动其工作，当然如果有两路分别加载在纵振动与弯曲振动陶瓷片上，就可以通过调节两路的相位从而控制电机的正向和反向旋转。因此本次样机的测试实
5、验使用的是我们实验室自行设计与制作的超声波驱动电源，其实物照片图如图 6-2 所示。图 6-1 设计制作的超声波电机样机照片图d1e5aa488d627bb3230108c7572e5281.pdf 与分析39该电源为推挽逆变式超声波电源，推挽型开关电路是相比较超声波电机常用的驱动电路之一。如图 6-3 为推挽变换器的基本电路。其中 Vi1 和 Vi2 为两路信号输入，相位相差 180 度，输入为方波信号，Q 1 和 Q2 为 MOS 开关管， T1为变压器，起电压放大的作用。电路工作在电流连续模式，两个开关管 Q1，Q 2交替导通，在变压器 T1 原边的 W1 和 W2 的分别形成相位相反的
6、交流电压。方波信号由 51 单片机产生。该电源的参数为：1、 频率 15-100KHz 连续可调，数码管跟踪显示当前输出频率，精确到小数点后两位；2、 可以输出相位差为 90的两路高频信号，因此可以实现对电机的正反转控制；3、 输入电压为 5-15V 直流电，输出电压有效值 120V,输出功率大于25W。5.3 样机输出特性曲线由于该电机有三个定子在图 6-1 可以看到共用了 12 片陶瓷片引出导线 15根，因此样机在装配完成之后要仔细检查陶瓷片摆放位置是否都正确，是否有短路，检查无误就可以在图 6-2 所示的实验台进行驱动实验了。该试验台由示图 6-3 实验测试平台照片图图 6-2 实验使用
7、的驱动电源实物照片图 iIRF640ransC机图 6-3 推挽逆变式电路基本原理图d1e5aa488d627bb3230108c7572e5281.pdf 与分析40波器、直流电源、超声波电机电源和电机构成，直流电源提供 0-30V 的直流电压，超声波电机电源输出频率 15100KHz 的交变信号到超声波电机上，示波器用来监视电源输出的信号的波型、频率、峰峰值等参数。电机在运行一段时间，定转子经过磨合达到较佳运行状态之后就进行输出特性的测试，从而找到电机运行的最佳工作点，即使电机运行状态最好的预紧力、预压力、频率、等参数。5.3.1 激励频率转速输出特性超声波电机的超声振动系统的设计是基于共
8、振原理设计的，所以对于这样的一个振动系统而言，当激励频率发生变化时，它的振动状态也会发生改变，必然导致输出特性（速度和力矩）的变化。当振动系统达到共振时，其振幅会达到最大值，所以输出的转速也会达到最大值，反之根据频率-转速曲线图就可确定该系统的实际共振频率（谐振频率）。通过实验来测试频率-转速特性，可以获得该系统输出转速随实际的工作频率的变化趋势以及电机的共振频率。对于样机在电源输入电压 12V、预压力为加 1491g(包含转子自重 176g)的铁块的条件下( 即 14.6N)，测试了样机的激励频率-转速特性。实验测试曲线如图 6-3 所示。从曲线可以看出：电机的谐振频率为 25.82kHz
9、附近，此时转速最大。输入信号频率偏离谐振频率越大，转速越低，近似的成正态分布。从曲线还可以看出设计频率与实际测试的系统共振频率有一定的误差，这图6-3 样机的激励频率-转速曲线图激 励 频 率 转 速 输 出 特 性 曲 线 (电 源 输 入 电 压 12V， 预 压 力 14.6N)0510152025303525.79 25.8 25.81 25.82 25.83 25.84 25.85频 率 (KHz)转速(r/min)d1e5aa488d627bb3230108c7572e5281.pdf 与分析41主要是由于加工的精度、装配的精度达不到设计的要求，三个定子用螺栓紧固在同一个底座上，底
10、座的引入，以及结构的变化也会影响电机实际的谐振频率，预紧力的大小对电机谐振频率也有很大的影响，另外设计所采用的计算方法也有一定的误差。5.3.2 驱动电压-转速特性超声波电机是利用压电陶瓷来实现换能的，根据压电陶瓷的逆压电效应可知，当外加电场的电压发生变化时其形变也会发生变化，导致整个振动系统的振幅发生改变，从而影响其输出特性。该项实验是在频率为 25.82kHz，在预压力为 14.6N 的条件下测试电机的输出转速随输入电压变化的情况。通过电压调节控制电机输出转速的变化，测得的超声波电机输出转速和电源输入电压之间的关系曲线如图 6-4 所示。由图可见，电机的输出转速随驱动电压变化趋势有明显的近
11、似线性关系。驱动电压增大，输出的转速随之增大。根据压电陶瓷材料的性质，由压电系数可知，当加在它上面的电压增大时，其变形也增大，使得整个超声振动系统的振幅也随之增大，引起弯曲挠度增大，从而输出转速也会增大。另外，电感与变压器、电机的匹配对电机的转速影响很大。匹配良好，可以得到近似的正弦波。图6-5，图 6-6 是电机转速实验时，有图6-4 样机的驱动电压-转速特性曲线图驱 动 电 压 转 速 输 出 特 性 曲 线 (激 励 频 率 25.82KHz， 预 压 力 14.6N)01020304050609 10 11 12 13 14 15驱 动 电 源 输 入 电 压 (V)转速(r/min)
12、d1e5aa488d627bb3230108c7572e5281.pdf 与分析42无电感匹配的超声波电机的输入波形在示波器上的显示照片图。从两个图的对比可以看出匹配电感大大的改善了电机的输入波型。5.3.3 预压力-转速特性 前面已经提到过，超声波电机定子和转子的接触状态一般可分为接触状态和分离状态。在表面粗糙度一定的情况下定、转子的接触情况取决于定转子间的预压力的大小和定子表面激励的纵振动的振幅。如果施加的预压力比较小，转子将在定子振动的某一时刻与定子相脱离，当预压力过大又会因为产生的摩擦力大于定子的驱动力使电机无法工作，可见预压力在超声波电机研究中的重要性，在样机电源输入电压为 12V，
13、输入信号频率 25.82kHz 下测试了样机的输出转速与预压力，由于转子自重为 176g(1.7N),测试预压力就从 1.7N 开始，如图 6-7所示。由图 6-7 可以看到，电机转速随着预压力的增大而上升，但当预压力大于一定值时，电机转速随着预压力的增大而下降。可见，预压力对超声波电机的图6-7 预压力-转速曲线图图6-5 无电感匹配时的电机输入信号波形图图6-6 有电感匹配时的电机输入信号波形图预 压 力 转 速 输 出 特 性 曲 线 (激 励 频 率 25.82KHz， 电 源 输 入 电 压12V)051015202530354045501.7 5.6 7.2 9.4 10.9 12
14、.5 14.6预 压 力 (N)转速(r/min)d1e5aa488d627bb3230108c7572e5281.pdf 与分析43输出特性有较大的影响。对每一种超声波电机的最高输出转速对应不同的预压力最佳值。5.3.4 力矩-转速特性图 6-8 所示的是电机样机在激励频率为 25.82KHz，电源输入电压为 12V，预压力为 14.6N 的情况下电机样机与转速之间的关系曲线。从图中可以看出，当电机样机输出的转矩增大是转速减小，直至转速为零得到上述输入状态下的堵转力矩为 49.8N/mm。空载的时候电机的转速最大，电机运转的时候可以计算出滑动力 fN0.40314.65.88N,其中 为滑动
15、摩擦因数其大小与材料、表面粗糙度、压力及对滑动速度有关。对于预压力为 14.6N 时的摩擦力对应的转矩 M=fR=5.8834199.92N/mm。可以看出来该类型的电机可以输出比较大的转矩。5.3.5 电机样机正反转实验研究关于纵弯复合模式超声波电机的正反转问题，哈尔滨工业大学制作的直线型电机在论文提到纵向和弯曲振动激励相位差为+90时导轨正向直线运动，当相位差为-90 时导轨做反向直线运动，但是他们只给出了现象，没有给出理论分析。 55在本文的 3.3 节我们讨论过定子在给纵振动和弯曲振动不同相位时质点的运动轨迹。在图 3-4 中我们可以看到，当相位差变化 180之后，质点的椭圆运动轨迹就
16、会相应的变成一个反椭圆，原来逆时针运动的椭圆轨迹就会变成顺时针的椭圆轨迹。对于一个定子的情况，如图 6-9 所示，当激励纵图 6-8 转矩转速特性曲线转 矩 转 速 输 出 特 性 曲 线 (激 励 频 率 25.82KHz， 电 源 输 入电 压 12V)051015202530354045500 5.6 15.6 23.4 30.2 33.6 35.1 49.8转 矩 (N/mm)转速(r/min)图 6-9 单定子驱动移动体示意图d1e5aa488d627bb3230108c7572e5281.pdf 与分析44振与弯曲振动的信号相位差 时，质点的椭圆运动轨迹都是逆时针的方向，在宏观上表
17、现出来的现象就是与定子接触的移动体沿着图中的箭头方向做直线运动。当分别加载在纵振动和弯曲振动陶瓷片上的高频交变信号的相位差变为180时，质点的椭圆轨迹就会全部变成顺时针方向，在宏观上表现就是定子通过摩擦力驱动转子沿着图中箭头相反的方向做直线运动。这样通过调节相位差就能实现移动体在一条直线上的往还运动。而对于本文设计的三圆柱定子的电机每一个单独的定子的运动方向的改变也必然导致转子的旋转方向改变，从而实现通过调节相位差实现转子的正反转控制。正反转的已经通过实验的验证，在相位差相差 180时电机便会反向旋转，由于实验条件有限，微观的椭圆运动轨迹没有观测，所以上述理论分析尚未得到实验证明。另外在实验过
18、程中，还发现在调节频率的时候会产生正反转的效果，本实验设计的样机在 16.0KHz 是逆时针旋转，当调节到 16.1KHz 时样机变为顺时针旋转，在电机样机运行的其他频段也有相应的现象。尚未见到国内外论文中有提到出现该现象，出现了该现象本文猜测可能是因为弯曲振动的传播速度与频率有关，从而导致纵振与弯曲振动从陶瓷片传播到定子端部时相位差变化了180。5.4 实验结果分析前面介绍过超声波电机的性能既受到内部因素，如本身结构、材料等方面的制约，同时也与外部因素如环境温度、负载情况、激励控制密切相关，此处基于前面设计的超声波电机样机，进行了测试实验，探讨了对几个输入参数：激励频率、驱动电压、预压力等对
19、电机输出性能的影响。5.4.1 激励频率分析由图 6-3 中可以看出，在驱动电源信号的激励频率由小到大变化的过程中，超声波电机的输出转速近似成正态分布的规律。超声波电机转速的最大值对应系统的共振频率处；偏离共振频率时，纵振动幅值减小，从而使超声波电机输出转速降低。驱动电源的激励频率越接近谐振频率，转速越快，当达到共振频率时，转速最大。从频率关系曲线图可以看出，随着频率的变化，超声波电机的转速变化比较明显，这表明利用频率调节超声波电机的转速的可调范围较小，约为 1KHz 范围内。这使得在实际寻找电机的共振频率，调节频率步进或扫频的步进要小于 1KHz 以下，这样才有利于准确地找到实际的共振频率。
20、5.4.2 驱动电压分析从电压-转速特性曲线可以看出随着输入电压的增加，输出的转速也随之增d1e5aa488d627bb3230108c7572e5281.pdf 与分析45大，输出的转速随电压值呈现近似线性变化关系，这是由于电压增大，压电陶瓷的逆压电效应增强，振动幅值增大，但压电陶瓷片的耐压一定的限度，同时电源的变压器也有一定的电压上限，所以电压变化有一个允许的范围。由图 6-4 中可以看到，在一定的范围内，控制驱动电压可以近似线性地控制电机的转速。5.4.3 预压力分析超声波电机的定、转子之间所加预压力的大小直接影响到超声波电机的运行性能和输出特性。当预压力太大时，电机不能正常启动；预压力
21、太小，定、转子之间的摩擦力较小，达不到电机理想的输出效果。预压力分布的不均匀会使摩擦界面的接触情况随时间变化，产生较大的颤振和噪声，造成输出转速和力矩的不理想。在保证输入电压、驱动频率不变的条件下，不同的预压力有不同的输出转速，输出转速随预压力变化存在一个最大值。另外，预压力越大，所需的驱动电压值也越大，输出的转速才能增大。预压力和电压这两种因素相互之间是有影响的。通过调整使两因素达到最合理的匹配，可以获得较好的输出特性。综合上述分析可知，预压力存在一个最佳范围，实际上预压力的大小应针对不同的应用背景而定。要使超声波电机高效、稳定运转，需要合理调节所施加的预压力值。因此，预压力的最优值在超声波
22、电机设计时应给予充分的重视。5.5 本章小结本章介绍对制作的样机的输出特性的实验测试，绘制了在一定的预压力、预紧力和驱动电压时候激励频率与转速的关系曲线，在一定的预紧力、预压力和激励频率下驱动电压与转速的关系曲线以及预紧力、激励频率和驱动电压一定情况下预压力与转速的关系曲线。在实验中发现了电机的正反转特性，并对其进行了推测型的解释。实验中，充分体现了超声波电机良好的性能特点，如反应速度快、控制特性好、低速大扭矩、良好的断电自锁的能力等。由于定转子之间接触不是很好，加工精度达不到要求，三个定子的预压力无法保持一致等因素电机没有达到最佳工作状态，工作时候有噪声，运转不平稳。在试验中可以看到该类型电机相对于其他类型电机来说，对于加工精度的要求更高，但能获得更大的转矩。
