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超声电动机模型分析的研究

超声电动机模型分析的研究 2011年12月09日 来源： 胡敏强1，顾菊平1，2，莫岳平1，金龙1，王心坚1，徐志科1，石斌1 (1.东南大学，江苏南京210096；2.南通工学院，江苏南通226007)　1 引言　 随着现代科学技术的迅速发展，电子设备、精密仪器、光学系统以及各种工厂、办公自动化 设备要求小型化、精密化、环保化，对微电机伺服控制系统提出了越来越高的性能指标要求 (如：低速大转矩、快速精密定位、良好的电磁兼容、低噪声甚至静音设计等)。传统驱动控 制系统主要依靠伺服电机驱动，如要获得定位控制系统所要求的低速大转矩，就必须使用减 速传动机构，这不仅增加了机械部件的复杂性和系统体积、重量，而且减速齿轮对驱动系统 的反冲效应、对进给量的放大效应等都严重影响系统的其它性能，严重阻碍了系统中控制的 快速性和精确性［1］。多年来，为解决这一“瓶颈”，科技界和工业界就一直致力 于寻求各种更为适宜的直接驱动方式，以满足各种装置小型化和精密化的要求，超声电动机 恰好弥补传统电磁式电机在驱动控制系统应用中的不足。 超声电动机(Ultrasonic Motors，简称USM)是20世纪80年代发展起来的一种直接驱动电机， 由 于其性能卓越，应用前景广泛，备受人们重视，它已成为当前机电控制领域的一个研究热点，并列入国家“十五”规划。长期以来，超声电动机及其驱动控制器的研究大多通过实验， 要获得最优样机设计和最佳工作特性，需要消耗大量时间和资源，这导致超声电动机不仅性 价比不高，控制手段与控制策略单一，而且国内原材料及加工工艺不能配套，都直接影响超 声电动机的应用研究和产业化进程。因而寻求更有效的USM分析手段和设计方法一直是超声 电动机领域研究的重点。 实用的定性、定量分析有解析法(能量法)、有限元法、等效电路法。作者在超声电动机的研 究开发中，针对各种方法的优缺点，扬长避短，摸索了一套行之有效的分析方法：首先利用 解析法，即基于Hamilton能量原理对定子进行数学建模，导出整个电动机的运动分析模型，再用有限元方法对定子振动模态进行精确的分析与计算，并分析电动机几何尺寸、粘接层对振动性能的影响，最后用等效电路法来进行超声电动机驱动控制电路的设计与制作，设计的定子直径为100mm(国内最大)的均压型行波超声电动机获得国家专利，该电动机的原材料全部国产化，通过外协的配合，作者解决了原材料加工困难及工艺要求精密等问题。实验结果表明，这种综合方法是实用有效的，为超声电动机及其驱动控制技术的研究提供了宝贵的经验，为超声电动机的产业化及国内原材料基础工业及工艺的发展提供了理论分析方法和实用分析手段。2 解析法　2.1 解析法在超声电动机中的应用　 旋转型、直线型超声电动机的动态设计已成为世界范围内的一个重要研究课题。为实现超声 电动机的综合设计，需要一个能够反映驱动机理的解析公式，用于分析各种材料特

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