超聲馬達振子等效模型的仿真與實驗研究

　　 1 引言

　　超聲馬達作為一種新型的能量轉(zhuǎn)換裝置，其能量轉(zhuǎn)換過程可分為以下兩個過程。第一過程是由壓電陶瓷的逆壓電效應把超聲交流電能轉(zhuǎn)化為定子機械振動能；第二過程是通過定轉(zhuǎn)子之間的摩擦耦合把機械振動能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的動能（力矩和速度）。固然超聲馬達的能量轉(zhuǎn)換過程已為人們所理解，但由于其兩種換能過程中材料特性和摩擦特性很難用數(shù)學模型描述。因此，到目前為止，超聲馬達還沒有建立起一個完整而又實用的數(shù)學模型來估算馬達的性能指標，設計馬達及其驅(qū)動電路。當前超聲馬達的建�？煞譃閮深悾阂皇莿恿W建模，該方法是從壓電材料的壓電方程和動力學方程開始，估算馬達的輸出力矩和速度；二是電學建模，該方法也是從壓電材料的壓電方程和運動學方程開始，通過機電耦合關系建立壓電材料的電學模型，由壓電材料的電學模型直接得到壓電振子的等效電學模型，再用變壓器等效定轉(zhuǎn)子間的摩擦耦合，從而得到馬達的等效電學模型。這種方法的優(yōu)點在于可以借助電學成熟的理論理解超聲馬達的特性，缺點在于機電對偶關系較難確立。兩種方法存在的共同題目是諧振換能在大功率下（大信號激勵時）的非線性和摩擦耦合的非線性難以確定。為此，作者針對壓電振子的諧振換能，在原有模型的基礎上，采用模型—仿真—對比實驗結果—修改模型參數(shù)的建模思路，改進了當前的振子等效模型，電子引進了非線性分量，能較好反映振子的實際情況。為超聲馬達及其驅(qū)動電路的設頰貫供參考。

2 馬達振子等效電路模型的改進

　　2.1 振子頻率特性實驗

　　實驗用hp3562動態(tài)信號分析儀，實驗對象是日本shinsei公司usr30馬達，實驗方法參見文獻[5-6]。是在激勵信號分別為10vp-p、80vp-p、140vp-p、200vp-p時的頻率特性曲線，其中vp-p為電壓峰-峰值。小孩取名

        2.2 模型的仿真是該振子在10vp-p和200vp-p時的matlab仿真結果，其中分別為幅頻（導納）、相頻和效率。仿真參數(shù)參見文獻[6]。在此為了節(jié)省篇幅只對10vp-p 、200vp-p仿真，對80vp-p和140vp-p的仿真略，并不影響仿真結果的分析。

　　2.3 實驗與仿真分析

　　由實驗結果可知，隨激勵功率的加大，會出現(xiàn)：① 振子共振頻率（幅值特性曲線的最高點頻率）下降；② 在諧振點幅頻特性有“尖點”出現(xiàn)，相頻特性有強烈的突變現(xiàn)象，且越加不對稱；③ 最小相位變大。

　　仿真顯示，曲線為平滑對癡關性。曲線當激勵電壓峰-峰值為10vp-p時，仿真結果和實際丈量結果很相近。當激勵電壓為200vp-p時，仿真曲線實際的實驗曲線有較大的差別，特別是結果②。壓電損耗在小信號激勵時不成題目，但在大功率輸進時其影響變得非常明顯，有很大一部分的生熱是來自介電損耗。說明大輸進、大能量密度的狀態(tài)下，材料特性呈非線性。即輸進大功率信號條件下的等效電路模型已經(jīng)不再適用�？紤]振子的非線性現(xiàn)象，引進非線性變量rm，即rm是頻率的非線性函數(shù)。考慮大信號激勵時，振子壓電損耗增大，力系數(shù)下降的因素，引進串聯(lián)阻抗rsqxcxs.com。

 3 振子特性的非線性仿真研究

　　3.1 概述

　　相頻和效率進行仿真。分析各參數(shù)對振子特性的影響，使特性的變化趨勢同實驗曲線吻合，以發(fā)現(xiàn)振子參數(shù)的變化規(guī)律。

　　3.2 靜態(tài)電容的變化對振子的影響

　�。�1）隨cd的增大，振子的相位逐漸增大，相位過零點消失，系統(tǒng)向容性變化；

　�。�2）振子的最小導納頻率變小，****導納頻率不變，馬達的可控頻帶變窄；

　�。�3）仿真曲線和實驗曲線相比，在大信號激勵時，幅頻特性曲線與實際的實驗結果有較大的差別（主要在諧振點四周的連續(xù)變化趨勢差別大），說明振子的靜態(tài)電容變化對振子特性非線性影響小。

         3.3 電阻rm的變化對振子的影響

　　電阻rm是與系統(tǒng)阻尼密切相關的量。該阻抗有兩部分組成：一是振子的機械阻抗，其代表振子的機械損耗；另一部分是表示對外做功（包括定轉(zhuǎn)子間摩擦損耗和轉(zhuǎn)子輸出的功率）的阻抗，該阻抗與定轉(zhuǎn)子間的摩擦模型有關。在本文的仿真研究中，沒有考慮轉(zhuǎn)子對振子的影響，因此該部分設為常數(shù)。考慮rm的變化是振子的機械阻抗的變化。

        （1）動態(tài)電阻的增大，振子的相位逐漸增大，相位過零點消失，系統(tǒng)向容性變化。這一點可較好地解釋馬達振子掃頻不耦合轉(zhuǎn)子時相位小，而加載轉(zhuǎn)子后相位變大的現(xiàn)象。也說明動態(tài)電阻的變化是馬達效率的重要影響因素之一。

　�。�2）與實驗結果比較，在大信號激勵時，幅頻特性曲線左右對稱，與實驗結果仍有較大的差別。

         3.4 rm非線性對振子的影響

　　通過3.2和3.3節(jié)的分析，電容cd和阻抗rm對振子特性的影響，固然對相位的影響比較接近實際情況，但幅頻特性和實際丈量仍有較大的差異。為此，作者基于振子在諧振狀態(tài)時機械損耗大，非諧振狀態(tài)時機械損耗小的特點，引進rm動態(tài)變化的概念，即振子在諧振狀態(tài)時的動態(tài)電阻小而非諧振狀態(tài)動態(tài)電阻大，并隨振動狀態(tài)的變化而變化。動態(tài)電阻隨諧振狀態(tài)變化的仿真結果，其變化規(guī)律為{[258,509,759]+k×|f-fm|}ω（k由實驗數(shù)據(jù)估計得到）。

　�。�1）引進動態(tài)阻抗的非線性變化后，幅頻特性與實驗結果相比，在大信號激勵時較未引進非線性的仿真更接近實驗結果。這表現(xiàn)在幅頻特性在fm點出現(xiàn)一個“尖點”；相頻特性“凹陷”兩側的斜率和實驗很相近；

　�。�2）對相位的影響和3.2、3.3節(jié)相同。3.5 變rs的仿真結果

　　rs代表壓電振子在大信號工作下不可忽視的壓電損耗。當rs分別為10w、80 w、150 w時的仿真結果。

　�。�1）rs的變化對相位的影響不大，對幅值的影響是線性的；

　�。�2）小功率工作時，振子效率的最高點為諧振點。隨信號功率的加大，介電損耗也逐漸加大，則諧振點處的效率會逐漸下降，而反諧振點的效率卻沒有大的變化，因此，當信號加大到一定程度后，最高效率點為反諧振點處。3.6 綜合變化的情況

　　振子工作時，各參數(shù)是同時