超声波电动机控制技术研究的发展及现状
胡敏强 石 斌钱俞寿（东南大学南京210096）
摘 要 综述目前超声波电动机控制技术领域的发展状况，着重介绍超声波电动机控制方法、控制策略方面的研究现状及发展趋势。
叙 词 超声波电动机控制技术发展现状
1引 言
超声波电动机简称usm是一种利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动，通过摩擦耦合驱动，将电能转换为机械能输出的新型直接驱动电机。usm性能****，具有诸如低速大转矩、功率密度大、无电磁干扰、动态响应快、运行无噪声等特点。在非连续运动领域及精密控制领域，usm要比普通的电磁电机优越的多。在工业控制系统、汽车专用电器、精密仪器仪表、办公自动化设备、智能机器人等领域，usm有广阔的应用前景。
1980年，日本的t．sashida设计制造了第一台能满足实用要求的usm电机之后，usm就倍受科技界和工业界的重视，掀起了研究浪潮，成为当前电气工程领域的一个研究热点。目前，日本在usm的研究及应用江苏省青年科学基金资助项目：bq96010领域处于世界****地位。我国于90年代初开始步入usm的研究行列，开展了usm的理论及实验研究与歼发，已取得了可喜的成果。随着大量的不同的结构的usm的开发和基础理论研究的深入以及usm的商业化，目前在日本usm的研究更多地侧重于usm的控制技术研究和控制装置的开发。
usm作为一种新型的小电机，其本身的技术发展就离不开电子控制和驱动，以电机本体很难确定电机的性能、价格和功能。控制技术的好坏，关系到能否充分发挥usm****性能，会直接影响usm的应用和推广，因而开展usm控制方面的研究是非常重要的。
2 usm的工作原理及控制机理
usm与传统的电机不同，无绕组和磁极，无需通过电磁作用产生运动力。它一般由振动体（相当于传统电机中的定子，由压电陶瓷和金属弹性材料制成）和移动体（相当于传统电机中的转子，由摩擦材料及塑料等制成）组成。在振动体的压电陶瓷振子上加高频交流电压时，利用逆压电效应或电致压缩效应产生几十千赫的超声波振动，将这种振动通过振动体与移动体间的摩擦耦合，变换成移动体的旋转或直线型运动。
对于行波型usm，通过对usm定子两相压电元件施加具有一定相位差的高频交流电压，可在定子中激发一行波，定子表面质点作与波行进方向相反的椭圆运动，若将转子压在定子上，则两者仅在（行波）波峰点接触，受摩擦力的作用，转子向行进波的反方向移动。依靠行波驱动方式可连续地对转子施加驱动力，改变波的方向，即可改变转子旋转方向。
通过改变激励usm定子两相电压的幅值，调节两相相位差及驱动频率，可以控制行波波峰点的速度，进而达到控制usm电机运动特性的目的。由于行波型usm是所有类型中结构******、用途****、商业化最早的一种，因而目前的usm控制技术和控制器的研究多是针对行波型usm而言的。
3 usm的控制变量
由usm定义及其基本工作原理可知，在usm中存在两个能量转化过程，一个是电能通过压电元件的逆压电效应转化为超声振动机械能的机电耦合过程；另～个是由振动的机械能通过摩擦耦合转化为转子的旋转运动的机械能的运动耦合过程。对于usm的控制，控制量的选取要考虑到控制量与这两个能量转化过程有关。即可以通过改变机电耦合过程及定转子相互作用的运动耦合过程控制电机的性能指标。在直接驱动的伺服控制系统中常需要对usm的位置、速度和力矩进行控制，这可通过改变定子环的振动改变定子表面质点的椭圆运动轨迹形状和大小进行控制（见表1）。
超声波电动机的速度控制可采用改变电压、频率、相位差实现；也可以通过改变通电时间（低频调节占空比）实现调速。超声波电动机的位置控制可通过位置传感器进行反馈控制；转矩大小可由相位差控制实现。电机转向的改变可通过改变两相供电电源相位实现。本文对现有usm的几种控制方法的性能进行了分析比较，结果如表1所示。
由表1可见，变频控制最适合于超声波电动机的控制，它一方面可充分利用超声波电动机的低速大转矩、动态快速响应、无噪声等优点，同时能保持较高的工作效率。相位差控制技术可无切换地实现转向的平滑改变，通过控制相位差控制 |
