摘要：以旋转行波型超声电机为例，初步构建了超声电机理论体系，系统地提出并阐述了超声电机机电耦合动力系统的构成、模块划分及其在整个超声电机理论体系中的关键地位，分析并指出了超声电机机电耦合动力系统建模的思想方法、技术路线和实现措施，提出了超声电机需进一步研究的关键技术问题。

关键词：超声电机；机电耦合动力系统；理论体系；数学模型

中图分类号：tm359. 9    文献标志码：a    文章编号：1001-6848(2010)05-0086-03

    随着材料科学、控制技术、现代加工制造技术的发展，超声电机由于其固有的优越性具有极大的发展潜力。目前，国际国内都当作重点课题加以研究，被称为面向21世纪的电机产品。但由于我国超声电机研究起步较晚，目前开发出的原型机普遍存在性能不稳，效率低、机械特性难以预测、难以实现精确控制等问题，离实际应用标准尚有一定的差距。国外虽然有些论著有所涉及，但至今超声电机的理论体系还没有构建起来。为了开发出效率高、性能好、运转稳定、可产业化的超声电机产品，对超声电机进行深入系统的研究仍然是必要的。

    综合考虑超声电机及其动力学行为，可发现这是一个机、电、控耦合的复杂的动力学系统。可大致分成机电耦合系统和驱动控制系统两大部分，如图1所示。

  驱动、控制系统主要由驱动电路及控制电路组成。驱动电路的作用是为压电材料提供适宜的电压／电流，以便达到****的驱动效果。控制电路的作用是利用反馈信号检测器（如行波超声电机的孤极）和检测转子运动的传感器（如光电编码器）等，实时地检测定子的振动状态和转子的运动状态，并通过调整驱动电压／电流的幅值、相位、频率来对电机进行控制。

     超声电机的机电能量转换是利用压电材料的逆压电效应实现的，它将所施加的电量（电压）转换成机械量（变形）。而电机动力的输出包含两个过程：

①将压电材料的机械变形转换成定子的超超声电机机电耦台动力系统及其建模方法综述陈波，等声振动，并使定子产生行波，从而使定子表面质点产生椭圆轨迹运动；

②利用定子表面质点的椭圆轨迹运动，通过定、转子之间的摩擦将其切向力传输给转子，以带动负载。

     超声电机机电耦合系统指的就是上述能量转换及动力传递、输出的整个过程及其实现手段，其核心就在于定子表面质点椭圆运动的激发及动力和运动的摩擦传递，实质上也就是预期振动模态的激发以及振动能量的动力和运动输出。这也正是建模研究的主要内容。

  机电耦合系统又可进一步划分为定子共振模块和摩擦驱动模块。前者主要是指压电陶瓷复合定子，后者主要是指定转子间的摩擦界面及其带动的转子。定子是超声电机的核心部分，由压电材料与其它材料（一般为金属）固接在一起构成复合结构，其主要功能是产生某一特定模态的超声共振。由于在压电材料中存在机电耦合现象，即把交流电压加到压电振子上利用逆压电效应激发振子产生机械振动的同时，机械振动又通过正压电效应产生反馈电流。只有当外加交变电压的频率与定子的共振频率一致时，外加电流与反馈电流同相叠加，压电材料的激振效果才能得以充分发挥，定子振幅达到****。不同型式的超声电机对压电振子的振动模态右不同的要求，如行波型电机利用的是压电振动的te模态，即平行于电场方向的伸缩振动。故此对定子的振动模态进行充分的分析是该模块研究的中心内容，压电陶瓷复合定子的形状、尺寸等应最有利于该模态的机电能量转换，而压电材料的分割、极化、配置等也是围绕这一目的进行的。

    超声电机机电耦合动力系统建模实质上包含两个方面：

一是系统集成问题，即把动力系统当作一个整体传递函数来看，建立电量输入与动力输出间的直观联系，以便实现对电机的控制；

二是分立模块问题，即将各机构装置的几何及材质参数同它们的动力学行为紧密地结合起来，使其因果关系能