軍民兩用高性能超聲電機的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化

南京航空航天大學(xué)機械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點實驗室 楊 淋 趙淳生

作動器是高端裝備和智能裝備的重要基礎(chǔ)部件，廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備及機器人等領(lǐng)域，作為現(xiàn)代裝備向高精度、高效率、高可靠性、智能化和輕量化方向發(fā)展的核心部件之一，其水平對提升國家科技影響力和國防威懾力具有重要作用。

一、研究背景

作動器性能包括精度、效率、可靠性、穩(wěn)定性、功率密度、響應(yīng)速度、電磁兼容性、環(huán)境適應(yīng)性等。以電磁電機-減速傳動機構(gòu)為代表的傳統(tǒng)作動機構(gòu)，受傳動鏈中間隙、彈性變形等因素的限制，其重量不易減輕，精度難以提高。同時，由于作動器在抗電磁干擾、改善高/低溫和真空環(huán)境適應(yīng)能力等方面都較差，需增配保障裝置，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的重量和復(fù)雜性增加、可靠性降低。20世紀(jì) 80 年代以來，在振動和波動學(xué)、摩擦學(xué)、機械設(shè)計、電力電子、材料及控制科學(xué)等多學(xué)科發(fā)展和交叉融合的基礎(chǔ)上，新型作動器超聲電機（USM）實現(xiàn)了從原理到實際運行的突破，已逐步成為發(fā)達國家提升航空航天器、武器系統(tǒng)等高端裝備和智能裝備運動與定位精度的關(guān)鍵部件之一。

超聲電機及其結(jié)構(gòu)分解圖如圖 1 所示。超聲電壓施加在壓電陶瓷片上，使定子產(chǎn)生微幅波動，在定子和轉(zhuǎn)子（動子）間界面的摩擦作用下，定子的微幅波動轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子（動子）的宏觀轉(zhuǎn)動（直線運動）。超聲電機具有與電磁機不同的一些特點：（1）扭矩與重量比大（為電磁電機的 3～10 倍）；（2）無需減速齒輪箱，就能實現(xiàn)低速大扭矩等；（3）響應(yīng)快（毫秒級）；（4）分辨率高，控制性好。此外，還具有斷電自鎖、電磁兼容性好、噪聲小、可在真空和高/低溫環(huán)境下工作、形狀多樣化、效率不隨尺寸減小而下降等特點，這些正是航空航天器、武器系統(tǒng)等高端裝備和智能裝備特別需要的。

自20世紀(jì) 80 年代開始，超聲電機技術(shù)在日本得到了長足的發(fā)展，在90 年代末達到商業(yè)化水平。90年代，日本 Canon 公司花費 10 億日元建立了一條超聲電機生產(chǎn)線，年產(chǎn) 20萬～40 萬臺超聲電機，并成功應(yīng)用在照相機自動聚焦系統(tǒng)、手表、汽車、機器人、核磁共振儀、電動窗簾以及卡片傳輸機等產(chǎn)品上。豐田公司成立了專門生產(chǎn)超聲電機的子公司，將超聲電機應(yīng)用在汽車工業(yè)。此外，日本 Shinsei 公司、Technohands 公司、Fukoku 公司、Seiko 公司也都在銷售超聲電機。圖2為超聲電機在高端裝備和智能裝備上的應(yīng)用。此后，其他發(fā)達國家如美國、德國、法國、以色列、韓國等，也掀起了研究和應(yīng)用超聲電機的熱潮，他們投入了大量人力、物力開發(fā)超聲電機，努力追趕日本。目前，美國 DTI 公司、Micromechatronics公司、Piezo Systems 公司、New Scale Technologies 公司，韓國Piezo Electric Technology 公司，德國 PI 公司和Ellipt 公司，以色列 Nanomotion公司，英國 Morgan、Flexmotor 公司，瑞典 Piezomotor 公司等都在研究或生產(chǎn)超聲電機。特別值得注意的是，美國正在不斷把超聲電機應(yīng)用在航空航天器和武器系統(tǒng)上。

早在1997 年，美國國家航空航天局（NASA）與麻省理工學(xué)院（MIT）合作，首次將超聲電機應(yīng)用于火星探測器：MicroArmⅠ使用了1臺力矩為 0.05 N·m的超聲電機；MarsArm Ⅱ使用3臺力矩為 0.68 N·m 和1臺力矩為0.11 N·m 的超聲電機，它們比具有同等功能的直流電機輕 40%。隨后，美國又在核彈頭解密鎖和導(dǎo)彈制導(dǎo)中應(yīng)用了超聲電機。據(jù)美國國防部導(dǎo)彈防御組織（BMDO）報道，AERC 公司正在按照合同為BMDO 研發(fā)超聲電機，并使之應(yīng)用于導(dǎo)彈子系統(tǒng)的安全引信裝置中。為了研發(fā) BMDO 要求的原型超聲電機，AERC 公司和美國聯(lián)合信息公司（美國國防部八大軍火供應(yīng)商之一）簽訂了合同。AERC 公司是美國制造超聲電機最好的工廠之一，且得到美國能源部的支持。在國防和國家安全領(lǐng)域，受到一些關(guān)鍵性能的限制，傳統(tǒng)伺服電機和步進電機不再適用，而早在2008 年美國 DTI 公司就曾報道過，該公司研制的新型超聲電機系統(tǒng)可應(yīng)用于這些領(lǐng)域。最近幾年，美國一直致力于將超聲電機推廣應(yīng)用于智能飛機上，NASA正在研制隱形智能機翼。他們分別對電磁電機、形狀記憶合金、電活性聚合物、壓電/液壓泵以及超聲電機進行了試驗，結(jié)果表明應(yīng)用超聲電機的方案效果最好，可實現(xiàn)無鉸鏈的變形翼展、高效和快速驅(qū)動，達到 80°/s偏轉(zhuǎn)速率，能有效抑制飛機顫振。

二、超聲電機技術(shù)的發(fā)展

在20 多年時間里，南京航空航天大學(xué)趙淳生院士研究團隊開展的超聲電機研究工作取得顯著成果，研發(fā)了3個系列（板式、桿式和空心式）， 60多種樣機；發(fā)表論文700多篇，出版中、英文專著《超聲電機技術(shù)與應(yīng)用》各一部；申請了300多項國家發(fā)明專利，其中已授權(quán)170多項；趙淳生院士獲得“江蘇省十大杰出專利發(fā)明人”榮譽稱號；“超聲電機的研究”項目獲國防科學(xué)技術(shù)進步獎一等獎，“新型超聲電機技術(shù)”獲國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎；“大行程、高精度、快響應(yīng)直線壓電電機”獲教育部技術(shù)發(fā)明獎一等獎和國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎；2014年趙淳生院士先后獲得何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)進步獎，IWPMA（Interational Workshop on Piezoelectirc Materials and Applications in Actuators）組委會頒發(fā)的“壓電超聲領(lǐng)域終生成就獎”及美國Virginia Tech的能量收集材料和系統(tǒng)中心（CEHMS）頒發(fā)的“超聲電機技術(shù)突出貢獻獎”；作為起草單位制定了軍用超聲電機技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；主導(dǎo)制定的超聲電機技術(shù)國家標(biāo)準(zhǔn)已完成初稿；目前已著手起草國際超聲電機技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

為了響應(yīng)國家軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略的號召，依托南京航空航天大學(xué)并以趙淳生院士團隊為核心，成立了南京航大超控科技有限公司，將不斷推動超聲電機走向產(chǎn)業(yè)化。其中小批量生產(chǎn)的超聲電機產(chǎn)品已用于嫦娥3以及其他衛(wèi)星上，效果顯著，如圖3所示。民用方面，超聲電機已應(yīng)用于核磁共振注射器、細胞穿刺裝置及多種光學(xué)儀器上。表1為南京航大超控科技有限公司生產(chǎn)的超聲電機產(chǎn)品的性能指標(biāo)。

三、加速發(fā)展高性能的超聲電機系統(tǒng)

表1 超聲電機產(chǎn)品的性能指標(biāo)

現(xiàn)階段我國生產(chǎn)的超聲電機的性能還不能完全滿足航空航天器、武器系統(tǒng)等高端裝備和智能裝備的要求。雖然國外生產(chǎn)的超聲電機性能不斷提高，在航空航天器、武器系統(tǒng)等高端裝備和智能裝備中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但由于涉及航空航天、武器裝備等領(lǐng)域，超聲電機核心技術(shù)資料均處于保密狀態(tài)，鮮有文章發(fā)表，其產(chǎn)品也禁止對我國出售。因此，我們只能依靠自己的力量，對超聲電機技術(shù)進行更深入、更系統(tǒng)的研究，從提高超聲電機的精度、穩(wěn)定度、耐沖擊強度和降低轉(zhuǎn)速極限等方面入手，研制出能滿足高端裝備和智能裝備要求的超聲電機，以打破其他國家在高性能超聲電機產(chǎn)品上對我國的封鎖。為此，針對航空航天、武器裝備和醫(yī)療器械等領(lǐng)域?qū)Τ曤姍C的要求與應(yīng)用現(xiàn)狀，以趙淳生院士團隊現(xiàn)有的超聲電機技術(shù)為基礎(chǔ)，對超聲電機定子和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與材料進行優(yōu)化設(shè)計，深入而系統(tǒng)地研究超聲電機，揭示其系統(tǒng)的時變非線性規(guī)律， 提出實現(xiàn)超聲電機系統(tǒng)高精度、高穩(wěn)定度和極慢轉(zhuǎn)速輸出的驅(qū)動與控制理論和方法，研制出一種精度、穩(wěn)定度、強度和轉(zhuǎn)速梯度都較高的超聲電機，其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、制造方便， 可實現(xiàn)以下性能指標(biāo)：（1）位置精度高于1"；（2）位置分辨率優(yōu)于0.1"；（3）轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度接近編碼器極限精度；（4）極低轉(zhuǎn)速，可達到0.5"/s（1r/月）；（5）耐沖擊加速度（峰值）不小于20000g（g為重力加速度）。

為了實現(xiàn)上述性能指標(biāo)，必須研究和解決以下關(guān)鍵技術(shù)：（1）超聲電機定、轉(zhuǎn)子進一步優(yōu)化設(shè)計理論及方法，如建立響應(yīng)面模型，最后通過相應(yīng)算法獲取定、轉(zhuǎn)子尺寸的目標(biāo)最優(yōu)解；（2）研制碟形彈簧，保證超聲電機在零剛度區(qū)域內(nèi)工作，實現(xiàn)超聲電機預(yù)壓力的恒定，從而提升超聲電機的精度、穩(wěn)定度；（3）研究超聲電機非線性現(xiàn)象及其控制規(guī)律，增加超聲電機運行的穩(wěn)定性；（4）實現(xiàn)超聲電機高精度、高穩(wěn)定度的驅(qū)動與控制，設(shè)計出雙PWM 拓撲結(jié)構(gòu)超聲電機驅(qū)動控制器，實現(xiàn)驅(qū)動信號的精確控制；（5）優(yōu)化超聲電機的結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計，研制出能耐20000g沖擊加速度（g為重力加速度）的超聲電機。

本文得到國家自然科學(xué)基金面上項目（項目號：51575265）、江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助。