“超聲電機新型功能材料及高精度測量控制技術”專欄導讀

隨著高端裝備尤其是航空航天光電裝備的發展，基于傳統電磁感應原理的電機功能部件已難以滿足系統不斷提高的輕量化、精密化、智能化要求。以壓電陶瓷為換能裝置，以定動子摩擦界面為傳力介質的超聲電機因其功率密度大、響應速度快、電磁兼容性好、斷電自鎖、低速直驅、構型靈活等優點，已成為光電裝備在高精度運動和定位控制方面性能提升和換代的重要選擇。

超聲電機的概念于1948年由英國學者提出，1982年日本學者提出“行波旋轉式”構型方法，開始將超聲電機推向實用化。從二十世紀九十年代初開始，國內外學者開展了大量的超聲電機研究工作，至今已近30年，提出了近百種不同運動自由度、不同陶瓷致動布局的超聲電機構型方案，但是由于其能量轉換效率、控制精度、環境適應性等方面的差距，仍無法滿足高端光電裝備的靜動態定位精度、環境適應性等需求。究其原因，一方面在于超聲電機材料在溫度場-電場作用下的性能變化機理仍不清晰，制約了壓電與摩擦功能材料的能量轉換效率與溫度適應性的提升；另一方面由于多參數、非線性、多耦合等特點使得超聲電機的測量與控制復雜度增加，速度、位置控制精度不高，需要進一步深化高精度測量與控制方法的研究。

為解決上述難題，在國家重點基礎研發計劃(973)的支持下，南京航空航天大學、中科院上海硅酸鹽研究所、中科院蘭州化學物理研究所、國防科技大學聯合啟動了“壓電精密驅動功能部件的基礎研究”項目。項目組圍繞“超聲振動狀態下具有表面織構的接觸界面的運動轉換與能量高效傳遞機理”、“特殊環境用壓電器件和摩擦副的功能協同設計及微細制造”與“超聲電機系統的非線性時變規律及高精度控制”等3個科學問題開展了深入研究，取得了多項成果。

為系統介紹該項目的研究進展，我們集中撰寫了《超聲電機多參量高精度測控系統的研制》、《超聲電機寬溫域低損耗壓電與摩擦功能材料》、《超聲電機的預壓力特性分析與優化》、《超聲電機速度與位置的高精度控制》四篇論文，分別從測控系統開發、功能材料研制、預壓力參數優化、高精度控制方法等方面介紹項目的主要研究成果。論文一在分析超聲電機主要的控制參數、狀態參數以及其組合特性的基礎上，開發了可對超聲電機8項控制參數與13項狀態參數進行綜合測控的實驗系統，重點解決了預壓力精準調控、界面溫度準確測量、高頻信號靈活生成及采集等問題，并形成了標準化的測控流程與實施方法，為超聲電機的性能分析與控制研究提供了基本實驗手段。論文二首先說明了超聲電機壓電及摩擦功能材料在環境適應性、能量轉換效率等方面面臨的挑戰。然后從壓電功能材料、界面摩擦材料兩個方面介紹了相關研究進展，在壓電陶瓷材料方面，研究了溫度場-電場共同作用下壓電陶瓷晶相結構與抗疲勞性能的演變規律，制造了低介電損耗、高機械品質因數及高溫度穩定性的新型壓電陶瓷。在界面摩擦方面，重點分析了溫度對摩擦材料機械性能與摩擦學性能的影響，制備出了摩擦系數高、耐磨性好、溫度范圍寬的聚酰亞胺基摩擦材料，裝機實驗驗證了新型功能材料對驅動效率及環境適應性提升的有效性。由于預壓力對超聲電機的性能與壽命有直接的影響且相關的研究工作較少，論文三結合機電模型仿真與關鍵性能測試，分析了預壓力對速度、溫度、輸出轉矩以及轉換效率等特性的影響規律，并提出了能較好地兼顧這些特性的預壓力優化方法，形成了預壓力理想工作區間的選擇方法。論文四針對超聲電機的速度和位置的高精度控制問題開展研究。為提高速度平穩性，建立了多參數速度控制模型，通過雙環復合控制方法使電機的速度穩定度優于0.44%；為提高位置控制精度，深入研究了超聲電機的微步進特性，提出并辨識了微步進過程的啟動-關斷模型，并通過驅動參數與周期數的調控方法研究，使超聲電機的運動分辨率達到了0.375 μrad。

希望上述文章能對從事超聲電機研究與應用的讀者有所幫助。

范大鵬 教授

國防科技大學

二〇二〇年三月一日