超声波电动舵机的高过载特性研究

徐雪荣，吴国东，田 秀，付红伟，王彦利

(1.中北大学 机电工程学院， 太原 030051; 2.北京航天控制仪器研究所， 北京 100039)

【装备理论与装备技术】

超声波电动舵机的高过载特性研究

徐雪荣1,2，吴国东1，田 秀2，付红伟2，王彦利2

(1.中北大学 机电工程学院， 太原 030051; 2.北京航天控制仪器研究所， 北京 100039)

根据冲击原理，分析了抗高过载超声波电动舵机在半正弦波冲击激励条件下的动态响应特性；建立了超声波舵机在高过载下的有限元仿真分析模型，利用显式算法模拟强冲击载荷下的暂态过程，分析了定转子等部件的应力和应变分布规律，研究了抗高过载超声波舵机结构对瞬时高过载的耐受性能。结果表明：缓冲用波形弹簧与不锈钢垫片的组合抗高过载措施行之有效。

超声波电动舵机；高过载；冲击；响应特性

随着武器装备的发展，对制导炮弹与智能炮弹的需求日趋迫切[1]。这两种炮弹对舵机小型化、轻量化提出了要求，普通电磁式舵机难以满足，因而研制出一种新型超声波舵机。它是是利用行波型超声波电机作为驱动元件，直接驱动舵片实现舵机功能。超声波电机应用于舵机上，可以避开接触摩擦驱动寿命短的劣势，发挥大力矩密度、无电磁干扰、响应快等优势[2-4]。

超声波电动舵机具有如下优点[5]：无电磁干扰且不受电磁环境影响；响应快，快速性好，带宽是传统舵机的3～4倍，舵翼偏转角速度比传统舵机的快；位置分辨率高，超调量比电磁式舵机小很多，静态误差小；断电自锁；结构紧凑，有利于小型化、轻型化。

然而，制导炮弹发射的高过载可达20 kg，易使现有超声波电机的转子腹板断裂、螺钉松动、定子薄梁断裂以及压电陶瓷损坏。因此，需要研制抗高过载超声波舵机。研究超声波电机在高过载环境下的受力特点和评估其耐受能力，对其在制导炮弹中的应用具有重要意义。

本文根据冲击原理，分析了超声波舵机在半正弦波冲击激励条件下的动态响应特性，建立了超声波舵机在高过载环境下的有限元仿真模型，利用显式算法模拟其在强冲击载荷下的暂态过程，分析了定、转子等部件的应力和应变分布规律，研究了抗高过载超声波舵机结构对瞬时高过载的耐受性能。

1 抗高过载结构

炮弹发射时强烈的冲击载荷(1.5万个g)使现有超声波舵机(图1)容易损坏，舵机定子悬臂梁处应力达到942 MPa，超过定子的屈服极限505 MPa。为满足发射要求，对超声波舵机的结构薄弱环节(定子部分)，如图2所示进行抗高过载设计，通过在定子下端设置波形弹簧与不锈钢垫片等，实现定子缓冲和降低压电陶瓷应力峰值。

2 冲击时定子缓冲结构的单自由度动力学模型

冲击响应谱简称冲击谱，其横坐标为冲击时的持续时间τ与系统固有频率f的乘积τf，纵坐标为冲击响应量与冲击激励量的比值η。冲击谱描述的是冲击对整体结构的影响，所以将分析冲击谱应用于缓冲、减振的设计和实验，将起到重要作用[6]。

冲击具有瞬态性，表现为冲击的激励峰值大，但很快就消失，重复的次数少。它造成的破坏以峰值破坏为主[7]。而最大冲击谱(即在冲击信号作用时，系统的固有频率与系统的最大响应值的曲线图)应用最为广泛[8]。

在很短的冲击响应时间内，缓冲减振结构中的阻尼单元吸收能量很少，对冲击最大响应值影响很小。所以在分析阻尼较小结构的冲击响应时，可以不考虑阻尼的影响，忽略阻尼单元。定子缓冲结构可简化为单自由度模型，激励函数为半正弦波函数：

(1)

定子缓冲结构的冲击响应为[9]

(2)

式(2)中：λ=ω/(k/m)1/2；系统无阻尼固有频率ωn=(1/m)1/2，k为系统刚度，m为结构系统质量。

系统响应可分为两个阶段：激励作用期间为第一阶段0≤t≤τ，激励作用后为第二阶段t≥τ。冲击响应的最大值所在的阶段应根据具体情况进行分析。

根据式(1)和式(2)可求出系统冲击响应的最大比值(冲击放大倍数)。计算结果如下：

1) 当0<τf<0.5，即ω>ωn时，系统最大响应幅值出现在第二阶段：

(3)

式(3)中：f=ωn/2π。

2) 当τf>0.5时，即ω<ωn时，系统最大响应幅值出现在第一阶段：

(4)

3) 当τf=0.5时，系统的最大响应幅值发生在冲击激励作用结束的瞬间：

(5)

定子缓冲结构的固有频率约为30 kHz,激励频率为167 Hz,系统最大响应幅值出现在第一阶段:ηmax=1。

仿真的加速度响应如图3所示。系统的最大响应在冲击载荷最大时刻3.5 ms时，ηmax约等于1。

3 冲击载荷下超声波电机的动态响应

3.1 电机的仿真模型

为简化仿真模型，将转子、推力轴承和角接触轴承作为一个整体，将定子与底座作为一个整体，波形弹簧曲线简化为36个弹簧单元(图4)，加载的冲击载荷曲线如图5所示。

3.2强冲击载荷下的超声波电机的动态响应

图6为超声波电机在承受如图5曲线所示的冲击载荷时的等效应力分布情况，反应了冲击所产生的应力波传递和结构的响应过程。冲击载荷的方向沿X轴的正方向，冲击应力从舵机的底座开始传播。应力波再经定、转子固支处传递冲击载荷，转子的外圈产生相对于转子输出轴的沿X轴负向的运动趋势。同时，接近定子齿的外圈也会产生沿X轴负向的运动趋势。定、转子存在薄壁悬臂梁结构，因而在其承受强冲击载荷时冲击响应会更加敏感，产生更大的应力与变形。超声波舵机的运行依赖于定、转子的正常接触，所以刚度较小的转子在经受强冲击时，转子腹板处可能产生塑性变形，影响定、转子的正常接触、影响舵机的正常工作。

分别选取定子的薄弱部位(薄壁悬臂梁处)、转子的薄弱部位(腹板)的表面节点和单元，研究其位移与应力随时间变化的曲线。图7为在峰值为1.5万个g的强冲击下，定子悬臂梁上节点的位移时程曲线，图8为超声波电机转子腹板处节点的位移时程曲线。

定子的材料为磷青铜，刚度较大，变形量较小[10]，冲击前后基本没有变化。定、转子在t=3.5 ms时变形量最大。在冲击载荷结束t=6 ms时，定、转子基本不再变化，且与冲击前基本一样。在整个冲击过程中，定子悬臂梁处所受最大应力385 MPa,未达到其屈服极限505 MPa(图9)，转子腹板所受最大冲击应力140 MPa(图10),压电陶瓷所受最大应力为185.6 MPa(图11)，远小于其屈服极限800 MPa，没有损坏。所以定、转子结构和压电陶瓷都符合强度要求，能够承受1.5万个g的冲击载荷。

3.3 预压力对定子频率的影响

超声波舵机以定子的振幅放大实现其转子的旋转，正常式舵机的定子模态如图12(a)所示。为适应高过载环境，新设计的缓冲结构会对其定子施加预压力，同时也会对定子的振动模态产生影响。

波形弹簧对高过载超声波舵机定子的预压力为135 N，当炮弹瞬间的高过载结束后，预压力仍始终作用于舵机定子上。

有/无预压力的定子模态计算结果比较，如图12所示。施加预压力时，共振频率增大 1 139 Hz，定子的共振模态差异很小，采用先前的电机驱动频率亦可实现驱动。因此，波形弹簧的预压力对超声波舵机性能的影响很小，采用波形弹簧的定子缓冲结构有效、可实现。

4 结论

1) 分析结果表明：抗高过载措施切实有效，能够满足强冲击的应用环境要求。

2) 为满足超声波舵机的更高的输出性能要求，还需研究转子与轴承连接处橡胶垫圈的预压力施加情况、舵机飞行时的温度对压电陶瓷的性能影响，使其能够承受更高的冲击载荷，在传统电磁电机难以应用的领域发挥作用。

[1] 朱平安，张晓龙.无人机载制导炸弹的发展综述[J].四川兵工学报，2015(3)：5-8.

[2] 赵淳生.超声电机技术与应用[M].北京：科学出版社，2007.

[3] SENJYU T，MIYAZATO T，UEZATO L.Quick and precise control of an ultrasonic motor with dual mode control[J].International Journal of Electronics，1996，80(2)：1-25.

[4] 沈大伟，边玉亮，范锦彪.基于弹载测试仪的高速旋转弹丸膛内转速测试[J].探测与控制学报，2016，38(3)：94-97.

[5] 李晓牛，周盛强，姚志远，等.超声波电机在磁悬浮飞轮锁紧装置中的应用[J].振动、测试与诊断，2013，33(4)：555-559.

[6] 顾晨钰，于纪言，王晓鸣.气锤冲击作用下含螺栓连接组合结构加速度响应研究[J].兵器装备工程学报，2016(4)：51-55.

[7] 郝玲玲，瞿成明，乔永鸣． 无位置传感器的无刷直流电机起动方式研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2015(5):119-122.

[8] 陆秋海，李德葆.工程振动试验分析[M].北京：清华大学出版社，2015.

[9] 刘习军，贾启芬，张素霞，等.振动理论及工程应用[M].北京：机械工业出版社，2016.

[10] 陈超，任金华，石明友，等.旋转行波超声波电机的冲击动力学模拟及实验[J].振动、测试与诊断，2014，34(11)：9-14

(责任编辑周江川)

StudyonHighOverloadCharacteristicsofUltrasonicElectromechanical-Actuator

XU Xuerong1,2, WU Guodong1, TIAN Xiu2, FU Hongwei2, WANG Yanli2

(1.School of Mechatronic Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Beijing Institute of Aerospace Control Devices, Beijing 100039, China)

The response characteristics to excitation of the anti-high-overloaded electromechanical-actuator under half-sine-wave shock are analyzed combining with the finite element method. The finite element analysis model of the actuator under strong impact load is established. LS-DYNA is used to simulate the transient process in the environment. The stress and strain distribution of the stator, rotor and other parts are analyzed, and the tolerance of the anti-overloaded actuator in the instantaneous large load is researched. And the results show that the wave spring and stainless steel gasket are effective for the anti-overloaded actuator.

ultrasonic electromechanical-actuator; high overload; shock; response characteristics

2017-04-10；

：2017-05-11

：国家重大科学仪器设备开发专项资金资助项目(2013YQ470765)

徐雪荣(1991—)，男，硕士研究生，主要从事冲击动力学及仿真研究。

10.11809/scbgxb2017.09.006

format:XU Xuerong, WU Guodong, TIAN Xiu,et al.Study on High Overload Characteristics of Ultrasonic Electromechanical-Actuato[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(9):26-30.

TJ414.+9

：A

2096-2304(2017)09-0026-05

本文引用格式：徐雪荣，吴国东，田秀，等.超声波电动舵机的高过载特性研究[J].兵器装备工程学报，2017(9):26-30.