Int ern at i onal  Journ al of  P ower E l ectr on i cs a n d  Drive  S ystem s   ( IJ PEDS )   Vo l.   12 ,  No.   2 ,  Jun  2021 ,  pp.  695 ~ 7 02   IS S N:  20 88 - 8694 ,  DOI: 10 .11 591/ ij peds . v12.i 2 . pp 695 - 7 02          695       Journ al h om e page :  http: // ij pe ds .i aescore.c om   A study  on mod eli ng of a  piezoel ectric mot or       Youssef  Ba ba 1 , Mos taf a  Bo u zi 2   1 Univer sity  Hass an  II ,   ENSA M, 20670 Ca sabl an ca ,   Morocc o   2 Univer sity  Hass an  I, FS T, 26000   Settat, Morocc o       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   J un   2 7 , 2 0 20   Re vised  M a r   1 ,  20 21   Accepte d  M ar   21 , 20 21       In  thi s  pap er,  a  study  on  modeli ng  of  a  p iezoe l e ct ri c  tr ansduc er   type   rot ary   tra ve li ng   wave   ult rasoni c  mot or   (US M)  is   pre s ent ed .   First  a   m at he ma t ic a l   mode l  and  numerical  simul at ion  result s  are   ac h ieved.   Th e  mod el   is  base d  o n   the   th eor y  of  p i ez oe le c tricit y   an d  physic  th eor y.   An  expe ri me n t al   mod el   is  worked  out  and   com par ed  to  t he  nume r ic a l  m odel .   The   infl u enc e  of  the   te mp era tur e   on  cha ra cteri sti cs  s uch  as  th e   rotat iona l   spee d   of   t he  m otor   is   conside red .   Th e  spee d  of  th e  US M  is  me asure d   a t  temper at ure   be twee n  17°C   and  50°C.   To   de vel op  sui ta bl e  c ontrol   str at eg ie s  for  the  driv e,  a   f uzz y  mode l   type   T aka gi - Su geno  is  used.   The   unknown  par amete rs  of  the   outpu t   me mb ership  fun ct ions  are  d et er mi ned   by   least  s quar e   method.   E xper imenta l   dat a   are  used   t o  ex amine   th e   val idity   of   th e   fuz zy   mod el .   C ompa rison   bet wee n   expe ri me nt al  and   c al c ula t ed  d at a   of   th e  fu zz y   mod el  i ndic a te s  that   the   fu zz y  mode l   ca n  w el l   desc ri be  the  nonli n ea r   cha r ac t eri sti cs  am ong  t h e   fre quenc y   of  dr i ving  voltage   and   rotating  sp ee d.   Ke yw or d s :   Fu zz y  lo gic   M odel in g   Tempe ratu re e f fect   Ultraso nic m ot or   US R6 0   This   is an  open   acc ess arti cl e   un der  the  CC  BY - SA   l ic ense .     Corres pond in g  Aut h or :   Yousse f  Ba ba    Un i ver sit y Ha s san II   ENSA M , 2 0670 Casa blanca  M or occo   Emai l:   yous se f .b a ba@gmail .c om       1.   INTROD U CTION     Ultraso nic  m ot or s  a re  a   ty pe   of  act uat or   wh ic h  hav e   s ome   excell e nt  performa nces  su c h  as  high   ho l ding   tor qu e,  high   to rqu e  at   l ow  s pe ed,  qu ie t  ope rati on,  simple   str uctu re,   c ompact   siz e  a nd  no  el ect ro ma gn et i c interfe re nce  [ 1].    Du e  t o  su c h  c har act erist ic s,  ul traso nic  m oto rs  ha ve  bee n  in  man y  pr act ic al   app li cat ions,  su c h  as  i n  rob ots,  me dical   instr um e nts,   cameras,   ae r onautic s,  M E MS   a nd  ma ny   ot he rs.  P recise  t he or et ic al   mode li ng  of  mo ti on  an d  en ergy   co nversi on  i n  ultras onic   m otors  is   of  gr eat   interest   bo t h  from   t he or et ic al   a nd  pract ic al  view po i nts.   O ne  of  t he   m os t  interest ing  t ypes  of  m otors   is   a   travell in g  w ave  ultras onic   mo to r.  Howe ve r,  it   is   diff ic ult  to  de r ive  co mp le x  mathemat ic al   model  of  the  USM.  More ov er,  the  c ontr ol  char act e risti cs  of   t he   mo to r  a re  high ly  no nlinear .    The  e xact  val ues  of  m otor  par a mete rs  a re   diff ic ult  to  obta in  an d  th ey   are  ti me - va r yi ng   du e  t o  increase  i n  te m per at ur e  a nd  c hanges  i n  m oto r  dr i ve  op e rati ng   c onditi ons  su c h  as  dri vi ng  fr e qu e nc y,   a nd  loa d  tor qu e .  S eve ral  at te mp ts   ha ve   been  ca rr ie d   out  to   dev el op  t he  model  of  th e  m otor.  The   e qu i valent  ci rcui t  was   widely   us e d  on  ultraso nic  m otor  m odel ing   [1 ] - [6 ].   B ut  thi s  typ e   of  m ode l  is  a  rude  modeli ng  meth od  of   t he   dynamic   c harac te risti cs  of  ultraso nic   m oto r   a nd  ca nnot   be   us e d  to   desig n  m otor’ s  c o nt ro ll er   directl y.   Don gs he ng  Z ha ng,  S hiyu  Wa ng   a nd  Jie   Xiud  [ 7 ]  de velo pe d  an  a nalytic al   dynamic  m od el   of   ri ng   ultra so nic   mo to r.   Ba se d  on   t his  m odel ,  the  piezo e le ct ric  par ame tric   eff ect s  on   the  wa ve  di stortio n  an d  c on ta ct   mecha nics  a re  examine d.  I n  [ 8] - [10 ]  dif fer e ntial   ev olu ti on  al gorithm  is   us ed  for  mo t or’s  model  ide ntific at ion .   The  al go rithm   reduces  t he  t ime  require d  i n  the  proces s   of  ide ntific at ion .   M a ny  re s earche rs  c onsidere d  mecha nical   ch aracte risti c  of  con ta ct   fr ic ti onal   la yer   a nd  ca lc ulate d  dis pl a cement  a nd  spe ed  of   t he  r otor  usi ng   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  12 , N o.   2 ,  J une  2021   :   695   –   702   696   finite   el ement method [ 11] - [13 ] .  I n  [ 14] - [ 1 6 ]   dyna mic  co nta ct   prob le ms b e tween  a   rigi d  r otor  an d  de for mable   sta tor  we re  ap pro ximate ly  s olv e d.   Du e  to   the  li mit at ion s  of   the oret ic al   mo delin g,   c ontr ol  desig n  usual ly   adopts   ide ntific at ion   meth od  base d  on  t he  t est ed  data.   Ac cordin g  to   the   diff e re nt  ide ntific at ion  meth ods,   the   forms  of  m od el   can  be  the  t ran s fer  f un ct i on,  dif fer e ntial   equ at io n,  ne ur al   netw ork,   a nd  s o  f ort h.  I n  recent  year s ,  f uzz y  modeli ng  met hod  base d  on  fu zz y  reas on i ng  is  gr a dual ly   arisen .  T he  s ame  as  in   the   ne ur al   netw ork  m odel ,  f uzzy   model  i s  al so   ba sed  on   exp e rime ntal  data,  eas y  to  s how  the   no nlin ear  inf ormat io n.   T he   fu zz y met hod i s m os tl y use d  t o real iz e sp ee d an d posi ti on  c on t ro l  [1 7] - [ 1 9 ].     This  pa per  pr e sents  both   a   nume rical   m od e l  an d  a  fuzzy   modeli ng  meth od  b ase d  on   Takagi - Sugen o   rea soning   is  use d   to   obta in   the   m od el   of   ultr aso nic  m otor.   The   Taka gi - Sugeno   m od el   is   c hose n  t o  ma ke  t he   pro po se d  mod el   easy  t o  us e  on  co ntr ol  design.  T he  outp ut  of  Ta kag i - S uge no  m od el   is   a   li near   mathem at ic al   expressi on.  C ontrari wise,   the   M am da ni  m od el   giv e s  a   f uzz y  outp ut.  The   pro po se d  w ork   co ns i der s   the   eff ect   of   te m pe ratu re .  This  w ork  will   be  ve ry  us e f ul  f or   t he  op ti mal  desig n,  re du ci ng  the  hea t  loss ,  pr ese r vin g  the   desire d  r otar y  sp ee d,  an d  im pro veme nt  of  pr eci se   co ntr ol   of   U SM.  Thi s  met hod  is  ba sed   on   f uzz y  m od el   structu re  a nd  exp e rime ntal  measu reme nts.   The  data  c onta ins  the  dr i vin g  f reque ncy,   the  te m per at ure  an d  ro ta r y  s pee d  of   ultraso nic  m oto r .  The  le ast   s qu a res  met hod  is   us ed  to  i dent ify  the  un known  par a mete rs   of   the   con cl us io ns   of  fu zz y ru le s .   This  pap e r  is   orga nized  as   i n  Sect io n  2,  a  mathe mati cal   model  is  pr ese nted .  Si mu la ti ons  are   achieve d  on  MATL AB.  I n  Se ct ion   3,  ex per i ments  are  perf ormed  to  ve rif y  the  ef fecti ve ness  of   the  a na lyti cal  model.  T he  e ffec t  of  te mp e rat ur e   is  disc us se d.   A n  a dap ti ve   f uzzy  m od el   i s  in vestigat ed   in  Sect io n  4,  ta king   into acc ount t he  mo t or’s n on - li near it y.   Final ly,  c on cl us io ns o f  this  w ork  a r e presente d  in   Sect ion   5.       Table  1.   Desig n  s pecifica t io ns an d  sim ulati on  par a mete rs  of USR 60   Item s   Descripti o n s   Valu es       Sp eed   Po wer     Su p p ly  f requ en cy   Su p p ly  vo lta g e   Rated  sp eed   Rated  po wer   Load  torq u e   40 - 4 2 k Hz   100V rms   9 0 rpm   3w   0 - 0 .32 Nm       m R   Stato r  m ass   Ro to r  m ass   1 0 .1e - 3 Kg   30e - 3 Kg   ,           Ro to r  d am p in g   Stato r  d am p in g   Stiff n ess   Ap p lied  f o rce   Moment o f  inertia  o f  th e r o to r   5%   1 5 .4Ns /m   5 .95 e+8 N/m   160N   7 .2e - 6 Kg m 2   Θ   Co u p lin g  f acto r   0 .22 6 3 N/V       2.   USM  MO DE LING   In  [ 20 ]   a n  e qu i valent  mec han ic al   t wo - m od e   a ppr ox im at ion   is   giv e n,  r ep rese nting  the   m od a l   amplit udes   1 ,   an d   2 ,   of  the   sine -   an d  c os i ne - m od e   of  the  vi br at in g  sy ste m   (stat or  a nd  c eramic),   see     Fig ure   1.  The   par a mete r     des cribes   the   m od al   mass   of  sta tor   a nd   ce ramic ,  a nd    represe nt s  the   str uctu ra l  dam ping.    and     ref le ct   the  eq ui valent  mecha ni cal   sti ff ness  of  the  sta tor  a nd   ceramic ,  res pe ct ively.  1   and  2   are  dis placem ents  w hich  a re   pro portion al   t o  the  el ect ric  currents  flo wing   i nto   t he  cer amic   la yer .  C r os s - couplin g  betw een  the   tw o  m od e s  is  r ep rese nted  by  the   s mall   disturba nc es   1 ,   2 .  The  deter minati on  of  t he   model  par a mete rs  ca n  be   base d  on  e nerg y  c onside rati ons  or  detai le d  finite   el ement  a nalys is  of  the   sta to r  [ 21 ] - [ 24 ] .           Figure  1. M ec ha nical  m od el   f or the  (stat or +  ceramic ) of   U SM     1 , t w 2 , t w 1 y 1 y 2 y 2 y C c C c S c S c S 1 d S 2 d 1 e C c 2 e C c Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       A stu dy on m odel ing of  a piez oelect ric  motor   ( Y oussef B aba )   697   2.1.   Mathem ati cal  mo d el      An  ultraso nic  mo to r   us e s  me chan ic al   vi br at ion s   in   the   ultr aso nic  ra nge  as   it s  dr ive   s ourc e.  A  volt age  is app li ed  to  t he  p ie zoelec tric   ceramic  eleme nts th rou gh  t w o  el ect r od es  to gene rate al te rnat ing  e xp a ns i ons a nd  con t racti on s   i n  the   ce ramic   body.   T he   ma gnit ud e   of  t hes e  os ci ll at ion s   is  of  the   orde r  of  1µm.  In  order  to   ob ta in a  highe r  g ai n; the reso nan ce e ff ect   of the ceramics i n  the  ultraso ni c range is u se d. The  s pecifica t ion s  of  the  U SR6 0 - obje ct   of   t his  stu dy - a re g ive n  in  Tab le  1 .  T he  st at or  o f   USM   is  co ns ide red  as a  piezoelec tric  p la te ,   po la rized i n  it s  thick ness dire ct ion   [1].     Wh e n  t wo  sp e ci fic  phase  vo l ta ges  are   ap plied  to   the  piez oelect ric  el em ents,  a  t rav el li ng  wa ve  i s   gen e rated   on   the  s urface  of  t he  sta to r.  T he  travell ing  wa ve   pro duces  vibrat ion  with   a n  el li ptic  locus  on   th e   su r face  of  the  sta tor.   T his  sta tor  vi br at io n  is   transfo rme d  into  a  r otati on   t hro ugh  f rict ion  con ta ct   bet we en  the   sta tor  a nd   r otor.   The   ro t or  is   presse d  agai nst   the   sta tor   by  a   disc  sprin g  ( 160N) .  The   con ta ct   area   be tween  sta tor  a nd   r otor  m ov e s  with   th e  tra velli ng   w ave.  T he  r oto r   is  modele d  by  a  rigid  strip   [ 1].  I n  deali ng  wi th  the   dynamics   of  t he   r otor,  t wo  de gr ees   of  f reedo m  m us t  be  ta ke n  i nto   acc ou nt :  first  the   r otati on  of  t he  ro t or  a nd   seco nd  the  mot ion   in     directi on,  as  sho wn  by  [ 25 ].  T he   dyna mic s  of   t he   ve rtic al   ro t or   mo ti on  is  obta ined   thr ough the  forc e eq uili br iu m  in    directi on .     ̈ + ̇ = −   ( 1 )     with     is  the  ma ss  of  th e  r otor,   an d     is  an  a ppr opriat e  da mp i ng  te r m  of   t he  ve rtic al   mo ti on.   The   ap plie d  axial   load ,   ,  is  a  sy ste m  i nput,   and    is  the  for ce  at   the  co nta ct   area.  T he  e quat ion  of  r otati on al   mo ti on  is  cal culat ed by .     ̈ + ̇ = −   ( 2 )     w he re    is  the  app li ed   tor que   (mec han ic al   l oad),    de note s  the  da mp i ng  in  sp i nn i ng  di recti on   a nd    represe nts  the  mo me nt  of   i ne rtia   of   t he  r otor.  T he    te rm  is  the  f rict ion al   pressu re  at   the   con ta ct   ar ea.  T he    te rm  is  small , but  not ne gligi ble . T he d yn a mics o f  the  stat or can  b e  d esc r ibed b y     ∙ ̈ + ∙ ̇ + ∙ = ∙   ( 3 )     wh e re  th e  pa r amet er    desc ribes  the   m od el   mass  vecto r  of   sta tor  a nd  ceramic ,    re flect s  the  str uctu ral   dam ping  vecto r,   a nd    re pr ese nts  the   eq uiv al ent  mec ha nical   sti ffness  vect or  of  t he  sta to r   an d  ce ramic.   The   vecto r    is   the   phase   volt ages ,  and    re presents   the   el ect rome chan ic al   co upli ng  mat rix   co nsi der in g  the   cr oss   excit at ion .  In   order   t o  co ns i der   the  i nterac ti on   bet ween   t he  sta tor/ ro t or - con ta ct ,  E quat ion   (3)  re flect ing   t he  sta tor’ s  dy nam ic s is to e xten d b y  a  nonline ar  modal  force  ve ct or     yieldi ng .     ∙ ̈ + ∙ ̇ + ∙ = ∙ +   ( 4 )     Hen ce ,  the   dy namics  of  the  mo to r  is  c omp le te d.   A n  i nteg rati on   of  this  modeli ng  ap pr oach  base d  on   cl os ed   form sol ution s   for  the  contac t  mecha nism i nto  the  sim ulati on  m odel  is fe as ible.     2.2.   Simul at i on  re sults     The  im pleme ntati on   is  perf ormed  on  M A TLAB  a nd   t he   par a mete rs  of   USM  a re  s cheduled   in     Table  1.  T he   t empe rature  of  the  mo t or  is   suppose d  to   be  20°C.   T he   s pee d  of  t he   m otor   ha s  it s   ma xim um  at   the  mecha nical   res onant   f re quency.  It  is   du e   to  th e  fact  t hat  the   re volvi ng  sp ee d  of  t he  m otor  is   propo rtion a l   to  t he  vibrat io n  f or ce   of  piezoelec tric   el e ments.   S o,  a ny  de viati on  fro m  t his  fr e quen cy  de gr a des   th e  m oto r   performa nce.   Howe ver, this  eff ect  see ms  m or e  ser i ou s  for  fr e qu e nc y decr ements.     To  a vo i d  th ese   phen om e na ,   s peed  of  USM  was  c on t ro ll ed   in  40 - 42 kH z   fr e qu e nc y  rang e.  Fig ure   2  sh ows   s peed - f r equ e nc y  c ha ra ct erist ic   of  USM  unde r   dif fere nt  loa d  to rque s.  S pee d - fr e qu ency  c har act e risti c  of  USM  is   not  li ne ar.  R otar y  spe ed  dec reases  as  the   loa d  t orqu e   inc reases .  As  menti one d,  va riat ion s   in   dr i vin g  fr e qu e nc y  cha ng e s  sp ee d  of  USM.   Fi g ure   3  re pr ese nts  sp ee d - to r qu e  c har act erist ic   of  USM  for  dr iving   fr e qu e nc y   = 4 0 kH z . Wh en  the  loa d  t orqu e  ex cee ds 0 . 32Nm, the  m odel  b ec ome s i mpreci se.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  12 , N o.   2 ,  J une  2021   :   695   –   702   698     Figure  2. S pee d - fr e quenc y  c ha racteri sti c s of  USM       Figure  3. S pee d - t orqu e  ch a ra ct erist ic  U S M       3.   EXPERI MEN TAL D ATA   A ND R ES ULT S   To   obta in   the   t empe rature  a nd  t he   pe rfo rma nce   cha racteri s ti cs  of  t he   m oto r ,  a n  e xp e rim ent  set up  is   est ablished .  Th e  m oto r   is  al im ented   by  t he  t wo - phase   vo lt a ges  with   90°   phase  sh ift.   T he   te ens y  de velo pm e nt   bo a r d  r unni ng  at   72 M Hz   an d  the   dr ive r  c ircuit   are   util iz ed  to   gen e rate ,  am plifie r,  a nd  filt er  t he  a pp li e d   vo lt age s  of  t he US M .     A  te m per at ur e   sens or  (L M3 5)  is  us ed   to  m easur e   the  te m per at ur e  of  the   sta tor  i n  the   te mp e rature   range  of  17°C   to  50°C.   A  hi gh est   sp ee d  of  the   USM  ca n  be  obta ine d  w he n  th e  sta t or  is  e xcite d  by  the   resona nt  f re quency.  T he  dri vi ng  f reque nc y  i s  meas ur e d  by  os ci ll os co pe.  A  ca pacit ive  e ncode r  ( A M T 102  with   1024  pulse s  pe r  re vo l ution)  is   us ed  t o  meas ure  the  r otati ng   sp ee d  of  U SM.   The  de vel opm ent  boar d  is  use d  to  measu re  da ta   f rom  both  t he  posit ion   a nd  te mp e ratur e   sen s or s .  T he  ex pe rimental   be nc h  a nd   it s  blo c k  di agr a m   are s how n  in  F ig ure   4.     A  c omparis on  betwee n  sim ul at ion   an d  e xp erimental   re su l ts  for  s peed - f r equ e nc y  c har a ct erist ic   of  USM  unde r  di ff e ren t  l oad  to rques,  is  giv e n  in  Fig ure   5.  The  fig ur e   s hows   that  t he  s imulat ion  res ul ts  are  com patible   wi th  the  e xp e rimental   val ues.  Howe ver,  f or  fr e qu e ncies  a bove  41.1 kH z   we  noti ce  a  sli gh t   dev ia ti on  du e  t o  th e  in crease  in  mo t or   te m pe ratur e .  T he  m at la b  model  is  no t  ti me  dep e ndent.  Ne ver t he le ss,   durin g  mo t or  op e rati on  a nd   as  ti me   pas s es,  the   te m perat ur e  of  t he  c eramic  el eme nt s  increas es,   wh ic h  decr ease s the   USM s pee d.     In   order   t o  me asur e  t he  te mpe ratur e  of   t he  USM,  the  sta t or   is  excit e d  by  the  res ona nt  fr e qu e nc y.  Fig ure   6  s how s  the   s peed  of  U SM  versus   ti me.  It   is  e vi den t   that   sp ee d  dec reases   ac cordin g  to   the   ti me   dep e ndent  te m per at ur e  rises.  Fig ure  7  sho w s  the  meas ur e d  te mpe ratu re  ver s us   ti me.  A fter   13  min utes,  th e   mo to r  te m per a ture  e xceed s  50°C.  T he  te m per at ur e - ti me  curve  is  al most   li near .   I n  te rms  of   it s  ef f ect   on   resona nt  fr e quency,  howe ve r,  te mp e ratu re  c hange   is  a   m ore  imp ort ant  fac tor  t ha n  dime nsi on al   preci sio n.  Th e   eff ect   of   te m pe ratur e   is  sho wn   i n  Fi g ure   8 .  F r om   this  fi gure,  it   is  co nc lud e d  that  th e  resona nt  f re qu e nc y - te mp erat ur e  c ha racteri sti c  is  li near   f r om   20° C  to  50°C,  a nd  it   can  be  ap pr ox imat e d  by  a  li near   eq uatio n  [ 26] - [27 ] . In  [ 1] the  auth or s  af firme d  that t his c harac te risti c is li near  fr om   - 10°C  to 55°C .                             Figure  4. Ex pe rimental   ben c h an d  it s  blo c k d ia gr am     20 40 60 80 1 0 0 1 2 0 1 4 0 4 0 . 0 0 4 0 . 5 0 4 1 . 0 0 4 1 . 5 0 4 2 . 0 0 Sp eed   (r p m ) Drr iv e  Frequ en cy     (kHz ) Sim u latio n (0.0 Nm ) Sim u latio n (0.1 Nm ) Sim u latio n (0.2 Nm ) Sim u latio n (0.3 Nm ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       A stu dy on m odel ing of  a piez oelect ric  motor   ( Y oussef B aba )   699             Figure  5. Com par is on b et wee n  sim ulati on a nd expe riment  resu lt s           Figure  6. S pee d - ti me c ha racteri sti c o f  USM   Figure  7. Tem per at ur e  of the   USM  ver s us  ti me         Figure  8. Tem per at ur e - de pe ndence  of  res onant freq ue ncy       4.   ADAPTI VE F UZZY  MO DE L   The   ultras onic   mo to r   has   nonl inear   sp ee d  c ha racteri sti cs  w hich   va r y  with   dr i ve  operati ng   co ndit ion s  su c h  as  te m pe r at ur e  rise  a nd   app li ed   loa d  to rque  c ha ng es .  Fu rt hermo re,   the  m otor  has  no  mat hemati c  model   for  c on tr ol  by   far   beca us e  th e  dr i ve  pr inci pl e  is  diff e ren t  from  t he  ge ne r al   el ect ro ma gnet ic   typ e  m otors.  In   this  sect io n,  a  fu zz y  model  is   pro pose d  to   s olv e   these   pr oble ms  from   th e  point   of  util it y.   T he   in pu t   of  the   fu zz y  m od el   is   the  fr e qu e nc y   ,  and   the  outp ut  is  the  sp eed   .  The  f reque nc y    is  def ine d  in  the  range  f r om  40  to   42 kH z .  Lo ok i ng  at   th e  in pu t - outp ut   data  sho wn  in  Fi g ure   5,  w e  can   see  t hat   the  sp ee d - fr e qu e nc y  char act e risti cs  change   as   the   fr e qu e nc y  dec r eases.  F ive   f uz zy  set s :   “ very _ small ”,  “s mall ”,  “m edi um ”,   “big”,  and “ve r y _ big ”   are  def i ned  as  sh ow n  in  Fi gur e 9 .  W e  h a ve a  model  with t he   five   impli cat ion s .                   very_ sm all       ℎ    1 = 1 ∙ + 1     ( 5 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  12 , N o.   2 ,  J une  2021   :   695   –   702   700                 sm all      ℎ    2 = 2 ∙ + 2     ( 6 )                           ℎ    3 = 3 ∙ + 3   ( 7 )                        ℎ    4 = 4 ∙ + 4     ( 8 )                     very_ bi g    ℎ    5 = 5 ∙ + 5     ( 9 )     wh e re    (i =  1…5)  is the  r otary  sp ee d.  T he five  mem ber s hip f un ct io ns o f  Fi g ure   9 are  giv e n b y .     1 ( ) =  ( − ( − 40000 ) 2 )   ( 10 )     2 ( ) =  ( − ( − 40500 ) 2 )   ( 11 )     3 ( ) =  ( − ( − 41000 ) 2 )   ( 12 )     4 ( ) =  ( − ( − 41500 ) 2 )   ( 13 )     5 ( ) =  ( − ( − 42000 ) 2 )   ( 14 )     with  = 6 , 65 − 6 . T hen the  mo t or sp ee d  is  obtai ned by  de fu zzi ficat io n.     = ∑ ∙ 5 1 =   ( 15 )     with  = ∑ 5 1 ⁄ ,    = [ , ] ,  and   = [ , 1 ] .  I n  this  pa per   t he  vect or     is  cal culat ed  by  the  le ast  sq ua res  alg or it hm .     + 1 = + + 1 + 1 ( + 1 − + 1 )     + 1 = − + 1 + 1 1 + + 1 + 1     = 1 … 999     0 = 0 ,  0 = 1000 ∙         Figure  9. M e m ber s hip f unct io ns   of fuzz y  set s       Fig ure   10  s hows  th e  e xp e rimental   m odel   (no  l oad)  a nd  the  f uzz y  m od el   of  the  s pee d - fr e quenc y  char act e risti c.  Su c h  cha racter ist ic   ind ic at es  the  simi la riti es  betwee n  the  e xperime ntal  nonl inear  m od el   a nd   t he   fu zz y  m od el .   Th is   m od el   ca n  the n  be  us e d   to  pe rfo rm  a  dire ct   co ntr ol  desig n.   With  the  ada ptive   fu zz y  appr oach,  mo t or’s  nonlinea ri ti es  are  maske d  by  loc al   li ne arizat ion  us i ng  the  Taka gi - Sugeno   reas onin g .   The   same c on cl us io ns  a re  valua ble  for  l oad b el ow 0 . 3Nm.   0 0.5 1 40 40.5 41 41.5 42 Dr ive  Fr equ ency   ( kH z) m 1 :  very _ sm all m 2 :  sm all m 3 :  medi u m m 4 :  big m 5 :  very _ b ig Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       A stu dy on m odel ing of  a piez oelect ric  motor   ( Y oussef B aba )   701           Figure  10. T he  sp ee d - fr e quen cy  c har act e risti c       5.   CO NC L US I O N   In  this  pap e r,  a  stu dy  on  modeli ng  of  USM  is  prese nted.  A   nume rical   model  of  the  m ot or   is   achieve d .  T he  simulat ion   res ults  are  co mp a red   with  the  e xperime ntal  one s   wh ic h  gi ve  good  a gr ee ment   of   the   model.  T he  e ffec t  of  the  te m pe ratur e   on  t he  char act e risti cs  of   t he  USM  is  discusse d.  F ur t hermo re,  t he  e f fects   of   dri ving  fr e qu e nc y  a nd   l oa d  to rque  a re  identifie d.  Ba s ed  on   t he  e xperimental   data,  a  f uzz y  m od el   is  achieve d.   T he  model  can  wel l  simulat e  the  nonlinea r  relat ion s hip   a mon g  the  dri ving  frequ e nc y  a nd   r otar y   sp ee d.   Re s ults  of  the  ex per im ents  a nd  meas ur e ments   sho w ed  t he  validat ion  of  t he  fuzzy   m od el in g.  T he   pa per   sh ows   that   the   nonlinea r  c ha r act erist ic s  of  U SM  are   fit  to   be   de scri bed.  Further more,   the   pr ese nted   meth od  is   gen e ral,  a nd   c an  be  e xte nde d  to  oth e r  trav el li ng   wa ve  ty pe  m otors.  To   make  pr eci se  con t ro l  of   USM,  t he   pro po se d  f uzz y  model  ca n  be  us e d.  A   f uz zy  PID  re gu l at or   is   fea sibl e  to   bala nce  t he  var ia ti ons   in  t he  op e rati ng  c ondi ti on s  a nd  pres erv e   the  desire d  ro ta r y  sp ee d.  As  a   f uture  w ork ,   f uzzy  lo gic  will   be  co mbi ned   t o  sli din g  mode  t echn i qu e   to  a chieve  a  r obust   con t ro l  sc he me.  T he  mai n  a dv a ntage  of  f uzz y  sli ding  m ode   con t ro l i s t hat t he  c on t ro l  method ac hieve s a sy m pto ti c sta bili ty o f  the cl ose d - l oop  s ys te m .       REFERE NCE S   [1]    T.   Sashid a and T .   Kenjo ,   An   int ro duct ion   to  u lt r asonic   mot ors,   Oxf ord Univ ersity P ress ,   1993.   [2]    Hong  Zha ng ,   Hui  Z hao ,   We i ji a   S hi   and  Yan li n   L i ,   " A   novel  h al f - bridge  drive  ci rc uit   for  u lt rasoni c   mot o r  b ase d   on   FPGA, "   2017  IEE E  Tr anspor tat i on  Elec tri fi ca ti o n  Confe ren ce an d  Ex p o ,   Asia - Pa ci fic ,   Harbi n ,   20 17 ,  pp .   1 - 6.   [3]    Hame d  Moj al l ali ,   Rou zbe h   Ami ni ,   Roo zbe h   Izadi  Z am an aba d i   and  Ali   A.  Ja la l i ,   " Sys te m at i c  mode li ng   for  f re e   stat ors  of   rot ary   pi ez oe lectr i c  u l tra sonic   mo tors , "  IEEE/A SM E   Tr ansacti ons  on   Me chat roni cs ,   v ol.  12,   no.   2 ,   pp .  219 - 223,   2007 ,  DOI :  10. 1109/TM ECH. 2007. 89 2829   [4]    Jian - Guo  Zha ng ,   Zhi - Li   Long,  W en - Ju  Ma,   Guan g - Hao  Hu  and   Yang - Min  L i ,   " Elec tro me ch anica l   dynam i cs  model   of  ult rasoni c  trans duce r  in  u lt r asonic   m ac h ini ng  base d  on  equi va le nt  ci r cui t   appr oac h , "   S ensors   19,   no.   6 ,   pp .   1 - 6 ,  2019 ,  DOI :  10 . 3 390/s19061405   [5]    Rola nd  Rynd zionek,   Łuka sz   Sienki ewi cz ,   Michał  Michn a  a nd  Fili p  Kut t ,  " Design  and   expe ri me nts  of   a   pie zo el e ct ri c  m otor  using  thr ee   rot ating  mo de  a ct ua tors , "   Sensors   19,   no.   23 ,   pp.   1 - 16 ,   2019 ,  DOI :  10. 3390/s19235 184   [6]    Přemysl   Janů ,  J osef   Baj er ,  Pav e l   Dyčka   and  Ra dek   Bystřic ký ,   " Prec ise  exp erim ent a l  determ ina t ion  of  elec tri c al  equi va le nt   ci r cuit  par am e te rs  for  ult rasoni c  pi ez o el e ct ri c  c erami c   tra nsduce rs  fro m   the ir   measured  cha ra cteri sti cs, "  Ultrasonics ,   vol .   112 ,   106341,   20 21 ,  DOI :  10 . 101 6/j . ul tra s.2020 . 1 06341   [7]    Dongs heng   Zhang ,  Shiyu   Wa ng   and  Ji e   Xiud ,   " Piez oelec t ric  p ara m et ri c  eff e cts   on  wave   vibr at ion   and  conta ct  me ch ani cs  of   tra ve li ng  wa ve  ult r asonic  mot or, "   Ultr asonics ,   vol.   81,   pp.   118 - 1 26,   2017 ,  D OI :  10. 1016/ j . ult r as. 2017. 05. 013   [8]    J.  Shi  and  W.  H uang,   " Improv ed   DEA  for  mot or’ s  mode l  ide nt ifi c at ion , "   COMPE L  -   The  Inte rnat i onal  Journal  for   Co mputati on  an d  Mathe m at ic s  i n  E l ec tri cal  and  El e ct ronic   Eng i nee ring ,  vol .   38   no.   6 ,   pp .   1846 - 1854,   2019 ,  DO I :  10. 1108/COMP EL - 05 - 2019 - 018 5   [9]    S.  Jingzhuo  and   W.   Huang ,   " Model  ref ere n ce   a dapt iv e  itera ti ve   le arn ing  spee d  cont rol  for   ult r a sonic  mot or , "   in   IEE E   Acce ss ,   vo l.   8 ,   pp .   181815 - 181824,   2020 ,  D OI :  10. 1109/AC CESS . 2020. 302 9106   [10]    S.  Lu  and  S.   Jingzhuo,   " Nonlin e ar  Ham m erstein   mode l   of  u lt ras onic   mo tor  for   p ositi on  con trol  u sing  diffe r ent i al  evol uti on   a lgori t hm, "   Ultrasonic s ,   v ol .  94,   pp.   20 - 27 ,  2019 ,  DOI :  10. 1016/j.ult r as. 2018. 12. 012   [11]    Jun  Li u,   Zi - Ji e  Niu,   Hua  Zhu  a nd  Chun - Sheng  Zha o ,  " Design  a nd  expe r im en t  o f  a  la r ge - ape r tur e  hol low  tra v eli ng  wave   ul tra sonic   mot or  with   low  spee d  and   high  t orque , "   Appl i ed  Sci en ce s ,  vol.  9 ,   no.   19 ,   pp.   1 - 16 ,   sep  2019 ,  DOI :  10. 3390/a pp919 3979   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  12 , N o.   2 ,  J une  2021   :   695   –   702   702   [12]    Hongpeng  Y u,   Qiquan  Quan ,   X inqi   T ia n   and   He  L i ,   " Optim i zat ion  and   an al ysis   of  a   u - shape d   l i nea r  p iezoe l ectri c  ult rasoni c  mot o r   using  longitudi nal   tr ansduc er s, "   Sensors   (Base l) ,  vo l.   18 ,   no .   3 ,   pp.   1 - 12 ,   Mar .   2018 ,  DOI :  10. 3390/s18030809   [13]    Dawei   An,   We i qing  Huang ,   W ei quan   L iu,  Jin rui  Xi ao,  Xiao c hu  Li u   and  Zh ongwei  Li ang ,   " Meshing  d rive  me ch ani sm  o f  d ouble   tra v el ing   wave s  for  ro ta ry   piezoe le c tri c   m otors , "   Math emati cs ,   vol .   9 ,   no .   4 ,   pp . 1 - 19 ,   2021 ,  DOI :  10. 3390/math9040445   [14]    Xiang  Li,  Zhi we i  Ch en  and   Zhi y uan  Yao ,  " Cont ac t   an al ysis   and   per for ma n ce  ev al ua ti on   of   stan ding - wave   li n ea r   ult rasoni c  mo tor s  via   a  physics - b ase d  con ta c t  mo del , "   Smar t  Ma t erial s  and  Struc t ures ,   vol.  28,   no .   1,   2019 ,  DOI :  10. 1088/1361 - 6 65X/aa f11a   [15]    We i ji a   Shi ,  Hui   Zha o ,  Ji e  Ma   a nd   Yu  Yao ,   " Dea d - zon e  com pe nsati on  of   an   ul tra sonic   mot or   u sing  an  ada p ti v e   dit her , "   IEEE   Tr ansacti ons  on  Industrial   El e ct roni cs ,   vol.   65 ,   no.   5,   pp.   3730 - 3 739,   2018 ,  DOI :  10. 1109/T I E. 20 17. 2760854   [16]    T.  Mashimo   and   K.   T era shim a,  " Expe ri me nt al  ve rifi c at ion   of   e ll i pti c al  motion   m odel  in   tr ave l ing   wave   u lt rasoni c   mot ors , "   I EEE/ ASME  Tr ansacti ons  on   Me c hatronic s ,   vol.  20,   no .   6 ,   pp.   2699 - 27 07 ,  2015 ,  DOI :  10. 1109/T MEC H.2015. 2392126   [17]    Shi  Jingzhuo ,   Huang  W enwe n   and   Zhou   Yin g ,   " T – S  fuz zy  cont rol   of   tr avelli ng - wav e  u lt ra sonic  mot or , "   J  o f   Control  Aut om   El e ct r Sy st ,   vo l.  31,   pp .   319 - 328 ,   2020 ,  DOI :  10. 1 007/s40313 - 019 - 00538 - y   [18]    Yunlai   Shi ,   Jun  Zha ng ,   Yuyang   Li n   and   We nbo  Wu ,   " Improv ement  of  low - spee d   pre ci sion  cont r ol  of  a  but te rfly - shape d  l ine ar   ult r asonic   mot or , "   I EEE   Acce ss ,   vo l.   8 ,   pp .   135131 - 135137,   2020 ,  DOI :  10. 1109/ACCESS . 2020. 3007773   [19]    Jingwen  Le ng ,   Peng  Pan ,   Zhi k e   Xu ,   Ta o  Wa ng   and   Long   Jin ,   " Design  of  low   spee d  cont rol le r   f or  tra v el ing   wav e   ult rasoni c  mo tor , "   2019  22nd   In te rnational   Con fe renc e  on   E le c tric al   Mac hin es   and  S yste ms   (I CEMS) ,   Harbi n ,   China ,   pp.   1 - 5,   2 019 ,  DOI :  10 . 11 09/ICE MS . 2019. 8921667   [20]    J.  Wall asc hek ,   " Piez oe le c tri c   ul t rasonic   mot ors , "   Journal  o f  In telli gen t  Ma te rial   Syste ms   and   St ructures ,   vol .   6 ,     pp.   71 - 83 ,   1995 ,  DOI :  10. 1016 /B 978 - 0 - 12 - 803581 - 8. 03979 - 5   [21]    Anis  Maisara h  Mohd  As ry,   Fara hiya h   Mus ta fa ,   Maiz u l  Ishak ,   a nd  Aznizam   Ah ma d ,   " Pow er  ge ner ation  by  usin g   pie zo el e ct ri c   trans duce r  wi th  b e nding  m ec h ani s m  support , "   Int e rnational   Journal  of   Pow er  E lectronic s  and   Dr i ve  Syste ms   (IJ PE D S) ,  vol .   10 ,   no .   1 ,   pp .   562 - 567 ,   2 019 ,  DOI :  10 . 11 591/i jpe ds . v10. i 1. pp562 - 567   [22]    A.  Augu stai ti s  a nd  V.  Jurèna s,  " Dynami cs  of  tru nk  type   robot   wi th  spherical   p ie z oel e ct ri c  a ct ua to rs, "   Inte rnationa l  Journal  of   Robotics  and  Aut omati on   (IJ R A) ,  vol .   9 ,   no .   2 ,   pp .   113 - 122,   2020 ,  DOI :  10. 11591/ijra. v9 i2. pp113 - 122   [23]    Jianm in  Qiu ,  Yi ng  Yang ,  Xin   Hong ,  Piotr  V asiljev ,  Dali us  Ma z ei ka  and   Serg ejus   Borodina s ,   " A  disc - type   h ig h  spee d  rot ary   u lt r asonic   mot or   wit h  interna l   con tac t  t ee th , "   App l. Sci .   11 ,   no .   5 ,   2021 ,  DOI :  10 . 3390/ a pp11052386   [24]    Yingxia ng   Li u ,   Shengjun  Shi ,   Ji peng  Yan ,   Weishan  Ch en   and   Dongmei  Xu ,   " A  novel  piezoe l ect ric  actua t or  wi th   two  oper a ti ng  m odes , "   Journal  o f  Intelli g ent  Mat erial   Syst ems  and  Struct ures ,  vol .   29 ,   no.   6 ,   pp .   1 157 - 1164 ,   2018 ,  DOI :  10. 1177/1 045389X17730921   [25]    N.  W .   Hagood  a nd  A.   J.  M c   Far l and,  " Modeli ng   of  a   pi ez o el e ct ri c  ro ta ry   ult r asonic   mot or , "   I EE E   Tr ansacti ons  on   Ultrasonics,   F erroele c tric s,   and  Freque nc y  Con t rol ,   vol .   42 ,   no .   2,   pp .   210 - 224 ,   1995 ,  DOI :  10 . 1 109/58. 365235   [26]    He   Li ,  W ei shan   Chen ,  Xinqi   Tia n   and  Junkao   Liu ,   " An  expe r im e nt  study  on  t em p era tur e  c h aract e r isti cs  of  a  l ine ar   ult rasoni c  mo t or  using  lon git udinal  tra ns duce rs, "   Ul trasonics ,   vol .   95,   pp .   6 - 12 ,   2019 ,  DOI :  10. 1016/j.ult r as. 2019. 03. 003   [27]    Li fen g   Zhou ,  Zh iyua n   Yao ,  Xiao niu   Li   and   Shich ao   Da i  " Mode li n g  and   ver ifica t io n  of   the r mal - mecha ni ca l - elec t r ic   coupl ing  dyn am i cs  of  a  V - shap e  li ne ar  ultrasonic   mot or, "   S ensors   and  Ac tua tors  A :  Phy si cal ,   vol.  298 ,  2019 ,  DOI :  10. 1016/j.sna. 20 19. 111580       BIOGR AP HI ES OF  A UTH ORS       You ss ef  Bab a  was  born  in  El  Kela a   des   Sragh na ,   Morocc o ,   in   1982.   He   re cei ved  the  B. S.  degr ee  in   E le c trica l   Engi n ee r ing  from  th e  Na ti on al   Schoo l  of   Ap pli ed   Scie n ce s   o f  Marra k esh,   Morocc o,   in   20 07.   He   obt ai ne d  the  PhD   degr ee  in   “ E le c trica l  Eng ineeri ng ”   at   H assan  1   Univer sity,  in   2 018.   He   is  cur r ent ly   a n  assista nt   prof essor  a t  the  depa r tment   of  E le c trica l  Engi ne eri ng,   École   Nati on ale  S upér ie ur e   d ' A rts  e t  M ét i ers  ( ENSA M)  Casabl an ca ,   Hass an   II   unive rsity ,   Moro cc o.   His re s ea rc h  intere st   includ es  mot or   con trol .         Mostafa  B ouzi   i s  a   Profess or  in   El e ct ri ca l   Engi n ee ring   Dep art m e nt  at  Sci ence   an d  t ec hnology   fac ul ty,   Hass an  1  Univer sity.  He  re ce iv ed  th e  E ngine er ing  degr ee   in   Elec t rical  Engi ne eri ng ,   from  Eng ine e r  school  of  Li l le  in  Franc e,  obtai nd  the  PhD   de gre e  in  pho tovo lt aic  sys te m  cont rol   a t  univ ersit y  Hass an1   and  got   his   ha bil itati on   to   su per vise  rese a rch   at  Hass an1   unive rsity .   His  cur ren t   rese arc h   ac t ivi t ie s  are   i n  the   f ields  of  el e ct ri ca l   sys tems,  ren ewa bl e  ene rgy conversi on  sys te ms a nd   nonli ne ar  con tro l  sys te m .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.