行波型中空超聲電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、行波型中空超聲電機(jī)是目前最具有應(yīng)用前景的一類特殊的超聲電機(jī)。這種電機(jī)除了具備普通超聲電機(jī)低速大扭矩、響應(yīng)速度快、電磁兼容性好等特點(diǎn)以外還包括了由中空結(jié)構(gòu)帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)，如從空心可以穿過(guò)信號(hào)線，也可以通過(guò)光路等。這些特點(diǎn)使得電機(jī)可以被廣泛應(yīng)用于快速執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電磁兼容要求高的機(jī)構(gòu)、光學(xué)和醫(yī)療器械相關(guān)的機(jī)構(gòu)。目前這類電機(jī)的研制在電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、驅(qū)動(dòng)匹配、電機(jī)非正常啟停、低速控制、裝配工藝等多個(gè)方面還存在問(wèn)題。本文著重從這幾個(gè)方面出發(fā)，分別研究了行波

2、型中空超聲電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化；電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電壓，驅(qū)動(dòng)頻率，匹配點(diǎn)等等對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的阻抗特性的影響；電機(jī)非正常啟動(dòng)和停止現(xiàn)象的機(jī)理；控制力矩陀螺中行波型中空超聲電機(jī)的低速穩(wěn)定控制方法；行波型中空超聲電機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致的電機(jī)裝配工藝的優(yōu)化。經(jīng)過(guò)研究和分析，本文主要獲得了如下成果與收獲：
　　1、總結(jié)了行波型中空超聲電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用背景，分析了行波型中空超聲電機(jī)目前存在的不足和研究現(xiàn)狀，指出了行波型中空超聲電機(jī)存在的問(wèn)題包括：定

3、、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間小，優(yōu)化難度大；電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)匹配難度大；電機(jī)非正常啟動(dòng)和停止問(wèn)題突出；電機(jī)低速大扭矩下穩(wěn)定控制難度大；電機(jī)生產(chǎn)裝配過(guò)程中穩(wěn)定控制難度高。
　　2、分析了行波型中空超聲電機(jī)的工作機(jī)理，提出了一套有限元方法、拉丁超立方抽樣方法、響應(yīng)面模型和遺傳算法糅合而成的優(yōu)化算法。利用優(yōu)化算法對(duì)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)定子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化解決了定子模態(tài)混疊，振幅較小等問(wèn)題。通過(guò)優(yōu)化使得定子共振頻率與干擾頻率之間的差值從優(yōu)

4、化前的1Khz以內(nèi)增大到2Khz以上；同時(shí)通過(guò)優(yōu)化也使得定子振幅從優(yōu)化前不足1.5μm變?yōu)閮?yōu)化后大于3.5μm。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化使得轉(zhuǎn)子剛度趨于合理、轉(zhuǎn)子與定子的接觸更均勻，衡量接觸均勻性的主優(yōu)化目標(biāo)從優(yōu)化前的0.27變?yōu)閮?yōu)化后的1.48?10?5。
　　3、通過(guò)對(duì)行波型中空超聲電機(jī)匹配電路的研究和分析，提出了行波型中空超聲電機(jī)的優(yōu)化匹配方案。結(jié)合電機(jī)本體，對(duì)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器組成的機(jī)電一體化系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一描述，得到整個(gè)機(jī)電一體化系

5、統(tǒng)的等效電路。通過(guò)傅里葉變換的方法對(duì)超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，構(gòu)建了電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各級(jí)效率的計(jì)算方法。接著對(duì)本人研制的行波型中空超聲電機(jī)在并聯(lián)匹配電路下進(jìn)行了不同驅(qū)動(dòng)頻率、不同匹配點(diǎn)、不同扭矩負(fù)載下的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到不同驅(qū)動(dòng)頻率、不同匹配點(diǎn)、不同扭矩負(fù)載下機(jī)電系統(tǒng)的導(dǎo)納特性變化及其對(duì)電機(jī)性能的影響。最終獲得電機(jī)的最佳驅(qū)動(dòng)頻率是大于電機(jī)共振頻率100～200Hz的頻率點(diǎn)。
　　4、研究了目前行波型超聲電機(jī)常見(jiàn)的四

6、種非正常啟動(dòng)和停止現(xiàn)象。重點(diǎn)研究了行波型中空超聲電機(jī)工作在一定的扭矩負(fù)載狀況下會(huì)出現(xiàn)突然停機(jī)，并且將負(fù)載卸除之后電機(jī)也無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)超聲電機(jī)定子工作時(shí)的受迫振動(dòng)進(jìn)行理論分析，提出超聲電機(jī)產(chǎn)生非正常停止的原因?yàn)樨?fù)載扭矩的增大導(dǎo)致電機(jī)共振頻率增加。通過(guò)電機(jī)在不同負(fù)載扭矩下調(diào)頻調(diào)速測(cè)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了負(fù)載扭矩增大會(huì)導(dǎo)致電機(jī)共振頻率增大。
　　5、以行波型中空超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制力矩陀螺為對(duì)象進(jìn)行建模，并采用基于模糊T-S模型的控制算法對(duì)

7、電機(jī)速度穩(wěn)定性進(jìn)行仿真，得到速度跟蹤誤差<0.2°/s。最后搭建了控制力矩陀螺調(diào)試平臺(tái)，在0.005°/s~72°/s的速度范圍內(nèi)對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度穩(wěn)定和定角鎖定精度測(cè)試。實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到電機(jī)速度大于0.1°/s時(shí)的波動(dòng)量小于5％；速度小于0.1°/s時(shí)的波動(dòng)量小于0.01°/s；絕對(duì)定角鎖定誤差小于2角秒；相對(duì)定角鎖定誤差小于1%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于模糊T-S模型的控制算法相比于傳統(tǒng)的PID控制算法，對(duì)電機(jī)速度穩(wěn)定性的控制精度更高。
　　

8、6、針對(duì)壓電陶瓷片的粘接工藝設(shè)計(jì)出一種粘接壓電陶瓷片的工裝，以克服壓電陶瓷片粘接過(guò)程中膠層太厚和空氣排不干凈的問(wèn)題。研究了行波型中空超聲電機(jī)定子組件與底座的安裝方式，分析不同的安裝方式帶來(lái)的不足，最終確定螺紋圈環(huán)壓的安裝方式最適合行波型中空超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)。研究了超聲電機(jī)不同的預(yù)壓力施加和保持方法，確定了以螺紋施加預(yù)壓力的方式為行波型中空超聲電機(jī)施加并保持預(yù)壓力。針對(duì)本文涉及到的行波型中空超聲電機(jī)設(shè)計(jì)了一套施加預(yù)壓力的工裝以保證電機(jī)的預(yù)壓