超聲波電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)及若干應(yīng)用研究.pdf

1、超聲波電機(jī)是一種具有低速大力矩、高功率密度等特點(diǎn)的新原理電機(jī)。迄今，世界各國(guó)對(duì)各類超聲波電機(jī)展開大量研究，從原理、數(shù)學(xué)模型以致控制策略等已越趨成熟。相對(duì)而言，超聲波電機(jī)的應(yīng)用技術(shù)研究發(fā)展滯后，新應(yīng)用擴(kuò)寬不足。因此面向應(yīng)用的超聲波電機(jī)研制成為當(dāng)今超聲波電機(jī)研究的一個(gè)重要方向，而我國(guó)在此方面的研究則更需強(qiáng)化。為此，本文旨在加快超聲波電機(jī)的應(yīng)用，重點(diǎn)探討了超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、電機(jī)出力和可靠性的提高、面向應(yīng)用的解析模型確立、微小型電機(jī)及其

2、小型化驅(qū)動(dòng)控制器的研制、超聲波電機(jī)在系統(tǒng)中的靈活運(yùn)用等科學(xué)和技術(shù)層面問(wèn)題。主要的工作及成果有：
　　 (1)研究了10mm左右的微型行波型超聲波電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和制造技術(shù)，提出了一系列提高電機(jī)機(jī)械特性的理論和方法，并將環(huán)狀微型行波型超聲波電機(jī)應(yīng)用于手機(jī)光學(xué)調(diào)焦系統(tǒng)。首先提出了10mm左右微型行波型超聲波電機(jī)的最佳驅(qū)動(dòng)模態(tài)。其次從能量轉(zhuǎn)換角度，證明壓電陶瓷有效利用率對(duì)微型行波型超聲波電機(jī)性能影響較大，并改進(jìn)壓電陶瓷極化模式，提高

3、有效利用率。改進(jìn)后電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩9mNm左右，空載轉(zhuǎn)速1000rpm。最后從能量傳遞角度，分析了定轉(zhuǎn)子接觸角對(duì)能量傳遞效率的影響，證明錐面接觸能減少定轉(zhuǎn)子間摩擦損耗，提高電機(jī)總體輸出效率，電機(jī)最大輸出效率提高25％。
　　 (2)提出了一種新型的錐面接觸型微型行波型超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)，并建立了輸出特性解析模型。超聲波電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子接觸面為錐面，而非傳統(tǒng)的平面。通過(guò)彈性板簧實(shí)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子的自適應(yīng)對(duì)中，保證電機(jī)出力的穩(wěn)定?；谀芰康刃枷?/p>

4、，建立錐面接觸超聲波電機(jī)的力傳遞及穩(wěn)態(tài)輸出特性模型，并用修正模型修正了傳統(tǒng)平面接觸模型中的誤差。
　　 (3)提出并研究了高分辨率的雙向直線運(yùn)動(dòng)駐波型超聲波電機(jī)新結(jié)構(gòu)，并形成其設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。研究了電機(jī)振子結(jié)構(gòu)，并對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)驅(qū)動(dòng)足位置進(jìn)行合理布置。實(shí)驗(yàn)測(cè)得電機(jī)余弦振型時(shí)最大速度220mm/s，最大出力1.8N;正弦振型時(shí)最大速度270mm/s，最大出力2N，分辨率在兩方向上分別達(dá)到了197nm和187nm。結(jié)果表

5、明該電機(jī)具有雙向性能較均衡、高分辨率和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。
　　 (4)建立了若干應(yīng)用的高精度、集成化、微型化的超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行優(yōu)化開發(fā)新原理的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，提出了提高整體效率的能量回饋型超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器。研制用于微電機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)控制，兩自由度機(jī)械臂的高精度驅(qū)動(dòng)控制及空間飛網(wǎng)收口機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及智能化功能實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)控制器。研制通過(guò)直接低通濾波實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)，經(jīng)功率放大驅(qū)動(dòng)超聲波電機(jī)的小型高精度驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。研究

6、超聲波電機(jī)能量回饋型驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)原理和實(shí)現(xiàn)方法。
　　 (5)提出并研制一種采用行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)的智能化空間飛網(wǎng)自適應(yīng)收口機(jī)構(gòu)，建立了質(zhì)量塊執(zhí)行空間捕獲操作時(shí)的力學(xué)模型，形成了基于超聲波電機(jī)的收口機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論。利用超聲波電機(jī)斷電自鎖的優(yōu)點(diǎn)降低收口機(jī)構(gòu)的體積、質(zhì)量和能耗。采用差動(dòng)輪系設(shè)計(jì)自適應(yīng)收口機(jī)構(gòu)適應(yīng)負(fù)載變化。研究由傳感器、無(wú)線通訊和微控制器組成的空間飛網(wǎng)收口機(jī)構(gòu)即超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)伺服控制系統(tǒng)，確定啟停觸發(fā)信號(hào)。根據(jù)收