柱狀超聲波電機的設(shè)計理論及控制.pdf

1、柱狀超聲波電機是近二十年來發(fā)展起來的一種新原理電機，較其他類型的超聲波電機更具有力矩體積比高和可控性好的特點，在光學器械、醫(yī)療設(shè)備和航空航天等領(lǐng)域已經(jīng)取得了應用。近年來柱狀超聲波電機的研究一直圍繞著大力矩、高精度、高穩(wěn)定性等方向發(fā)展，因而需要全面深入研究此類電機的力傳遞模型、結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化、材料與制作工藝、驅(qū)動與控制等層面蘊含的科學和技術(shù)問題，針對這若干問題，所作的研究工作和取得的研究成果主要有：
　　 首先在闡述超聲波電機發(fā)展

2、歷史的基礎(chǔ)上，重點是結(jié)合柱狀超聲波電機的研究進展和應用現(xiàn)狀，論述了此類電機亟需解決的科學和技術(shù)問題。
　　 建立了柱狀彎曲型超聲波電機的力接觸與傳遞的數(shù)學模型。結(jié)合柱狀彎曲型超聲波電機的結(jié)構(gòu)和工作原理，理論和實驗研究了定、轉(zhuǎn)子的接觸方式，指出了存在單點和雙點兩種接觸方式。井給出了定轉(zhuǎn)子間的力接觸傳遞模型及其電機效率計算式。分析了電機性能與預緊力的關(guān)系，給出了臨界預緊力概念。利用理論模型對電機樣機參數(shù)進行優(yōu)化，研制的Φ14mm樣機

3、的空載轉(zhuǎn)速為300r/min，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為0.11N·m，且電機性能穩(wěn)定，運行可靠。
　　 提出了一種新型的中空短柱狀的復合型超聲波電機，利用其由徑向振動衍生的縱向振動和扭轉(zhuǎn)振動的復合，是一種變型的縱扭復合型超聲波電機。針對此類圓柱殼結(jié)構(gòu)，利用彈性力學理論建立該圓柱殼的解析模型，并求解了徑向和扭轉(zhuǎn)振動頻率方程，理論表明此類電機能完全調(diào)諧，形成了此類電機的調(diào)諧理論基礎(chǔ)。
　　 形成了中空短柱狀的徑向-扭轉(zhuǎn)復合型超聲波電機的設(shè)

4、計理論和制造工藝技術(shù)。首先給出了中空短柱的夾心式定子結(jié)構(gòu)，圍繞徑振和扭振頻率的調(diào)諧，分析了電機結(jié)構(gòu)參數(shù)對一階徑振和扭振諧振頻率的影響，并通過有限元分析和樣機實驗證實此結(jié)構(gòu)能完全調(diào)諧。在此基礎(chǔ)上，從定子、轉(zhuǎn)子、壓電陶瓷和摩擦材料四個方面入手，對電機結(jié)構(gòu)和材料進行了優(yōu)化設(shè)計。研究并形成了復合型超聲波電機制作的工藝流程和工藝要求，重點闡述生產(chǎn)過程中的技術(shù)要點。通過對樣機的機械特性測試，確定了電機最佳的工作參數(shù)和性能參數(shù)。制作了性能良好的Φ60

5、mm樣機，空載轉(zhuǎn)速為25r/min，堵轉(zhuǎn)力矩為5N·m。研究表明，這類電機具有結(jié)構(gòu)簡單、短柱(定子長徑比為0.68)、制造容易和力矩/體積比高等特點，另外，此類電機的轉(zhuǎn)速較行波型電機更低，且在低速區(qū)運行穩(wěn)定，更適合一些要求低速場合的直接驅(qū)動控制用。
　　 分析了徑向-扭轉(zhuǎn)復合型超聲波電機的驅(qū)動特點，利用硬件與軟件相結(jié)合的方法設(shè)計了驅(qū)動電源，將數(shù)字鍵盤輸入和LCD顯示一并納入考慮，使超聲波電機的頻率、相位差和幅值都可以實時調(diào)節(jié)和直

6、觀顯示，同時進行了開關(guān)功率電路和匹配電路設(shè)計。
　　 建立了基于DSP的超聲波電機測控系統(tǒng)，對電機的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能進行了測試，用于分析驅(qū)動頻率、電壓幅值和相位差等參數(shù)對電機輸出的影響。在速度控制中，利用模糊比例控制調(diào)節(jié)驅(qū)動頻率的方法，實現(xiàn)了電機在低速下的穩(wěn)定運行。在位置控制中，利用轉(zhuǎn)速控制的研究結(jié)果，設(shè)計了位置/速度雙閉環(huán)控制器，實現(xiàn)了電機高精度的位置控制。
　　 本文為兩類柱狀超聲波電機的優(yōu)化設(shè)計，性能提升和研究成果應