旋转型行波超声电机等效电路模型及驱动器的研究

论文摘要

旋转型行波超声电机具有体积小、低速大转矩、无电磁干扰等优点,在精密仪器仪表、航天、医疗、机器人等高新技术领域中具有广阔的应用前景。利用等效电路建模是研究超声电机一种非常有效的方法。但目前大多数的等效电路模型都是仅针对电机定子的,没有综合考虑电机压电耦合效应以及定、转子间的摩擦耦合情况,因此并不可靠,也不能为电机驱动电路的设计提供依据,本文提出一种超声电机完整的等效电路模型,使其能够正确反映电机的动力响应特性并指导电机驱动电路的设计。本文在详细分析定子压电陶瓷激振和定、转子间摩擦传动过程的基础上,分别推导定、转子的运动Lagrange方程及压电陶瓷电流方程,利用机电类比建立完整的超声电机等效电路模型。该模型能够反映压电陶瓷的逆压电效应及介电特性,定、转子的机械运动特性和摩擦接触特性,具有明确的物理意义,能够反映整个电机系统的功率流动情况。参数辨识是应用等效电路模型的一个重要方面,本文提出了获取模型中各参数的方法,即首先测量单定子的导纳以获得模型中定子部分相关参数,然后由摩擦层和转子材料特性参数估算模型中相关元件的值,并对模型进行简化,最后计算电机输出功率和摩擦损耗,并进行修正。这种参数辨识方法保证了等效电路模型的准确性。在等效模型基础上,设计驱动电路中的参数,包括变压器匝比和谐振电感的值,并进行实验验证,实验结果证明了等效电路模型及参数辨识方法的正确性和有效性。在现有的超声电机驱动电路中,开关管工作在硬开关状态,存在很大的电流尖峰。本文提出一种改进的驱动电路拓扑,在驱动变压器原边并联一个电感,使驱动电路逆变桥的负载性质由容性转变为感性,实现开关管的零电压开关,可以消除其电流尖峰,提高驱动电路的效率。该外并电感可用变压器的激磁电感代替,因此实现方法简单。构建电机的速度闭环控制系统,采用PI控制,通过调节驱动频率来改变电机转速。实现不同负载转矩情况下电机的闭环调速控制,明显改善电机的机械特性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 超声电机发展简史
• 1.2 超声电机的特点、应用及分类
• 1.3 旋转型行波超声电机
• 1.3.1 基本原理
• 1.3.2 数学模型
• 1.3.3 驱动控制技术
• 1.4 本文研究意义及研究内容
• 第二章 超声电机的工作原理
• 2.1 超声电机的运行原理
• 2.2 定子中行波的产生及其表面质点运动分析
• 2.2.1 定子中行波产生的条件
• 2.2.2 定子表面质点的三维运动分析
• 2.3 定子中的应力和应变
• 2.3.1 压电效应和压电陶瓷的极化及配置
• 2.3.2 压电方程
• 2.3.3 基于薄板振动的定子应力和应变分析
• 2.4 定、转子的动力传递机理
• 2.5 本章小结
• 第三章 旋转型行波超声电机的等效电路模型
• 3.1 引言
• 3.2 定子等效电路模型
• 3.2.1 定子的振动Lagrange 方程
• s'>3.2.2 定子所受的界面接触模态力F_s
• 3.2.3 流过定子压电陶瓷的电流
• 3.2.4 定子导纳及其等效电路
• 3.3 转子等效电路模型
• 3.3.1 转子的运动Lagerange 方程
• r'>3.3.2 转子所受外界作用力F_r
• 3.3.3 转子等效电路
• 3.4 超声电机的等效电路模型
• 3.5 本章小结
• 第四章 等效电路模型的参数辨识及其简化
• 4.1 引言
• 4.2 单定子等效电路中的参数辨识
• 4.3 电机等效电路模型的简化
• F和R_F 支路的简化'>4.3.1 C_F和R_F支路的简化
• m2、L_m2、C_m2、Capplied 和R_L 支路的简化'>4.3.2 R_m2、L_m2、C_m2、Capplied 和R_L支路的简化
• 4.3.3 简化的超声电机等效电路模型
• 4.4 简化等效电路的参数辨识
• F和R_L 的辨识'>4.4.1 R_F和R_L的辨识
• 4.4.2 实验结果和模型计算结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 超声电机驱动电路的设计
• 5.1 超声电机驱动电路拓扑及参数设计
• 5.1.1 驱动电路的拓扑选择
• 5.1.2 驱动电路的参数设计
• 5.1.3 仿真和实验验证
• 5.2 驱动电路的改进
• 5.2.1 容性负载对驱动电路的影响
• 5.2.2 驱动电路的改进
• 5.2.3 并联电感大小的选取
• 4.2.4 实验结果
• 5.3 超声电机的速度闭环
• 5.4 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 本文的主要工作
• 6.2 下一步要做的工作
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录