多自由度关节直接驱动系统的非线性控制技术研究

论文摘要

多自由度关节直接驱动系统是近几年来发展的一种新型的多自由度超声电机,它主要由定子、转子以及激励电源等部件所组成,把交变电压加在压电陶瓷上可以在定子表面产生超声振动,通过定子与转子之间的摩擦力驱动转子运动。与传统电磁电机相比,多自由度电机具有低速大转矩、无电磁干扰、动作响应快、定位精度高、结构多样化/无输入自锁等优点。所以,多自由度关节直接驱动系统是一种很有前途的多自由度超声电机,是新型电机的一个发展趋势。本文系统介绍了多自由度电机的发展历史、特点、分类、应用以及研究多自由度电机及其驱动控制技术的重要意义,结合国内外超声波电机技术的发展趋势,我国多自由度电机及其控制技术研究面临的主要问题,明确本文的研究内容。以圆柱定子三自由度驱动系统为例,运用压电学理论和Hamilton原理,通过分析定、转子的特性建立了系统的动力学模型。利用神经网络方法建立了多自由度关节直接驱动系统的传递函数,在MATLAB模型分析软件的Simulink模块中建立整个系统的控制模型,并对其进行了动态特性及稳定性分析。针对多自由度驱动系统运行中存在的一些非线性因素,本文对定子进行了非线性分析。本课题所研究的多自由度关节直接驱动系统涉及到振动学、波动学、摩擦学、电力电子学、现代控制技术等众多领域,它以独特的运动方式在机器人和仿生学等方面有着广阔的应用前景。对它的研究可使我国的新型电机的理论、设计、制造、控制上一个新的台阶,社会效益显著,经济效益巨大,填补国内在此方面的空白,具有十分重要的理论意义和实用价值。

论文目录

• 摘要
• Summary
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 多自由度关节直接驱动系统的发展状况及其控制特点
• 1.2.1 多自由度关节直接驱动系统在国内外的发展状况
• 1.2.2 多自由度关节直接驱动系统的控制特点
• 1.3 课题来源、研究意义和主要内容
• 1.4 多自由度关节直接驱动系统的主要应用
• 1.5 本章小结
• 第二章 多自由度关节直接驱动系统的结构及其驱动控制特点
• 2.1 多自由度关节直接驱动系统简介
• 2.2 多自由度关节直接驱动系统的结构
• 2.3 多自由度关节直接驱动系统的驱动控制特点
• 2.4 本章小结
• 第三章 多自由度关节直接驱动系统的原理及压电振子等效电路
• 3.1 压电陶瓷
• 3.1.1 压电陶瓷的物理性质
• 3.1.2 压电效应的相关参数
• 3.1.3 压电方程式
• 3.2 压电振子及其等效电路
• 3.2.1 压电振子
• 3.2.2 压电振子等效电路
• 3.3 本章小结
• 第四章 多自由度关节直接驱动系统的数学建模
• 4.1 定子的运动方程及其数学模型的建立
• 4.1.1 多自由度电机的几何运动机理
• 4.1.2 定子的动力学模型及分析
• 4.2 定、转子的接触面模型分析
• 4.3 转子的运动方程
• 4.4 多自由度电机系统的数学模型及其传递函数的建立
• 4.4.1 多自由度电机系统数学模型的建立
• 4.4.2 多自由度电机系统传递函数的建立
• 4.5 本章小结
• 第五章 多自由度关节直接驱动控制系统的研究
• 5.1 多自由度关节直接驱动系统定子的非线性分析
• 5.1.1 压电陶瓷激励力的非线性特性
• 5.1.2 定、转子接触力的非线性特性
• 5.1.3 定子所受的非线性力对电机性能的影响
• 5.2 多自由度关节直接驱动系统的控制方法分析
• 5.2.1 多自由度关节直接驱动系统常规控制存在的缺点
• 5.2.2 多自由度关节驱动系统的控制策略
• 5.3 基于神经网络的多自由度关节驱动系统控制策略研究
• 5.3.1 神经网络概述
• 5.3.2 BP神经网络模型
• 5.3.3 基于神经网络控制的多自由电机数学模型的分析
• 5.4 多自由度关节直接驱动控制系统的仿真及分析
• 5.4.1 仿真技术概述及应用软件介绍
• 5.4.2 基于Simulink的神经网络控制系统仿真
• 5.5 本章小结
• 第六章 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 硕士期间发表的学术论文