超声波微电机的建模仿真及驱动控制系统的设计

论文摘要

随着微机电系统的迅速发展,作为微机电系统中关键执行部件的微电机也越来越受到人们的关注。目前已有多种形式的微电机相继问世,主要有静电微电机、电磁微电机和超声波微电机。静电微电机的输出力和力矩非常小。电磁微电机内部有线圈,同时转速高,需用减速器,因此其结构较复杂。超声波微电机是利用压电材料的逆压电效应激发定子振动,再通过定转子间的摩擦作用驱动转子旋转。这种特殊的工作机理使超声波微电机与电磁微电机相比,具备许多优点,如:结构简单紧凑,低速大力矩,不需减速机构,无电磁干扰及动态响应快等,因此超声波微电机是最具发展潜力的微电机。现有的超声波微电机均是基于压电陶瓷的d33逆压电效应或d31逆压电效应设计的。这些超声波微电机会存在结构复杂、不容易微型化、不容易充分极化、输出力矩小等各种问题。因此本文利用压电陶瓷的d15逆压电效应设计了一种超声波微电机,并详细分析了其运行机理,且对其进行建模仿真,此外还设计了超声波微电机的驱动控制系统。所取得的阶段性成果如下:1、利用压电陶瓷的d15逆压电效应设计了一种超声波微电机,然后根据弹性体的固有振动及强迫振动理论,从定子的振动情况、定子行波的形成及定子表面质点的椭圆运动轨迹三个方面详细地分析了超声波微电机的运行机理。2、从定子模型、定转子接触界面模型及转子模型三个方面建立了超声波微电机的机电耦合模型,并在该模型的基础上仿真了超声波微电机的输出特性。3、从超声波微电机驱动控制系统的设计要求出发,提出了超声波微电机驱动控制系统的总体设计方案,并根据该方案完成了超声波微电机驱动控制系统的硬件设计,包括驱动电路的设计及速度控制系统的设计。4、根据超声波微电机驱动控制系统的总体设计方案,从PWM信号产生、电机速度检测、电机速度控制、通讯及显示这五部分完成了超声波微电机驱动控制系统的软件设计,包括上位机软件设计及下位机软件设计。5、搭建了实验平台,并对驱动控制系统进行了调试,包括对驱动电路的调试及速度控制系统的调试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 相关技术领域的国内外研究现状
• 1.2.1 超声波微电机的研究与应用现状
• 1.2.2 超声波电机建模方法的研究现状
• 1.2.3 超声波电机驱动控制技术的发展现状
• 1.3 研究内容
• 第二章 超声波微电机的结构原理及其建模仿真
• 2.1 超声波微电机的结构
• 2.2 超声波微电机的运行机理
• 2.2.1 弹性体的固有振动
• 2.2.2 弹性体的强迫振动
• 2.2.3 定子的弯曲振动
• 2.2.4 定子行波的形成
• 2.2.5 定子表面质点的椭圆运动轨迹
• 2.3 超声波微电机的建模及仿真
• 2.3.1 定子模型
• 2.3.2 定转子接触界面模型
• 2.3.3 转子模型
• 2.3.4 超声波微电机的输出特性仿真
• 2.4 本章小结
• 第三章 超声波微电机驱动控制系统的硬件设计
• 3.1 驱动控制系统的设计要求
• 3.2 驱动控制系统的总体设计方案
• 3.3 驱动电路的设计
• 3.3.1 微控制器
• 3.3.2 主控电路
• 3.3.3 光耦隔离电路
• 3.3.4 逆变放大电路
• 3.3.5 开关管驱动电路
• 3.3.6 匹配电路
• 3.4 速度控制系统的设计
• 3.4.1 电机速度的不稳定性
• 3.4.2 控制方法
• 3.4.3 电机速度的检测
• 3.4.4 电机速度的PID 控制
• 3.5 本章小结
• 第四章 超声波微电机驱动控制系统的软件设计
• 4.1 总体结构
• 4.2 PWM 信号产生部分
• 4.2.1 PWM 模块介绍
• 4.2.2 PWM 信号产生子程序
• 4.3 电机速度检测部分
• 4.4 电机速度控制部分
• 4.5 通讯部分
• 4.5.1 UART 模块介绍.
• 4.5.2 通讯程序
• 4.6 显示部分
• 4.7 本章小结
• 第五章 实验调试及结果分析
• 5.1 实验平台的搭建
• 5.2 驱动控制系统的调试
• 5.2.1 驱动电路的调试
• 5.2.2 速度控制系统的调试
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 研究总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 附录1 上位机程序
• 附录2 下位机程序
• 附录3 ANSYS 程序
• 致谢
• 攻读硕士学位期间参加过的科研项目发表的论文