柱状超声波电机的设计理论及控制

论文摘要

柱状超声波电机是近二十年来发展起来的一种新原理电机,较其他类型的超声波电机更具有力矩体积比高和可控性好的特点,在光学器械、医疗设备和航空航天等领域已经取得了应用。近年来柱状超声波电机的研究一直围绕着大力矩、高精度、高稳定性等方向发展,因而需要全面深入研究此类电机的力传递模型、结构设计与优化、材料与制作工艺、驱动与控制等层面蕴含的科学和技术问题,针对这若干问题,所作的研究工作和取得的研究成果主要有：首先在阐述超声波电机发展历史的基础上,重点是结合柱状超声波电机的研究进展和应用现状,论述了此类电机亟需解决的科学和技术问题。建立了柱状弯曲型超声波电机的力接触与传递的数学模型。结合柱状弯曲型超声波电机的结构和工作原理,理论和实验研究了定、转子的接触方式,指出了存在单点和双点两种接触方式。并给出了定转子间的力接触传递模型及其电机效率计算式。分析了电机性能与预紧力的关系,给出了临界预紧力概念。利用理论模型对电机样机参数进行优化,研制的φ14mm样机的空载转速为300r/min,堵转转矩为0.11N·m,且电机性能稳定,运行可靠。提出了一种新型的中空短柱状的复合型超声波电机,利用其由径向振动衍生的纵向振动和扭转振动的复合,是一种变型的纵扭复合型超声波电机。针对此类圆柱壳结构,利用弹性力学理论建立该圆柱壳的解析模型,并求解了径向和扭转振动频率方程,理论表明此类电机能完全调谐,形成了此类电机的调谐理论基础。形成了中空短柱状的径向-扭转复合型超声波电机的设计理论和制造工艺技术。首先给出了中空短柱的夹心式定子结构,围绕径振和扭振频率的调谐,分析了电机结构参数对一阶径振和扭振谐振频率的影响,并通过有限元分析和样机实验证实此结构能完全调谐。在此基础上,从定子、转子、压电陶瓷和摩擦材料四个方面入手,对电机结构和材料进行了优化设计。研究并形成了复合型超声波电机制作的工艺流程和工艺要求,重点阐述生产过程中的技术要点。通过对样机的机械特性测试,确定了电机最佳的工作参数和性能参数。制作了性能良好的φ60mm样机,空载转速为25r/min,堵转力矩为5N·m。研究表明,这类电机具有结构简单、短柱（定子长径比为0.68）、制造容易和力矩/体积比高等特点,另外,此类电机的转速较行波型电机更低,且在低速区运行稳定,更适合一些要求低速场合的直接驱动控制用。分析了径向-扭转复合型超声波电机的驱动特点,利用硬件与软件相结合的方法设计了驱动电源,将数字键盘输入和LCD显示一并纳入考虑,使超声波电机的频率、相位差和幅值都可以实时调节和直观显示,同时进行了开关功率电路和匹配电路设计。建立了基于DSP的超声波电机测控系统,对电机的瞬态和稳态性能进行了测试,用于分析驱动频率、电压幅值和相位差等参数对电机输出的影响。在速度控制中,利用模糊比例控制调节驱动频率的方法,实现了电机在低速下的稳定运行。在位置控制中,利用转速控制的研究结果,设计了位置/速度双闭环控制器,实现了电机高精度的位置控制。本文为两类柱状超声波电机的优化设计,性能提升和研究成果应用提供了理论和实验基础。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超声波电机的发展简史
• 1.3 超声波电机的特点和分类
• 1.3.1 超声波电机的特点
• 1.3.2 超声波电机的分类
• 1.4 柱状超声波电机的研究进展
• 1.4.1 柱状弯曲型超声波电机的研究进展
• 1.4.2 纵扭复合型超声波电机的研究进展
• 1.5 论文的主要研究内容
• 2 柱状弯曲型超声波电机的理论与实验研究
• 2.1 柱状弯曲型超声波电机的结构
• 2.2 定子弯曲行波的产生原理
• 2.2.1 假设和修正
• 2.2.2 定子振动模型
• 2.2.3 定子表面质点的轨迹方程
• 2.2.4 定子锥形角分析
• 2.3 定、转子接触状态分析
• 2.4 电机的机械特性和效率
• 2.4.1 稳态输出力矩
• 2.4.2 电机效率
• 2.5 有限元分析
• 2.5.1 定子有限元模型的建立
• 2.5.2 定子模态分析
• 2.6 电机样机实验研究
• 2.6.1 定子导纳特性测试
• 2.6.2 电机性能测试
• 2.7 小结
• 3 径向-扭转复合型超声波电机的理论模型
• 3.1 传统纵扭复合型超声波电机的模型
• 3.2 径向-扭转复合型超声波电机的理论模型
• 3.2.1 扭转振动情况
• 3.2.2 径向振动情况
• 3.2.3 径振和扭振频率计算结果
• 3.3 小结
• 4 径向-扭转复合型超声波电机设计制作及特性测试
• 4.1 径向-扭转复合型超声波电机的结构
• 4.2 压电陶瓷选择和结构设计
• 4.3 径向-扭转复合型定子设计
• 4.3.1 定子谐振频率的调谐
• 4.3.2 定子模态的优化设计
• 4.3.3 定子结构参数的优化
• 4.4 转子结构设计
• 4.5 电机摩擦材料
• 4.5.1 摩擦材料要求和选择
• 4.5.2 摩擦材料的制作工艺
• 4.6 电机的样机试制
• 4.6.1 电机试制过程中关键环节
• 4.6.2 电机制作整体工艺
• 4.7 电机样机性能测试
• 4.7.1 电机的模态频率
• 4.7.2 电机的机械性能测试
• 4.8 小结
• 5 径向-扭转复合型超声波电机驱动系统
• 5.1 驱动系统功能设计与结构分析
• 5.1.1 系统的功能设计
• 5.1.2 系统结构设计
• 5.2 系统硬件设计
• 5.2.1 基于DSP的控制电路
• 5.2.2 开关驱动与匹配电路设计
• 5.2.3 键盘输入与液晶显示电路
• 5.3 系统软件设计
• 5.4 小结
• 6 径向-扭转复合型超声波电机控制特性研究
• 6.1 测控系统设计
• 6.1.1 系统没计原则
• 6.1.2 系统结构
• 6.1.3 测速方法选择
• 6.2 超声波电机瞬态特性测试
• 6.3 超声波电机稳态特性测试
• 6.4 超声波电机控制原理
• 6.4.1 常规PID控制原理
• 6.4.2 模糊比例控制原理
• 6.4.3 速度控制
• 6.4.4 位置控制
• 6.5 控制结果分析
• 6.5.1 速度控制结果分析
• 6.5.2 位置控制结果分析
• 6.6 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 个人简历
• 攻读学位期间已发表的学术论文