一种具有频率自动跟踪功能的超声波电机驱动电源的设计

论文摘要

超声波电机(Ultrasonic Motor,简称USM)是近二十年来发展起来的一种新原理微型电机,该类电机不同于传统的电磁感应电机,它是利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动,借助弹性体谐振放大,通过摩擦耦合使运动体产生旋转或直线运动。这种电机具有结构紧凑、响应快、低速大力矩、不受电磁干扰、断电自锁等优点,在微型机械、机器人、精密仪器、家用电器、汽车、航空航天等方面有着广泛的应用前景。二十多年来超声波电机的研究取得了很大的进展,有些机型已经逐步产业化。为了适应超声波电机推广应用和产业化发展的需要,必须加强电机驱动控制技术的研究工作。目前,小型化、通用化、高性能的驱动电源和简单、实用的控制技术已成为国内外研究的热点。本文总结了国内外关于超声波电机的驱动控制技术以及其驱动电源的设计理论与经验,分析了电机的阻抗特性及其谐振频率漂移的影响因素。在此基础上,本文提出了基于保持电机驱动电压、电流间相位差恒定不变的频率跟踪方法,设计了一种新型的超声波电机驱动电源。本文开展的主要研究工作如下:(1)简要介绍了超声波电机的基本原理、独特优点、发展历史以及本论文的选题意义和主要内容。(2)分析了超声波电机的阻抗特性,在此基础上研究了电机频率漂移的原因及不利影响,总结了各种实现频率跟踪的方法。(3)在理论分析的基础上,提出了基于保持超声波电机驱动电压、电流间相位差恒定不变的频率跟踪方法,该方法可以由锁相环CD4046实现。(4)对所设计的超声波电机驱动电源进行实验,从实验结果可知该电源能够有效地驱动电机,并且频率跟踪的效果较好,电机转速的变化可稳定在4%左右。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 超声波电机简介
• 1.1.1 超声波电机的原理
• 1.1.2 超声波电机的特点
• 1.2 超声波电机的发展及应用
• 1.2.1 超声波电机的发展简史
• 1.2.2 超声波电机的应用情况
• 1.3 超声波电机的驱动控制技术
• 1.3.1 驱动技术
• 1.3.2 控制技术
• 1.4 本文的研究内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 超声波电机的阻抗特性及匹配电路分析
• 2.1 超声波电机阻抗特性理论分析
• 2.1.1 超声波电机的等效电路
• 2.1.2 超声波电机的特征频率
• 2.1.3 超声波电机的容性负载特性
• 2.2 超声波电机的匹配电路
• 2.2.1 匹配电路的作用
• 2.2.2 匹配方法
• 2.2.3 匹配电路的确定
• 2.3 本章小结
• 第三章 频率跟踪的原理及方法
• 3.1 频率漂移及其对电机性能的影响
• 3.1.1 温度的影响
• 3.1.2 预压力的影响
• 3.1.3 激励电压的影响
• 3.2 频率跟踪实质及跟踪方法
• 3.2.1 频率跟踪的实质
• 3.2.2 实现频率跟踪的方法
• 3.3 保持驱动电压、电流相位差恒定实现频率跟踪的原理
• 3.3.1 频率跟踪原理
• 3.3.2 锁相原理
• 3.4 本章小结
• 第四章 电源主电路及相关电路的设计
• 4.1 超声波电机驱动电源的特点
• 4.2 开环驱动电路的设计
• 4.2.1 分频分相电路
• 4.2.2 功放电路
• 4.3 反馈电路的设计
• 4.3.1 频率跟踪电路
• 4.3.2 保护电路
• 4.4 本章小结
• 第五章 实验结果及分析
• 5.1 电源调试
• 5.1.1 高频变压器结构参数的确定
• 5.1.2 MOSFET管驱动信号占空比的确定
• 5.1.3 三角波移相效果
• 5.2 电机性能测试
• 5.2.1 开环驱动时的电机性能
• 5.2.2 电机性能的改善
• 5.3 本章小结
• 第六章 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 附录