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大力矩高精度超声波电机的基础研究

作　者: 郭海训
导　师: 郭吉丰；陈永校
学　校: 浙江大学
专　业: 电机与电器
关键词: 超声波电机行波型纵扭复合型结构优化力传递模型测控系统定位精度动态响应特性机械特性
分类号: TM359.9
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

超声波电机(Ultrasonic Motor)是近二十年来发展起来的一种新原理电机，其原理不同于传统的电磁型电机，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，通过摩擦耦合产生旋转运动或直线运动。其显著特点是低转速、大力矩、可用于直接驱动、结构简单、电磁兼容性好并具有断电自锁等功能，在某些特殊领域内已取得了一席之地。超声波电机形式多样，其中纵扭复合型超声波电机的输出力矩最高能达到行波型超声波电机的十几倍，且控制性能更好，因此纵扭复合型超声波电机的研究可以使超声波电机的应用得到进一步的拓展。前几年，输出力矩大于1Nm的超声波电机研究主要集中在日本几家研究机构，国内对于大力矩高精度电机的研究几乎是空白。近几年，国内纷纷对具有大力矩输出特性的纵扭复合型超声波开了研究，如浙江大学、南京航天航空大学、清华大学等。本文以具有大力矩输出的纵扭复合型超声波电机作为研究对象，对其摩擦驱动模型、振动模态、摩擦材料的选择、电机结构设计及优化和测控系统等进行了系统全面的研究，并在此基础上研制了两套样机，每套样机的最大力矩在10Nm以上，且定位精度达到0.025度，形成了大力矩高精度纵扭复合型超声波电机的理论和实验基础。本文开展的研究工作和取得的创造性成果： 1．采用Mason机电等效图法，推导出了电机纵、扭转振动谐振频率方程，建立了纵扭复合型了电机关键尺寸与谐振频率的关系，从而形成了纵扭振子的设计理论基础。 2．利用等效电路法和有限元法，对电机纵扭振子的结构尺寸进行了设计，并获得了较高的设计精度。结合实验研究，全面系统地对影响电机力矩输出的诸多相关因素进行了深入分析，得到了一些有用的结论，如压电振子两端需加一定的预应力，纵振动压电振子位置应位于纵振子的节面附近等。对纵扭复合型超声波电机用摩擦材料进行了深入地研究，得出粘涂型的摩擦材料与纵扭复合型超声波电机匹配较好的结论。最后，提出了中空结构的超声波电机，实现了输出力矩的大幅度提高。 3．提出了纵扭复合型超声波电机定转子的力传递数学模型。应用冲量守恒和能量守恒等力学原理，建立了接触角和机械特性的关系式，揭示了接触角、稳态输出力矩与压紧力、摩擦材料几何和物理参数、纵扭振动振幅之间的内在联系，进一步形成了纵扭复合型超声波电机的理论基础。 4．对纵扭复合型超声波电机的驱动电源和测控系统进行了设计，其中驱动电源两路信号可移相0～180度，且功率比较大，测控系统具有较高的分辨率等。 5．提出了实现电机高精度定位的控制策略——“脉冲定位法”，其思想充分利用了电机瞬态特性快和具有步进驱动的特性。利用自行设计的测控系统对电机的定位精度和电机动态性能进行了测试，结果表明：1）电机的重复定位精度可达到0．025 度；2）电机的动态响应快，在3＊ms左右，且关断时间要快于起动时间。利用磁滞测功机测量了电机的负载特性，测量结果表明电机的最大力矩可达10Nm以上，已接近实用。最后介绍了流沙模拟转子运动实验方法，该方法简单有效，能快速估测谐振频率。

全文目录

中文摘要  6-8
英文摘要  8-10
第一章绪论  10-34
  1．1 超声波电机的发展简史、基本原理和分类  10-13
    1．1．1 超声波电机发展简史  10-11
    1．1．2 超声波电机的基本原理和分类  11-13
  1．2 超声波电机的研究概况  13-19
    1．2．1 行波型超声波电机  13-17
    1．2．2 驻波型超声波电机  17-19
  1．3 超声波电机特点及应用  19-22
    1．3．1 超声波电机的特点  19-20
    1．3．2 超声波电机的应用现状  20-21
    1．3．3 超声波电机在航天领域的应用  21
    1．3．4 超声波电机的应用前景及今后的发展方向  21-22
  1．4 问题的提出  22-27
    1．4．1 纵扭复合型超声波电机的研究进展  22-26
    1．4．2 问题的提出  26-27
  1．5 本文研究的主要内容  27
  1．6 本章小结  27
  参考文献  27-34
第二章纵扭复合型超声波电机的数学模型  34-51
  2．1 纵扭复合型超声波电机的结构  34-35
  2．2 纵扭复合型超声波电机的运行机理  35-39
    2．2．1 定子表面质点椭圆振动轨迹的形成  35-37
    2．2．2 复合型超声波电机的运行原理  37-39
  2．3 纵、扭压电片的Mason等效电路模型  39-45
    2．3．1 纵振动压电片的等效电路  39-43
    2．3．2 扭转振动压电片的等效电路  43-45
  2．4 弹性体的纵、扭振动模型  45-46
  2．5 纵扭复合型超声波电机的数学模型  46-50
    2．5．1 纵扭复合型超声波电机纵振子的数学模型  46-48
    2．5．2 纵扭复合型超声波电机扭振子的数学模型  48-50
  2．6 本章小结  50
  参考文献  50-51
第三章纵扭复合型超声电机的设计与实践  51-69
  3．1 纵扭复合型超声波电机结构尺寸的确定  51-55
    3．1．1 扭振子的设计  51-54
    3．1．2 纵振子的设计  54-55
  3．2 影响复合型超声波电机纵振动系统的几个关键因素  55-62
    3．2．1 纵振动压电陶瓷晶片两端预压力的控制  56-58
    3．2．2 纵振动压电陶瓷晶片安装位置  58-62
  3．3 定子中间连接体对扭转振动系统的影响  62-65
  3．4 复合型超声波电机用摩擦材料  65-66
  3．5 纵扭复合型超声波电机结构分析  66-68
  3．6 本章小结  68
  参考文献  68-69
第四章纵扭复合型超声波电机的力传递模型  69-79
  4．1 纵扭复合型超声波电机简化的驱动模型  69-70
  4．2 问题的设定  70-77
    4．2．1 接触角  70-72
    4．2．2 稳态输出力矩  72-74
    4．2．3 仿真与实验  74-77
  4．3 本章小结  77
  参考文献  77-79
第五章纵扭复合型超声波电机驱动电路和测控系统的设计  79-96
  5．1 纵扭复合型超声波电机驱动电路的设计  79-86
    5．1．1 纵扭复合型超声波电机对驱动电路的要求  79
    5．1．2 纵扭复合型超声波电机驱动信号产生原理和实现  79-82
    5．1．3 纵扭复合型超声波电机信号功率放大电路  82-86
  5．2 纵扭复合型超声波电机测控系统的设计  86-94
    5．2．1 纵扭复合型超声波电机硬件部分的设计  86-91
    5．2．2 纵扭复合型超声波电机测控系统的软件设计  91-94
  5．3 本章小结  94
  参考文献  94-96
第六章纵扭复合型超声波电机的实验研究  96-105
  6．1 精密定位实验  96-99
    6．1．1 提前量DELTA2对定位精度的影响  96-97
    6．1．2 电机单步步长对定位精度的影响  97-99
    6．1．3 最高定位精度  99
  6．2 纵扭复合型超声波电机动态特性测试实验  99-102
    6．2．1 动态特性测试的相关说明  99-100
    6．2．2 动态特性的测试结果和分析  100-102
  6．3 机械特性测试  102-103
  6．4 流沙模拟转子运动轨迹实验  103-104
  6．5 本章小结  104-105
第七章结论与展望  105-107
  7-1 结论  105-106
  7-2 今后研究工作展望  106-107
附录  107-108
致谢  108-109
作者攻博期间发表的论文  109

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