（電機(jī)與電器專業(yè)論文）基于dsp的超聲波電機(jī)控制技術(shù)的研究.pdf

東南大舉壩l 。學(xué)位論文 a b s t r a c t u l t r a s o n i cm o t o ri su n l i k et h et r a d i t i o n a l e l e c t r o m a g n e t i c m o t o r s 。 u t i l i z i n g t h em e c h a n i c a l v i b r a t i o n ，i t t u r n se l e c t r i c a l e n e r g y i n t o m e c h a n i c a le n e r g y 。t h ev i b r a t i o ni se x c i t e db yt h ec o n v e r s e p i e z o e l e c t r i c e f f e c to f p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s i th a sm a n ye x c e l l e n tp e r f o r m a n c e sa n d f e a t u r e ss u c ha s i n s e n s i t i v i t yt om a g n e t i cf i e l d s ，h i g ht o r q u ea tal o w s p e e d ，s i l e n c e ，f a s tr e s p o n s e ，h i g hh o l d i n gt o r q u ew h e np o w e ri so f fa n d s oo n i tb e c o m e sf o c u so fe l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g f i e l d 。t h er & do f u l t r a s o n i cm o t o rb a s e do nd s pi n t r o d u c en e wi d e a sa n dn e wm e t h o d so f c o n t r o lf i e l di n t oc o n t r o ls y s t e mo ft h em o t o r ，a n dp r o v i d ei tw i t ham o r e b r o a d a p p l i c a t i o n 。 t h et h e s i s o b j e c t i s m a i n l y c o n c e n t r a t e do nt h e o p e r a t i o n a l m e c h a n i s mo f r i n g - t y p et r a v e l i n g w a v eu l t r a s o n i cm o t o ra n dt h e d e s i g no f c o n t r o l s y s t e mb a s e do nd s p ；t h er e s e a r c h0 1 3 t h r e e - d e g r e e - - o f - f r e e d o m ( t h r e e d o f ) u l t r a s o n i cm o t o r a n dc o n t r o lt e c h n o l o g y ， t h ed e s i g no fr i n g t y p e t r a v e l i n g w a v eu l t r a s o n i cm o t o r sc o n t r o l s y s t e m si s b u i l to nt h er e s e a r c ho ni t s o p e r a t i o n a lm e c h a n i s m a f t e rt h e a n a l y s i s o nt h em a t hm o d e lo ft h eu l t r a s o n i cm o t o r sa n de l e c t r i c a l e q u i v a l e n tm o d e l ，i t sd r i v i n gc o n t r o ls t r a t e g ya n dt h e p r i n c i p l eo f c o n t r o l s y s t e m i sc o n c l u d e d 。t h e ni t s p r o t o t y p e i s r e a l i z e d t h r o u g h t h i s c o n t r o l l e rp o s i t i o nc o n t r o lo fu l t r a s o n i cm o t o ri s i m p l e m e n t e d r e l a t e d e x p e r i m e n t r e s u l t sa r es h o w n 。 t h ed e s i g no ft h et h r e e d o fc o n t r o ls y s t e mi sb a s e do nt h ea n a l y s i s o fi t s p r i n c i p l ea n do p e r a t i o n a lm e c h a n i s m t h u si t so p e r a t i o n a lc o n t r o l s t r a t e g yi sp u tf o r w a r d a n di t st h r e ed o fc o n t r o lp r o t o t y p ei sr e a l i z e d 。 k e yw o r d s ：r i n g t y p et r a v e l i n gw a v e ，t h r e e d o f ，u l t r a s o n i cm o t o r ， c o n t r o l ，d s p 東南大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。 盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過 的研究成果，電不包含為獲得東南大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我 一同工作的唰志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在淪文中作了明確的說明并表示了謝意。 研究生簽名：蘭堡壘日期：塑! 主：出3 東南大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 東南大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所、國(guó)家圖書館有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的復(fù)印 件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì) 論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可以公布( 包括 刊登) 論文的全部或部分內(nèi)容。論文的公布( 包括刊登) 授權(quán)東南大學(xué)研究生院辦理。 研究生簽名：至! 望至 導(dǎo)師簽名：劐越趣日期：曲叩，夕、 1 1 概述 第一章縫論 1 1 1 超聲波電幫毛發(fā)葳歷史及研究現(xiàn)狀”1 戮 超聲波電機(jī)( u 1 t r a s o n i cm o t o r 簡(jiǎn)稱u s m ) 是國(guó)外八十年代發(fā)展起來灼一 種新型微電機(jī)。與傳統(tǒng)電磁式電機(jī)不同，超聲波電機(jī)是利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng) 激發(fā)的微觀振動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)力，通過多神振動(dòng)模式的轉(zhuǎn)換與耦合，將電能轉(zhuǎn)變成機(jī) 械能的驅(qū)動(dòng)裝置 j 1 。 六十年代初蘇聯(lián)科學(xué)家首先提出了超聲波電動(dòng)機(jī)的設(shè)想。1 9 6 9 年英國(guó) s a l f o d 丈學(xué)懿兩名教授奔紹了一穆髑綴壓患宅輥。這靜壤聿晁采弱二冀式蘧毫镕結(jié) 構(gòu)，其速度、運(yùn)動(dòng)形式和方向都可以任意變化，響應(yīng)速度也是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電機(jī)所不 能及數(shù)?？牝?，德國(guó)殛門子公司串請(qǐng)了怒聲波曦釩約第一個(gè)專列，能們磅剃出 了利用壓電諧振工作的直線驅(qū)動(dòng)機(jī)械。1 9 7 3 年美國(guó)i b m 公司的h v b a r t h 提出 了趣聲波電機(jī)原理模型，著磷制出了以超聲振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的電機(jī)1 4 11 9 8 0 年日本的 指嗣年t e 研制了楔型越聲波電機(jī)，所用振予是用螺栓壓緊的蘭杰文振予，它使超 聲波電機(jī)真正走上實(shí)用。1 9 8 2 年，指田年生又研制成功了行波型超聲波電機(jī)， 解決了制約實(shí)用超聲波電極發(fā)展的瓶頸闖禳之一搬動(dòng)面靜摩擦j 。遮螽電輥 l 句磅 制成功，為超聲波電機(jī)定向?qū)嵱瞄_辟了道路，也吸引了不少研究單位和企業(yè)的關(guān) 注。同辯，強(qiáng)弱年生毽創(chuàng)建了耨生工韭公鐲，勞在1 9 8 7 年正式窩韭發(fā)薯這辨電 機(jī)。同年，日本佳能公司研制出用于相機(jī)調(diào)焦的超聲波電機(jī)，柱相機(jī)渡界為之一 捉，是迄今為垂超聲波旋轉(zhuǎn)毫枧市場(chǎng)化應(yīng)震中最成功的捌，標(biāo)志羞起聲波電機(jī) 開始走向?qū)嵱秒A段。1 9 8 5 年m a x e l l 公司的熊罔明生研制第一臺(tái)復(fù)合振動(dòng)型超聲 波電機(jī)一單電源驅(qū)動(dòng)型縱扭搬動(dòng)超聲波電動(dòng)機(jī)。髓后，t 9 8 8 年東京工業(yè)大學(xué)教 授上羽貞行博士提出了級(jí)扭鬟臺(tái)振動(dòng)超聲波電視 6 l 。 進(jìn)入九十年代，伴隨著各種各具特色趣聲波電機(jī)的出現(xiàn)，備國(guó)將超聲波電機(jī) 徑能的研究放到了重要位霍，建模與分襖、驅(qū)動(dòng)控鏹逐溺成為研究靜主要內(nèi)容， 另外，在非接觸式超聲波電機(jī)、大轉(zhuǎn)矩超聲波電機(jī)、微型超聲波電機(jī)及多自由度 趣聲波毫掇等鎂域戇雙究遣遴一步滌入。l # 接融式超聲波毫瓿黲定、轉(zhuǎn)子是不接 觸的，它克服了接觸式趟聲波電機(jī)由于接觸摩擦所帶來的效率低、使用壽命短等 蛟點(diǎn)逞越聲波電釩豹一個(gè)新瓣研究領(lǐng)域。翻本東裘工業(yè)大學(xué)t o h g oy a m a z a k i 簿研 制了圓筒型非接觸超聲波電機(jī)1 7 j 。1 9 9 5 年，法國(guó)的a n t o i n e f e r r e i a 等提出并研制 了多自由度球形原理性超聲波電楓樣機(jī)l 。1 9 9 8 年，t a k a f u m i a m a n o 等制成了球 體- 圓柱三自由魔超聲波電機(jī)翻，該電機(jī)由個(gè)圓柱形定子和一個(gè)球形轉(zhuǎn)子編成。 定子采用蘭杰文振子，由螺桿將彈性體和三組壓電陶瓷及電極片組合起來構(gòu)成。 該電毒琵最大輸出轉(zhuǎn)矩0 0 3 5 n m ，轉(zhuǎn)速1 0 0 r m i n 。 目 獅，同本的超聲波電機(jī)技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位，舉握著世界上大多數(shù)的超 聲波電瓿技術(shù)袋胡專穰，幾乎瑟鴦豁鰓名大學(xué)霸大公司部在邋行趣聲波邀輟磺 究。日本在基礎(chǔ)理論、制造技術(shù)、控制策略、工業(yè)應(yīng)用和規(guī)格化產(chǎn)品研發(fā)等諸方 委郡取褥了弓| 入注基數(shù)或裁，成果與水平羼世界領(lǐng)先地位。美、英、法、德等國(guó) 緊隨其后，各自在相關(guān)的方耐取得了一定的研究成果。目前，楚國(guó)已將超聲波電 東南大舉碩i 學(xué)位論文 機(jī)成地功應(yīng)用于航空航天、信息和汽車產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域；法國(guó)用于空空導(dǎo)彈導(dǎo)引裝鼴： 德國(guó)則臻予飛機(jī)的邀黃掇縱系統(tǒng)。 國(guó)內(nèi)研究超聲波電機(jī)是在二十世紀(jì)8 0 年代末9 0 年代初開始的，先后有吉林工 業(yè)大學(xué)、滂華大學(xué)、中圖科學(xué)院、浙江大學(xué)、東南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京 航空航天大學(xué)、陜西師范大學(xué)、華中科技大學(xué)、信息產(chǎn)、韭部2 l 所、上海交通大學(xué) 等單位開展了超聲波電機(jī)的研究。他們對(duì)幾種超聲波電機(jī)的運(yùn)行原理、數(shù)學(xué)建模、 仿真詩(shī)籜、祥輥翻俸及驅(qū)動(dòng)技術(shù)等方謠的取褥了一蹴礤究藏采。 l 。l 2 超聲波電率凡的分類及特點(diǎn)f 雖然結(jié)構(gòu)形式多樣，但超聲波電機(jī)工 乍原理楣似：都是剝于壓電陶瓷的逆壓 電效應(yīng)，即當(dāng)超聲波電機(jī)工作時(shí)，在振動(dòng)體的壓電陶瓷上施加超聲頻率的交流電 壓，由于逆壓電效應(yīng)能夠在振動(dòng)體內(nèi)激發(fā)出幾十千赫茲的超聲微觀振動(dòng)，使得振 動(dòng)俸表面超驅(qū)動(dòng)作用的質(zhì)點(diǎn)形成一定運(yùn)動(dòng)轅遍的越聲頹率徽觀掇動(dòng)，該徽蕊搬動(dòng) 通過振動(dòng)體( 定子) 和移動(dòng)體( 轉(zhuǎn)子) 之間的相互作用使移動(dòng)體沿某方向做連 續(xù)宏露運(yùn)動(dòng)【i 稍。接艇式與 接觸式趣聲波毫橇茲囂潮僅在予：接艇式越聲波憊褪 將定子的搬動(dòng)通過摩擦傳遞給轉(zhuǎn)子，瓶非接觸式超聲波電機(jī)是將定子的振動(dòng)通過 氣體或滾髂傳遞繪轉(zhuǎn)子，困恧只是終遞媒矮豹不囂。但不翔結(jié)梅形式越聲波惑規(guī) 之間比較大的區(qū)別就是t 定子振動(dòng)所使用的驅(qū)動(dòng)方式和搬動(dòng)模態(tài)有所不同。 可將超聲波電楓按采用的驅(qū)動(dòng)方式和振動(dòng)橫態(tài)可作如下分類： 超聲波電輥 行波型 駐波黧 單一振動(dòng)模態(tài) ff 圓環(huán)型 復(fù)會(huì)振動(dòng)模態(tài) 彎曲一彎麴振動(dòng)艇 圜擻型 li 柱體型 單一振動(dòng)模態(tài) 蕓薔曩翥型 f 級(jí)一彎型 復(fù)合振動(dòng)模態(tài) 縱一扭型 l 模態(tài)轉(zhuǎn)換墅 超聲波電機(jī)，與傳統(tǒng)的靠電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間的相互作用產(chǎn)生機(jī)械能輸出的電磁 型電極不嗣，它是靠壓電鵝瓷的壓電振動(dòng)悉獲季導(dǎo)極娥蜍湊的。由于聰者之閩豹 工作原理不同，使得超聲波電機(jī)具有以下不同于電磁型電機(jī)的特點(diǎn)： 1 低速大轉(zhuǎn)縋，無輸入自鎖 在位鬻控制系統(tǒng)中，當(dāng)需黌電機(jī)輸出低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩時(shí)，電磁型伺服電視系統(tǒng) 需配有一個(gè)減速齒輪機(jī)構(gòu)，以保證其低速時(shí)獲得太轉(zhuǎn)矩。這種方法影響了系統(tǒng)的 穗凄幫效率；嫠聲渡電稅裂不鬻要減速茜輪，裁筑在 豪遙對(duì)獲褥大轉(zhuǎn)戇，它麓在 保i 正精度的同時(shí)縮小系統(tǒng)的體積。由于超聲波電機(jī)特別是接觸式超聲波電機(jī)主要 靠定子與轉(zhuǎn)子翹豹摩擦力袁驅(qū)動(dòng)，繡以具畜無竣入是鏤，囂這曩薯是普邋電磁型電 機(jī)所不具有的。 粥一章緒論 2 轉(zhuǎn)矩密度商 同縣褥的小型電磁電機(jī)楣比，多數(shù)超聲波電機(jī)的功率密度略低，織其轉(zhuǎn)矩密 度卻是電磁電機(jī)的l o 倍以上，同具有大跪倒減速箱的電磁電桃轉(zhuǎn)矩密度福警。 最近發(fā)展的如k a w a i 的雙壓電陶瓷環(huán)超聲波電機(jī)的能夠提供非常大的轉(zhuǎn)矩和功 率密凌。麗電磁電輥耬減速籀在無強(qiáng)案l 城冷情撬下無法捂續(xù)獲褥相應(yīng)靛洼髓 】1 1 ； 并阻，通過提升機(jī)電耦合效率，增加單位成量?jī)?nèi)使用的聰電陶瓷數(shù)量，能夠進(jìn)一 步提離超聲波電襁竣史轉(zhuǎn)矩秘功率蜜度。 3 運(yùn)行無噪音 超聲波電動(dòng)秘豹運(yùn)行是遁過超聲援動(dòng)傳遞能蹙豹，入鏨嚷不到聲頻蔥圍外豹 聲音。同時(shí)在系統(tǒng)低遮大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)，超聲波電機(jī)無需齒輪減速機(jī)構(gòu)，運(yùn)行非常 安羚，減少了噪啻源。 4 不愛電磁場(chǎng)影響，也不產(chǎn)生電磁場(chǎng) 超聲波電機(jī)由于運(yùn)行時(shí)不通過電磁場(chǎng)傳遞能魅，對(duì)外界電磁場(chǎng)的抗干擾能力 強(qiáng)；而蠢本身落不產(chǎn)生電磁場(chǎng)，對(duì)井賽也不產(chǎn)生淹磁于擾。 5 控制特性好 在電磁毫瓠為技褥元佟懿定整投鑲系統(tǒng)中，系統(tǒng)懿鑲能壤大程度土聯(lián)浹予電 機(jī)起停時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)特性。電磁電機(jī)轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)矩小、轉(zhuǎn)子慣嫩大，響應(yīng)時(shí)間常 大予 0 m s ，量隧著減速簇?cái)?shù)增燕露增大。 霆予8 島應(yīng)熳，逛援黲起籜建度綴大， 通常是轉(zhuǎn)動(dòng)的一部分。超聲波電機(jī)，特別是接觸式超聲波電動(dòng)機(jī)，由于其轉(zhuǎn)子結(jié) 攙筠單，轉(zhuǎn)動(dòng)鎂量小，與轉(zhuǎn)予的慣性力比較，其定子、轉(zhuǎn)子之閹的摩擦力相當(dāng)大， 所以瞬態(tài)口向應(yīng)時(shí)間短，一般小于1 0 m s 左右，黼前最高水平已小于l m s 。如 c r a n f i e l d 的模型u s m 幽靜止加速到全速僅需o 5 m s ，能在0 1 m s 內(nèi)停止，所 以超聲波電視的動(dòng)態(tài)控籀性靛菲常後越。 6 電機(jī)發(fā)熱快，電氣機(jī)械效率較低，不能持續(xù)地長(zhǎng)時(shí)間工作 超聲波逛輥菝靠壓電建瓷翡遵糕電效纛完藏撬電髓蕊轉(zhuǎn)換，定予以凡十千赫 茲的頻率作機(jī)械振動(dòng)，分子間出現(xiàn)的高頻摩擦將產(chǎn)生大艟的熱爆。接觸式超聲波 電動(dòng)枧蹙囂定、轉(zhuǎn)子之闥豹瘁攘力驅(qū)動(dòng)，聯(lián)以除了存在定子振動(dòng)發(fā)熱多 還存譙定 轉(zhuǎn)子間的摩擦損耗等損失，所以電氣機(jī)械效率比普通電動(dòng)機(jī)低。由于定轉(zhuǎn)子之間 的摩擦不斷的產(chǎn)生熱爨，以及定子搬動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或膳電陶瓷的疲勞損壞，使 褥電動(dòng)梳不能遙續(xù)遣長(zhǎng)時(shí)聞地處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 1 1 3 趣聲波電機(jī)的應(yīng)用”1 2 1 由于超聲波電機(jī)的性能優(yōu)良，它具有低速大轉(zhuǎn)矩、炙電磁于擾、動(dòng)攆響皮炔、 無輸入自鎖等特性，在短時(shí)非連續(xù)運(yùn)動(dòng)、精密控制等領(lǐng)域要比傳統(tǒng)的電磁電機(jī)有 更強(qiáng)的適用性。超聲波電機(jī)被認(rèn)為在機(jī)器人，儀器儀表等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。 西前已經(jīng)成功魂應(yīng)靂在以下轍域： 1 照相機(jī)鏡頭的調(diào)焦 1 9 8 2 年，焉本佳能公司開始研究在照翱輟鏡頭調(diào)焦?fàn)抠C簇聲滾龜極。1 9 8 7 年，同本佳能公司非常成功的將環(huán)形超聲波電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于e o s 型照相機(jī)的自動(dòng) 調(diào)焦鑲頭中 t 3 1 0 陵佳轆公司以外，愿康公司豹甥掇也袋耀了超聲波憊極，淫攙 瑪公司電將超聲波電機(jī)應(yīng)用到大口徑望遠(yuǎn)鏡上。與采用電磁型電機(jī)的鏡頭相比， 采期超聲波電機(jī)的鏡頭具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1 ，安靜；2 。定位糖度毫：3 。調(diào)然時(shí)劃短； 4 無齒輪減速機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 東南大學(xué)覯l 擘位論文 2 精密定位系統(tǒng)中的應(yīng)用 由于越聲波電機(jī)響應(yīng)快，當(dāng)位鬻傳感器檢測(cè)到臼標(biāo)位置信號(hào)瞬間，只要斷電， 電豐凡停祝，其定位精凄就可良傈證在一定的范淘肉。超聲波電動(dòng)梳可菊予蟹標(biāo)平 臺(tái)等精密定位系統(tǒng)中。聶本毅生公嗣已經(jīng)開發(fā)應(yīng)用超聲波媳楓的電動(dòng)螺旋、子分 表頭等精密儀器 1 4 1 ；而美國(guó)m i t 的研究成果主要應(yīng)用在顯微鏡的精確定位控制、 雷達(dá)天線的定位控制、導(dǎo)彈飛行姿態(tài)的調(diào)節(jié)等方面f l ”。 3 在電磁兼容環(huán)境要求較高的儀器中應(yīng)霜 掃越電子顯徽鑲( s e m ) 囊空試料室內(nèi)豹試料槳秘棱磁共振裝矍的線照調(diào)熬 裝謄! 等位髯的電磁兼容環(huán)境要求很高，在這些位置電機(jī)既不能產(chǎn)生電磁干擾，也 有不能被外界可能產(chǎn)生的電磁場(chǎng)所影響。超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)不用磁場(chǎng)和磁鐵， 是最適用的。 4 規(guī)囂人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng) 機(jī)器人的關(guān)節(jié)要求要實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)其手腳的功能。對(duì)于傳統(tǒng)的 電磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)而言，要實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)，一般要求每一個(gè)自由度都掇供一個(gè)電 聿旯，通過對(duì)多個(gè)革自出度奄機(jī)作復(fù)雜靜橇械連接來實(shí)瑰，露顯提供電橇數(shù)與所要 求的囊出度數(shù)必須相等。黢此這侖系繞往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨夔、動(dòng)靜態(tài)剛度低、造 價(jià)昂貴，此外齒輪變速機(jī)構(gòu)中存在著間隙、摩擦、彈性變形，糧難保證有商的運(yùn) 動(dòng)精度和定位精度，往往不能滿足豐凡器人向高速、高精度、大承載和較量傀發(fā)展 豹簧求f 3 “。三囊出發(fā)怒聲波電撬熬結(jié)構(gòu)精巧，為多鬢崮度運(yùn)動(dòng)極器人懿驅(qū)動(dòng)給出 了較好的嬲決方案。美國(guó)n a s a 火星探測(cè)者計(jì)劃中，采用了商轉(zhuǎn)矩密度的雙面潑 結(jié)構(gòu)超聲波電機(jī)，實(shí)現(xiàn)多功能自動(dòng)爬行系統(tǒng)( m a c s ) 直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 1 7 】，不僅 滿足了手鬻運(yùn)渤所需的轉(zhuǎn)矩、髓量、尺寸及驅(qū)鞠特性的妻求，麗置髓夠可靠她工 作礁；! 火星惡劣灼邶蟪串。 5 在閥門控制中的應(yīng)用 由f 越聲波電機(jī)無需減速率幾構(gòu)郎可實(shí)現(xiàn)低速運(yùn)行，因而在菩種閥門中有其廣 闊的應(yīng)拜l 前景。戈英蔻它靜叁鑲特性和茯遮響應(yīng)特性，哥瘸于閥 l 摶精確滾量控 制中。 6 汽車電器設(shè)備 由于越聲波電機(jī)工作時(shí)嗓音狠低，可以做得狠薄，安裝空闖小，而且無需變 速撬構(gòu)魏可實(shí)現(xiàn) 鬣轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩，適合汽車中馕爝。德國(guó)奔馳汽車公司毽冬將其應(yīng) 用在奔馳汽車車窗的驅(qū)動(dòng)裝要中。它還可用在剮水器、電動(dòng)開關(guān)車窟的驅(qū)礎(chǔ)裝援 中。車嗣公司融在出口到美國(guó)的汽車中的眨光鏡、方向盤和坐椅頭靠應(yīng)用了超聲 波電豐凡。目前該公司正在生產(chǎn)轉(zhuǎn)矩為2 n m 的越聲波電梳，將用于小轎車窗門玻璃 數(shù)舟降裝饕土 ”。 1 2 趣聲波電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展1 1 超聲波電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)決定了其傳遞函數(shù)的非線性。趟聲波電機(jī)利用摩擦驅(qū) 動(dòng)，定轉(zhuǎn)子之閹相對(duì)滑動(dòng)系數(shù)不能確定，而且電視諧掇頻率隨連續(xù)運(yùn)行時(shí)闖的增 熱濕凄舟麓兩變化，凰時(shí)交予壓力靼摩攘驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩沿態(tài)子環(huán)熬分露性，超聲波電 機(jī)本身呈王見出復(fù)雜的非線性。由于超聲波電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理突全不同于 傳統(tǒng)的電磁電機(jī)，理論上的動(dòng)態(tài)及靜悉數(shù)學(xué)建模非常困難，目前還沒有基于超聲 波電祝傳遞函數(shù)的可麗時(shí)表示英動(dòng)靜態(tài)性能靜數(shù)學(xué)模羹，因而傳統(tǒng)的控制策略在 超聲波電槐控鍘上遇到了挑戰(zhàn)。在對(duì)位爨、速度、轉(zhuǎn)鋌有要求孵則需要采用閉環(huán) 第章緒論 控制方式。1 9 8 6 年日本的t a k e s h ih a t s u z a w a 系統(tǒng)研究了環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的 速度控到特性【l ，零到了環(huán)形雩亍波型超聲波電枧速度與驅(qū)動(dòng)電攫、驅(qū)動(dòng)頻率、相 位惹及正反轉(zhuǎn)切換頻率之間的關(guān)系。1 9 9 0 年y u j ii z u n o 等人實(shí)現(xiàn)了超聲波電機(jī)的 負(fù)載自適應(yīng)跟蹤控制的兩相諧振逆變器【l ，次年實(shí)現(xiàn)了基于模糊推理的高性能速 度，位置控涮策略 2 0 t , 1 9 9 4 年分別進(jìn)行了使露軟侔交增益p l 控制器秘改進(jìn)模精擦鍘 器的超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)的定位控制研究【2 1 1 。1 9 9 0 年y o s h i r ot o m i k a w a 的研 究，l 、韁野始進(jìn)行了游豫趣聲波宅爨殘余振動(dòng)及逮受趣聲波電極金屬噪聲茲驅(qū)渤 脈沖串波形的研究。1 9 9 1 年，a t s u ok a t o 等人實(shí)現(xiàn)了環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的柔 頹控裁，勢(shì)予囂年囂竇瓔了超聲波電輟壹接驅(qū)動(dòng)掇城譬懿柔順按劁f 2 ”。1 9 9 4 年 t o m o n o b us e n y u 等人實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)控制下的超聲波電桃自適應(yīng)速度控制【2 3 1 ， 1 9 9 5 年實(shí)現(xiàn)了同時(shí)控制頻率及相位差雙?？刂频某暡姍C(jī)精密定位控制，1 9 9 6 年實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用混合控制的精密俊速的超聲波電機(jī)定位控翩，并避行了應(yīng)用神經(jīng)元 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行超聲波電機(jī)位置控制的研究【2 4 i 。1 9 9 4 年，s e o ia o y a g i 等人應(yīng)用栩移 輸入及電壓輸入與一個(gè)模糨控鍘器，實(shí)現(xiàn)了超聲波宅梳靜快速精密定佼控穰。 1 9 9 5 年，k a n e k om a k o t o 等人通過雙自由度的p w m 控制，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)控制超聲波 電輥豹毒錟特性。1 9 9 5 年，t k a m a n o 等大實(shí)凌了怒聲波憊祝定位系統(tǒng)瓣囂竣控 制。1 9 9 7 年，f a a n gl i n 將模糊自適應(yīng)技術(shù)與模式跟蹤相結(jié)合j 藏用于超聲波電 極位置控刮1 2 5 j 。1 9 9 9 年，f a a - j e n g 殘矬疆出將模糊害棗經(jīng)元闞絡(luò)( f u z z y n e u r n n e t w o r k ，簡(jiǎn)稱f n n ) 技術(shù)應(yīng)用于超聲波電機(jī)位置控制，以降低閨電機(jī)參數(shù)變化 囂造戲?qū)刂铺前l(fā)懿影嘲f 2 “。2 0 0 1 年，y o m o n o b us e n j y u 鐐?cè)藙円珔⒖寄Ｊ阶赃m 應(yīng)控制( m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ec o n t r o l ，簡(jiǎn)稱m r a c ) 方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)超聲波電 機(jī)運(yùn)行死區(qū) l 、償t 2 訓(xùn)。 綜| 二所述，對(duì)于行波型超聲波電視而毒，在奩績(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中，控翱交登 的選擇：一般選用相位整或者驅(qū)動(dòng)頻率做為控制變量，在精密快速定位及速度跟 蹤蔽翻時(shí)，也常常將二者幫遙棒按翻變量，遽過一定懿控潮策醛遺行實(shí)際懿羧鑭 應(yīng)用。 一 囂靜，趣聲波邀攫控刳蓑豫及與之耜驥攘袋熬控裁裝置茲磷寵正走趣更深層 次?？刂颇康恼鴮?shí)現(xiàn)靜態(tài)微誤差，動(dòng)態(tài)誤差不斷減小的快速精密的超聲波電 規(guī)定位與逡度控制方向發(fā)展。探索逡霸恰強(qiáng)的現(xiàn)代數(shù)學(xué)分析手段及與之相對(duì)應(yīng) 的控制策略，利用先進(jìn)技術(shù)開發(fā)高性能的趣聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制裝置，不斷提高超 聲波電機(jī)應(yīng)用水平是超聲波電機(jī)研究的重要方向之一。 1 3 本課題的石丹究工作 本課題的主要研究?jī)?nèi)容：纂于d s p 芯片的環(huán)形行波超聲波電機(jī)運(yùn)行機(jī)理分析 及箕控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：基于d s p 芯片三自由度超聲波電機(jī)及控制技術(shù)的研究。 環(huán)形行波超聲波電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是建立在環(huán)形行波超聲波電機(jī)運(yùn)行機(jī) 瑾錯(cuò)究瓣攀礁上，通過辯趣聲波毫輥數(shù)學(xué)摸蓬和憊學(xué)等效模型分毒廳，慧結(jié)基圭萃澎 行波超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制策略和控制系統(tǒng)的原理，以此為構(gòu)思，實(shí)現(xiàn)了環(huán)形行波 趣聲波電掇控利系絞愿疆毪橫橇。本文透過浚控毒l 器實(shí)璦了超聲波電椒豹點(diǎn)位控 制，并給出了相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果。 三自由度超聲波電枧控制篆統(tǒng)的設(shè)計(jì)是根據(jù)三自出鷹超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)原 理及其運(yùn)行機(jī)理的分析，以此罐出該種超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)撩制策略，并夜此基礎(chǔ)上 實(shí)現(xiàn)了三翻幽度超聲波電機(jī)控制系統(tǒng)原理性樣機(jī)。 東南大學(xué)碩i ：學(xué)位論文 以上兩種樣機(jī)使用了不同的兩種具有戴型代表性的超聲波電機(jī)驅(qū)銣方式即 線性正弦波驅(qū)動(dòng)鞠d c 輯波驅(qū)動(dòng)，并且它們備自分別提供了三聹耀關(guān)的控制手段： 線性正弦波驅(qū)動(dòng)下的調(diào)壓、調(diào)相、調(diào)頻控制：d c 斬波驅(qū)動(dòng)下的調(diào)占空比、調(diào)相、 調(diào)頻控制。它們?yōu)槌暡姍C(jī)控制技術(shù)的研究和發(fā)展提供了良好的硬件平臺(tái)。 本論文的研究?jī)?nèi)容安排如下： 第一強(qiáng)緒論 壤述了超聲波亳糗及英控鍵技術(shù)在國(guó)內(nèi)羚的發(fā)溪凌狀，趣聲波電橇貔分爽幫 應(yīng)用，提出了本文韻主要研究?jī)?nèi)容。 第二耄環(huán)形行波越聲波魄規(guī)及英控制原理 本章在對(duì)環(huán)形行波超聲波電機(jī)運(yùn)行機(jī)瓚進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)超聲波電機(jī)數(shù) 學(xué)模型和媳學(xué)等效模型避虧亍了鼴究分析，繪出了環(huán)形行波超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制策 略和控制系統(tǒng)的服理。 第三章環(huán)形行波越聲波電機(jī)控露系統(tǒng)的研究及設(shè)計(jì) 本章校據(jù)超聲波電梳的原理和控制特髂，對(duì)環(huán)形行液超聲波瞧梳靛涮系統(tǒng)豁 各個(gè)組成部分原理、主疆元器件特性和實(shí)現(xiàn)技術(shù)j 拄行了深入研究，研究開發(fā)了基 于d s p 鵑控制器，并對(duì)系統(tǒng)中關(guān)鍵毫潞懿設(shè)計(jì)霸剩傳遞霉亍了詳綏分輯。 第四章三自由度超聲波電機(jī)及控制技術(shù)的研究 根據(jù)三鴦出發(fā)超聲渡毫極躲結(jié)攙原理及英運(yùn)行援理靜分援，以此提出該孝申超 聲波電機(jī)馳動(dòng)控制策略，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了三自由度趟聲波電機(jī)控制系統(tǒng)原理 蛙棒枧。本章詳述了三魍由度超聲波電機(jī)控制系統(tǒng)原理、各個(gè)級(jí)成部分的電路和 系統(tǒng)中使用的主簧元器件特點(diǎn)。 第五章總翁與展糍 本章對(duì)全文內(nèi)容送行總結(jié)，并根據(jù)超聲波電楓控翻系統(tǒng)開袋翔研究過程中銜 取得的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，提出了越聲波電機(jī)控制技術(shù)需進(jìn)一步研究的課題。 鵝二章環(huán)形行波超聲波電機(jī)艘其拎制原理 第二章環(huán)形行波超聲波電機(jī)及其控制原理 2 1 環(huán)形行波超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行機(jī)理 2 1 1 環(huán)形行波超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)引 環(huán)形行波超聲波電機(jī)是目前應(yīng)用最廣泛的超聲波電機(jī)之一，奠基本結(jié)構(gòu)如圖 2 1 所示。環(huán)形行波超聲波電機(jī)由外炎、軸承、碟簧、轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)予、定予、壓電 陶瓷片和底座等部件組成。其中定子上開有齒稽，轉(zhuǎn)子聞定子摟觸面覆有一層 特殊的摩擦材料，壓電陶瓷片通過膠臺(tái)粘接在定予的另一側(cè)。定轉(zhuǎn)子依靠蝶餐 交形所產(chǎn)生的軸辯壓力緊壓在踅。 圖2 - l 環(huán)形行波州超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu) 超聲波電機(jī)一般都蹙通過放大由逆壓電效應(yīng)g l 起的電陶瓷微觀振渤來產(chǎn)嫩 宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)的。環(huán)形行波超聲波電機(jī)，其核心部分是由壓電陶瓷和彈性體組 成的定子及接舷西粘有摩擦櫥辯靜轉(zhuǎn)予。環(huán)形行滾超聲波電視縮梅上羧大的特 點(diǎn)是：定予和轉(zhuǎn)予均為薄圓環(huán)，使得整個(gè)電機(jī)結(jié)構(gòu)呈扁圓環(huán)形。 糖于定子營(yíng)瓣豹壓電離瓷蹇為環(huán)形，分殘a 、b 瑟區(qū)進(jìn)行極純分割。圈2 ，2 給出了直徑6 0 m m 環(huán)形行波型超聲波電機(jī)用鼠。彎曲振動(dòng)模態(tài)對(duì)應(yīng)的壓電陶瓷 極化閏，圖中咒為行波波長(zhǎng)。圖中的陰影區(qū)域?yàn)閬矸筱y醞，它將壓電陶瓷分隔 成不同的區(qū)域。凰2 2 a 中期鄰兩個(gè)壓電分區(qū)豹極化方向棚反，分別以“+ 一” 表示，在諧振點(diǎn)頻率附近的交流電信號(hào)激勵(lì)下可收縮和伸張，構(gòu)成一個(gè)波長(zhǎng)靜 彈性波?；酥兴镜臉O化分區(qū)可組成蘭個(gè)電極，其中a 隧和b 區(qū)表示利用壓電 陶瓷的逆壓電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)環(huán)形幸亍波超聲波電梳靜兩稻電極。孺裰囂是傳懣器區(qū)， 它利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)可實(shí)時(shí)反映定子的振動(dòng)幅值情況，利用它作為反 饋信號(hào)哥瘸子控潮系統(tǒng)潮斷諧藩點(diǎn)豹漂移，觚囂調(diào)整驅(qū)動(dòng)毫源輸出信號(hào)靜頻率。 圖中，壓電陶瓷環(huán)的周長(zhǎng)為行波波長(zhǎng)丑的n 倍( 圖中n = 9 ) ，a 區(qū)和b 區(qū)空間 閆辮，毫4 和3 2 , 4 ，其翅各分隧爨掰鑫寵瘦為丑，2 ，孤投囂竟發(fā)為五4 。 東南大學(xué)傾士學(xué)位論文 ( a ) 圖2 - 2 環(huán)形壓電陶瓷的極化分割 4 ( b ) 2 1 2 環(huán)形行波超聲波電機(jī)運(yùn)行理論分析【i 兒j j 由于壓電陶瓷相鄰分區(qū)極化方向相反，當(dāng)在電機(jī)壓電陶瓷的a 區(qū)和b 區(qū)同 時(shí)施加兩相定子諧振點(diǎn)附近的超聲頻率正弦交流電信號(hào)時(shí)，極化區(qū)將產(chǎn)生伸張 或收縮變形，圖2 - 2 ( a ) 中“+ ”極化區(qū)和相鄰的“一”極化區(qū)產(chǎn)生形變相反， 從而在圓周上形成兩組駐波振動(dòng)如圖2 3 所示。由于a 區(qū)和b 區(qū)在空間上差z 2 相位差，如果a 區(qū)和b 區(qū)施加的a 、b 兩相交流電信號(hào)在時(shí)間上亦存在相位差 的話，合成這兩個(gè)駐波振動(dòng)，將在定子環(huán)中形成一行波振動(dòng)。這一結(jié)論可從下 面的數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到證實(shí)。 設(shè)a 相、b 相驅(qū)動(dòng)激發(fā)的定子駐波分別為： w a x ，t ) = c o s 缸c o s c o t( 2 1 ) ( x ，f ) = 磊c o s k ( x a ) c o s ( r o t + )( 2 2 ) 其中： 氦、靠為兩相駐波的振幅， 七= 2 為彈性波振動(dòng)的波數(shù)， = 魯為 彈性波波長(zhǎng)，上= 2 w r 為定予環(huán)圓周長(zhǎng)，且為定子環(huán)平均半徑，”為周向振動(dòng)模 態(tài)階數(shù)，則k = n r ，西為a 相、b 相由兩相電激勵(lì)的相位差引起駐波時(shí)間上的 相位差。a 為a 相振子與b 相振子間的空間間隔。 8 第二章王_ 1 ：形行波趟聲波電機(jī)及其控制原理 翅2 - 3 定子靛攮動(dòng) 如圖2 * 2 a 所示，。= 2 4 ，鄹a 娟振子與b 楣攝子闖熬空閩閹隔搬差n 2 則有： w n ( x ，f ) = 磊s i n k x c o s ( c o t + 彩( 2 3 ) 兩列駐波瑟加可得定予環(huán)表面某一確定質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)為： 啡，臥：搿c o s h o c c 吲o s c o 托t 鼉s i n k x c o s ( c o t 瑚 ( 2 _ 4 ) = + 島+ ) 、7 匕式中，由于在實(shí)際情況中可認(rèn)為兩相極化分區(qū)完全對(duì)稱，當(dāng)施加兩相 交滾電償號(hào)豹魄壓1 妻辦完全籀圈露，劉每穗攝耀邑= 轟= 孝。糟爹= 7 r 1 2 ，鴦： w ( x ，f ) = 孝c o s ( 妣+ c o t ) 麗當(dāng)善。= 善8 = 孝，= - n 1 2 時(shí)， w ( x ，f ) = c o s ( 觳一c o t ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 由式2 5 ) 積式( 2 6 ) n n 蔣毫，菪囂搖秘動(dòng)毫蘊(yùn)穩(wěn)健差乒為療，2 拜李，在定子環(huán)申 形殘囂波，w ( x ，d 罄為定子表露該璦點(diǎn)戇級(jí)巍援動(dòng)位移，薅旦巍其中縈一楣愛 相時(shí)，行波的運(yùn)動(dòng)方向相反。對(duì)于式( 2 5 ) 所給出的行波，定子表面該質(zhì)點(diǎn)橫向 振動(dòng)可表示為 “( _ ，f ) ：一h o w ( x , t ) ：一她手s i n ( k , + c o t ) ( 2 - 7 ) c t x 其中h 為定子上波面到中性層的距離，由式( 2 5 ) 、( 2 - 7 ) 可得定予表面質(zhì)點(diǎn)運(yùn)礎(chǔ) 東南人學(xué)碩i 學(xué)位論文 軌跡方程： 筆掣十裟：l ( 2 - 8 ) 亭2( 脅# ) 2 交式( 2 8 ) 可見，當(dāng)在寇子中彩畿行波辯，葵定予表囂震點(diǎn)俸撩鬻毓述運(yùn)魂。 由式( 2 7 ) ，可以獲 導(dǎo)定子表面質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的橫向速度為 啪) * 掣一k h 孝c o c o s ( k x 倒) ( 2 - 9 ) 在橢圓運(yùn)動(dòng)最高點(diǎn)時(shí)v ，獲得最大值 v 。，。= 一k h 孝c o( 2 - 1 0 ) 主式中瓣負(fù)號(hào)表示定予表面蔟點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到稀鬣最高點(diǎn)拜亨的運(yùn)動(dòng)方淹正好與幸亍波前 進(jìn)方向相反。 若不計(jì)定轉(zhuǎn)子潤(rùn)滑動(dòng)，且竣轉(zhuǎn)子接融囂與定子掭凌波形褪鐲，剩武辯轉(zhuǎn)子邃菠 為： v j = 一k h 古c o ( 2 一1 1 ) n ( 2 1 2 ) 髑同，式( 2 一1 3 ) 中的受號(hào)表示轉(zhuǎn)子速度與逡孑振動(dòng)萼亍波囂進(jìn)方囪相反 4 1 。 幽2 - 4 定子表兩質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)的形成 以巴分櫥露知，若落籀鬻動(dòng)奄輟耀蘊(yùn)蒺為x 2 露，耀個(gè)駐波援動(dòng)將在定子 內(nèi)產(chǎn)生一彎曲行波振動(dòng)，當(dāng)彎曲振動(dòng)行波在定予內(nèi)行進(jìn)時(shí)，定子表麗質(zhì)點(diǎn)將作 撼灝運(yùn)動(dòng)，婦黧2 4 所示。t l 為t l 瓣刻定子表露波影，您為t 2 霹刻定子袋囂 波形。為說明方便，設(shè)定子襲面有一齒。在時(shí)刻t l 時(shí)此齒在行波的波峰處，當(dāng) 季亍波向發(fā)行進(jìn)9 0 。到達(dá)時(shí)刻t 2 時(shí)，搬頂端恕左劃過了道弧線到達(dá)中線處；當(dāng) 行波再向發(fā)行進(jìn)9 0 。時(shí)，齒副達(dá)波谷處。如此往復(fù)，定子齒預(yù)端將形成一橢隧 運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)壓緊在其表面的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生與行波方向相反的驅(qū)動(dòng)力，推動(dòng)轉(zhuǎn)予旋 轉(zhuǎn)。蓍定予內(nèi)行渡的運(yùn)動(dòng)方離反商翻+ ，轉(zhuǎn)予剛兩稽反的方商旋轉(zhuǎn)。戮兩，只要 改變定子壓電陶瓷兩相激勵(lì)信號(hào)的楣序即可改變行波的方向，也就改變了轉(zhuǎn)子 靜旋轉(zhuǎn)方離。 婚二章邵形行被超聲波l 乜機(jī)及其拄制原理 2 1 3 環(huán)形行波趟聲波電機(jī)電學(xué)等效模型【i 】i l 環(huán)形行渡超聲波電稅夔控露系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)圍繞超聲波電事是摸型分鏨慕設(shè)計(jì)實(shí) 現(xiàn)。目前，對(duì)超聲波電機(jī)模型分析通常采用解析法、有限元法和等效電路法這 三孝孛方法。通過等效電路法分據(jù)褥到的環(huán)形行波超聲波電機(jī)電學(xué)等效模型能夠 很好的模擬電機(jī)系統(tǒng)的電輸入特性嘲【9 】，對(duì)于超聲波電機(jī)控制技術(shù)的研究具有麓 要的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。 v 一 單相驅(qū)動(dòng)的環(huán)形行波超聲波電機(jī)其自由定子在諧振頻率附_ i 曛的固怒頻率點(diǎn) 可用一個(gè)等效電路來表示”，如圖2 - 5 所示。其中q 表示由壓電陶瓷介電性引 起的夾持電容，蜀表示壓電陶瓷的介電損耗，島表示定子質(zhì)量效應(yīng)酶等效電感， g ，襲示定子彈性效應(yīng)豹等效怒容，瓦表示定子疼撬撼損耗靜等效電甄。 通過對(duì)環(huán)形行波超聲波電機(jī)運(yùn)行機(jī)理分析可知，環(huán)型行波越聲波媳帆正常 運(yùn)行時(shí)利嗣兩個(gè)麗型駐波疊加形成的行波俸為驅(qū)韻源逶避摩擦帶動(dòng)轉(zhuǎn)予轉(zhuǎn)動(dòng)， 其類型為單壓電環(huán)雙相驅(qū)動(dòng)型超聲波電機(jī)，因而整個(gè)電機(jī)的等效電路可由圖2 - 6 輯示翡表示。 v a 翻2 - 6 麗相驅(qū)動(dòng)的環(huán)形耀波翹聲波電轆完整等效電籍 東南大學(xué)壩l 學(xué)位論文 環(huán)形行波超聲波電機(jī)壓電陶瓷的電極結(jié)構(gòu)如圖2 2 所示，a 相壓電陶瓷激 默區(qū)域與轉(zhuǎn)楣壓魄殘瓷激殛區(qū)域在空潤(rùn)上蝴差l 4 個(gè)波長(zhǎng)a 。因囂當(dāng)a 援激掇 使金屬環(huán)產(chǎn)生駐波振動(dòng)時(shí)，b 柏壓電陶瓷極化區(qū)的中心正好位于a 相振動(dòng)的平 餐佼囂，馨0 ”鞠1 8 4 相位區(qū)，在遮黑各極化送靜陶瓷片一半西羚力佟翔 率長(zhǎng)， 而另一半壓縮，總的伸縮量為零，對(duì)外不表現(xiàn)出壓電特性。a 相駐波搬動(dòng)不影 確b 稻的電特毪，如圖2 * 7 所示；弼瑾b 稆酶駐波搬動(dòng)氌不影響a 褶斡電特髓， 二者是相互獨(dú)立的。因而整個(gè)電機(jī)的等效電路可用一個(gè)單相電路來表冰，如圖 2 罐所示。在圖2 罐所示的等效電路中，r 。表示由預(yù)壓力弓l 起的搬動(dòng)損耗，r 。， 代表轉(zhuǎn)矩負(fù)載，旁路電浚磊是考慮到邀極牲能特性圍潺動(dòng)瘴擦、預(yù)壓力、負(fù)載、 溫度等因素變化麗受到的影響弓 入的電流支路。 y j 乃武 一 蟻 圈2 。7 兩栩駐波間褶互影響 將此電流支路進(jìn)一步細(xì)億，即考慮到預(yù)壓力和摩擦驅(qū)渤對(duì)電豐幾轉(zhuǎn)速的影響， 引入恒滾激j ，；考慮到受載轉(zhuǎn)矩對(duì)電捉轉(zhuǎn)速的影響，引入恒滾淡z 。考慮到湛 度對(duì)電機(jī)的機(jī)電特性的影響，將等效電路中電路元件表示為溫度的函數(shù)，則最 終可以得到電豐凡藏體等效電路，如圖2 - 9 所示。圖2 - 9 中，r ，表示由鞭壓力引 起的摩擦損耗，c ，表示預(yù)壓力弓| 起的頻偏效應(yīng)，r 、c 表示電梳轉(zhuǎn)子輸出功率。 其中，等效毫路參數(shù)、o 、震。、乞及k 可逐過對(duì)定子導(dǎo)縭特性豹囂量獲 季導(dǎo)，麗其他電路元件參數(shù)及可變參數(shù)的濕度系數(shù)、受控電流源的比例系數(shù)，需 要通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型仿真結(jié)架的對(duì)比進(jìn)行不斷調(diào)整來獲得。警確定了一個(gè)邀 機(jī)的等效電路參數(shù)以后，就可以用此等效電路代替真實(shí)的電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)電路 的設(shè)計(jì)稻在運(yùn)行環(huán)境下送行控麓方法的仿真研究。 第二章環(huán)形行波超聲波電機(jī)發(fā)其控制原理 四 - 圖2 - 8 單相環(huán)形行波超聲波電機(jī)簡(jiǎn)化等效電路 r l o a d 圈2 - 9 考慮實(shí)際影響因素的環(huán)形行浚越聲波電輥等效電路 2 2 環(huán)形行波超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制原理 環(huán)形行波越聲波電豐凡的定子環(huán)振動(dòng)分析爵淤逶過模羧等效復(fù)合粱的掇動(dòng) 來解析。單相激勵(lì)下，壓電片每個(gè)分區(qū)所對(duì)應(yīng)的復(fù)合梁可作為簡(jiǎn)支梁來處璁， 因而求解簡(jiǎn)支梁的強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)，可眺得到單相驅(qū)動(dòng)時(shí)的定子振幅掌為戮， ( 2 一1 2 ) 其中，p 為復(fù)合粱的密度，a 為復(fù)合梁截喇積，為半波長(zhǎng)，c 為與復(fù)合梁材料 結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)，k 。為對(duì)應(yīng)第2 n 階諧振頻率的頻率系數(shù)，k ，為激勵(lì)電壓，m 為激勵(lì)頻率與諧振頻率之差，p 為第2 n 階諧振頻率，占襲示結(jié)構(gòu)耗散的等效轉(zhuǎn) 東南大學(xué)順i 學(xué)位論文 矩裳減糸粼。e h 式( 2 。1 2 ) 司得，胡、形訂波超聲波電機(jī)定子搬動(dòng)振幅主要受電壓k ， 和激赫額率甜偏離定予環(huán)第2 n 階諧振頻率靜編離量掰確定。 因而由式( 2 6 ) 可求褥在一般情況下z 方向位移“( 毛，) ，速度攻慨，) 分別為： “( x ，f ) ：一h o w 。( x , t ) ：一向七善 c 。s 觸c 。s ( + 妒) 一s i n | b c c o s 國(guó)f 】( 2 - 1 3 ) 比( x ，) ：掣攀：一h k 搿n 缸s i n c o t - c o s k x s i n ( 刪+ ) ( 2 - 1 4 ) 在行波振動(dòng)的波峰點(diǎn)，由掣：0 可求得波峰點(diǎn)處， c o s 妣一 ! 墼絲 r 2 1 5 ) , c o s 2g o t + c o s 2 ( 硝+ 多) 、 。i n 奴： ! ! 塾絲蘭絲 捏1 國(guó) c o s 2 0 j r 十c o s 2 ( 耐+ 痧) 這梯波峰點(diǎn)的處豹速度為： ，：一a m 【毒攀些窖哩二毒掣些雩型l 】 c o s 2c o t + c o s 。( 耐+ 彩f f c o s 。, c o t + c o s 2 ( 耐+ 挪 nl ” h k 艏s i n 西 t 。， 。蕊纛霖蠶面蓊 由式( 2 1 7 ) 可見，當(dāng)電機(jī)結(jié)構(gòu)確定時(shí)通過調(diào)節(jié)a 栩和b 相駐波的幅假芒、擁位 差毋及振動(dòng)頻率腳，可以控制行波波峰點(diǎn)的速度。 由( 2 1 2 ) 和( 2 m 1 7 ) 可知，通過改變環(huán)形行波超聲波電梳兩相電激勵(lì)信號(hào)的頻 率鐘、電壓堰 妻圪和它們之闥楣互的捆位麓，可以控制振動(dòng)季亍波螅輻僮黧速 度，從而控制轉(zhuǎn)子的輸出轉(zhuǎn)矩和速度，實(shí)王兕電機(jī)控制的目的川。如圖2 1 0 ，2 1 l ， 2 一1 2 所示，它們分裂為不弱受載轉(zhuǎn)綴下調(diào)頻、援疆纛調(diào)鞠控割葬雩茲特牲噩垂線， 測(cè)試所用電機(jī)為6 0 環(huán)形行波超聲波電機(jī)。 2 2 1 譎頸控鍘 如圖2 1 0 所示，該特性曲線測(cè)試條件為：兩棚相位麓為9 0 。，驅(qū)幼電羼為 2 4 8 v 。瀾頹譎逮為菲線往控制，調(diào)遮范圍可以從零速虱最高速。它蒸有菲鼙調(diào) 性，在諧振點(diǎn)的右側(cè)曲線相對(duì)分段平滑，可調(diào)節(jié)頻帶寬可作為控制穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)； 諧振點(diǎn)左稠蠡線每右 饕 | 裙反為不穩(wěn)鬣運(yùn)行蕊“”。警電聿躉王俸在諧振點(diǎn)瓣運(yùn)辯， 機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率最高，但當(dāng)電機(jī)負(fù)載出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，容易造成不穩(wěn)定運(yùn)行，同 時(shí)諧攝點(diǎn)受涅瘦幻影魂瑟漂移。通囂電視王 睪點(diǎn)農(nóng)諧振頻率點(diǎn)豹右鍘，著與諧 振頻率有定的偏差，但偏羲不宜太大，以免機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率過低，驅(qū)動(dòng)電 路中彎性電流過大。 囂二章弼：形行波超聲波 乜機(jī)搜其控制原理 虱2 1 0 調(diào)頻控制特性蘸線 控制驅(qū)動(dòng)頻率米實(shí)現(xiàn)超聲波電機(jī)的調(diào)速，調(diào)速范圍大、響應(yīng)速度快，但誤差 較大，曼出芎：灄發(fā)對(duì)憊帆參數(shù)翡影確，餿褥頻率特性豹黛復(fù)性變差，萼i 起在攜 定遴度處肖抖動(dòng)。不過，在電機(jī)高轉(zhuǎn)速或大轉(zhuǎn)矩輸出情況下，必須采用變頻調(diào) 速方式1 “1 。 2 2 ，2 凋壓控割 圖2 1 1 調(diào)骶控制特性曲線 如圖2 1 1 所示，該特性曲線測(cè)試條件為：兩相相位差為9 0 。，驅(qū)動(dòng)頻率 4 2 8 3 k h z 。當(dāng)驅(qū)鞠電囂小子1 9 0 v 露，毫掇轉(zhuǎn)速接近先0 ，當(dāng)毫蓮太于2 3 0 v 黠 轉(zhuǎn)速進(jìn)入飽和，曲線具有明顯的死區(qū)和飽和區(qū)。歹e 區(qū)的大小與電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分 馳 辯 蚰 孫 p l 東南大學(xué)碩卜學(xué)位論文 靜摩擦轉(zhuǎn)矩、外轉(zhuǎn)矩及工作頻率有關(guān)。但在死區(qū)和飽和區(qū)之間近似為線性區(qū)。 調(diào)壓調(diào)逮控剝?cè)谠畢^(qū)霸飽和區(qū)之閩接近線 壘控利，控割效栗比較簿，內(nèi)予跫區(qū) 的存在及熟隨轉(zhuǎn)矩、工作頻率變化而變化，使得調(diào)速范圍變窄，低速時(shí)難以控 制。所以一般不寰熄電聰蟠值 乍為單一的控鍘變量米實(shí)現(xiàn)超聲波電機(jī)的調(diào)速【】。 2 2 3 凋稠控制 閏2 一1 2 調(diào)相控制特性曲線 如蠶2 1 2 耩示，渡特搜洼線測(cè)試條饞必：驅(qū)動(dòng)電蓬熒2 4 8 v ，驅(qū)動(dòng)頻率 4 2 6 3 k h z 。改變電機(jī)兩相驅(qū)動(dòng)電壓的相位麓，實(shí)際上就是改變電機(jī)定子表面質(zhì) 點(diǎn)糖圓運(yùn)動(dòng)豹孰跡。調(diào)楣調(diào)這是三葶申控制手段中墩為理想的一瓣，它的調(diào)遮范 圍寬，無死區(qū)，在大部分區(qū)域轉(zhuǎn)速與相位麓的正弦值呈線性關(guān)系。只有在鞠位 差接近0 ?；? 8 0 。時(shí)，由于定子乎亍波要克服轉(zhuǎn)動(dòng)部分靜摩擦力而出現(xiàn)非線性。 調(diào)稚調(diào)速可以方便的傻電梳菠轉(zhuǎn)，這是其它兩種耱銷方法無法這到懿。采鬣稿 位麓調(diào)速時(shí)，電機(jī)能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的換向，可用于位鬣伺服系統(tǒng)中的精密定位控制。 毽糞對(duì)指定位鐾漓應(yīng)速度攫。爨戮敬變電燕穗經(jīng)麓靛謂速方法應(yīng)霸其它調(diào)這方 法，如變頻調(diào)逮，結(jié)合起來使用，發(fā)揮各自的特點(diǎn)，就能更好地滿足超聲波電 極復(fù)雜逮發(fā)特瞧粒要袋。 2 2 4 其它控制技術(shù)【l o ”1 環(huán)形行波超聲波亳梳舞具鴦豹三轉(zhuǎn)摹本控到方法，它粕都是根據(jù)公式( 2 1 2 ) 分析，通過改變定子行波振動(dòng)的狀態(tài)來控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)的。在此基礎(chǔ)上， 耱三穆控鍘方法耀結(jié)會(huì)期擴(kuò)聰，派生出一些其它的控制技術(shù)，以適應(yīng)不同條 牛 要求。下面介紹幾種這樣的方法： l 。正反轉(zhuǎn)辣寬調(diào)幅控制，它是通過調(diào)整正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)時(shí)間占空比調(diào)速，其實(shí)質(zhì)是 笫二章環(huán)彤行波趟聲波i b 機(jī)及；j = 【= 控制原璀 通過相位差9 0 。和9 0 。切換及調(diào)壓調(diào)速來實(shí)現(xiàn)的。其特點(diǎn)為轉(zhuǎn)矩恒定調(diào) 速范露寵近似線性，但有諼速效搴及音頻極城撥動(dòng)問題。 2 斷續(xù)驅(qū)動(dòng)控制，它是通過低頻斷續(xù)驅(qū)動(dòng)調(diào)速，其特點(diǎn)為轉(zhuǎn)矩恒定調(diào)速范圍寬 近似線性，但育切換噪聲稻機(jī)械搋動(dòng)。 3 改變電壓幅德比控制，它通過改變兩相電睚的院值從而改變定予行波振幅和 橢圓運(yùn)動(dòng)的形狀，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的不對(duì)稱運(yùn)行，達(dá)到調(diào)速目的，它同調(diào)壓調(diào)速一 樣有死送。 2 3 本章小結(jié) 本章介紹了環(huán)形行波超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，利用蘸人對(duì)環(huán)形行波超 聲波電機(jī)運(yùn)行機(jī)理研究，和對(duì)超聲波電機(jī)數(shù)學(xué)模型和電學(xué)等效模型分析，總結(jié)出 環(huán)形行波麓聲波瞧梳驅(qū)動(dòng)控箭策略和控審l 漂瑾。為環(huán)形行波趣聲波電極控制系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。 東南大學(xué)碘f 博! 位論文 第三章環(huán)形行波超聲波電機(jī)控制系統(tǒng)的研究及設(shè)計(jì) 3 1 環(huán)形超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào) 超聲波電楓是近幾年來快速發(fā)展起來的毅型執(zhí)電能爨轉(zhuǎn)換裟置?，F(xiàn)在通常 運(yùn)用a n s y