基于同步箝位控制與周期機械波合成的壓電馬達研究.pdf

1、壓電馬達廣泛應用于航空航天、生物醫(yī)療及其它精密儀器等領域，但其仍然存在效率低、磨損嚴重等問題。為了有效地解決這些問題，提高壓電馬達的綜合性能，使壓電馬達在力、速度、效率等方面結(jié)合得更好，以及提高滑動摩擦耦合型壓電馬達的使用壽命，論文首次提出一種同步箝位控制與周期機械波合成的壓電馬達研究方法。論文的主要工作成果和結(jié)論如下:
　　 目前，電子開關的使用已經(jīng)相當頻繁，但是將機械同步箝位開關應用于壓電振子的運動控制從而產(chǎn)生定向位移，這種

2、驅(qū)動方式在壓電馬達領域尚屬首例。該控制原理啟發(fā)于傳統(tǒng)電學原件可控硅及其在交流電驅(qū)動的直流電機中的應用，類比電學系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的相似性，抽象出同步箝位控制壓電馬達的機械控制系統(tǒng)模型，建立了壓電振子的動力學模型。同步箝位控制原理結(jié)合了壓電超聲馬達的諧振驅(qū)動和尺蠖馬達的控制機理兩個特點，克服了兩者的缺點:壓電超聲馬達工作過程中存在滑動摩擦和尺蠖馬達準靜態(tài)工作頻率較低。
　　 根據(jù)同步箝位控制壓電馬達的機械控制系統(tǒng)及動力學模型，詳細闡述

3、和分析了該類型馬達的具體工作過程，并給出了空載和帶載兩種情況下，壓電馬達每周期內(nèi)的速度、位移、箝位時間點以及步距的表達式。理論研究了壓電馬達的性能與驅(qū)動頻率、驅(qū)動振幅、箝位力等參數(shù)之間的關系，同時指出了驅(qū)動信號與箝位信號之間的相互協(xié)調(diào)關系對馬達性能的影響。
　　 采用有限元仿真分析法確定馬達的結(jié)構(gòu)尺寸，研制了馬達樣機并進行了性能測試與分析。同步箝位控制型壓電馬達的無負載步距是5μm，負載能力5N。負載是0.5N時速度可達8.2

4、mm/s。當負載是2N時馬達的凈效率為18.5％，扣除壓電振子在空氣中無效損耗后，總效率高達72.5％。實驗證明該馬達具有良好的綜合性能，使壓電馬達在力、速度、效率方面的綜合性能得到提高，初步解決滑動摩擦耦合型壓電馬達使用壽命受限的問題。
　　 在任意周期波合成型壓電馬達的理論研究中，首次提出了基于多級音叉結(jié)構(gòu)的任意周期機械波波形合成方法，波形合成不受階數(shù)和頻率比限制，解決了高次諧波匹配階數(shù)受限（已有方法不超過三階）以及匹配過程

5、復雜的瓶頸問題。系統(tǒng)分析了波形合成的理論基礎，研究了波形合成的特點及應用，詳細介紹了基于多級音叉頻率耦合過程。針對多級音叉本身的特點，結(jié)合有限元分析方法設計并研制出三級音叉模型。第一、二、三級音叉的反向共振頻率實測值比為1∶2.00∶2.99，頻率耦合的較好。在幅值相同的激振條件下，三個共振模態(tài)對應機械品質(zhì)因數(shù)(Q值)分別是5617，4883和3515?；谌壱舨娼Y(jié)構(gòu)，首次合成了近似鋸齒波、方波、正弦半波整流和正弦全波整流四種典型諧振