超聲波電機優(yōu)化設(shè)計及若干應(yīng)用研究.pdf

1、超聲波電機是一種具有低速大力矩、高功率密度等特點的新原理電機。迄今，世界各國對各類超聲波電機展開大量研究，從原理、數(shù)學模型以致控制策略等已越趨成熟。相對而言，超聲波電機的應(yīng)用技術(shù)研究發(fā)展滯后，新應(yīng)用擴寬不足。因此面向應(yīng)用的超聲波電機研制成為當今超聲波電機研究的一個重要方向，而我國在此方面的研究則更需強化。為此，本文旨在加快超聲波電機的應(yīng)用，重點探討了超聲波電機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計、電機出力和可靠性的提高、面向應(yīng)用的解析模型確立、微小型電機及其

2、小型化驅(qū)動控制器的研制、超聲波電機在系統(tǒng)中的靈活運用等科學和技術(shù)層面問題。主要的工作及成果有：
　　 (1)研究了10mm左右的微型行波型超聲波電機的優(yōu)化設(shè)計理論和制造技術(shù)，提出了一系列提高電機機械特性的理論和方法，并將環(huán)狀微型行波型超聲波電機應(yīng)用于手機光學調(diào)焦系統(tǒng)。首先提出了10mm左右微型行波型超聲波電機的最佳驅(qū)動模態(tài)。其次從能量轉(zhuǎn)換角度，證明壓電陶瓷有效利用率對微型行波型超聲波電機性能影響較大，并改進壓電陶瓷極化模式，提高

3、有效利用率。改進后電機最大輸出轉(zhuǎn)矩9mNm左右，空載轉(zhuǎn)速1000rpm。最后從能量傳遞角度，分析了定轉(zhuǎn)子接觸角對能量傳遞效率的影響，證明錐面接觸能減少定轉(zhuǎn)子間摩擦損耗，提高電機總體輸出效率，電機最大輸出效率提高25％。
　　 (2)提出了一種新型的錐面接觸型微型行波型超聲波電機結(jié)構(gòu)，并建立了輸出特性解析模型。超聲波電機的定、轉(zhuǎn)子接觸面為錐面，而非傳統(tǒng)的平面。通過彈性板簧實現(xiàn)定轉(zhuǎn)子的自適應(yīng)對中，保證電機出力的穩(wěn)定。基于能量等效思想

4、，建立錐面接觸超聲波電機的力傳遞及穩(wěn)態(tài)輸出特性模型，并用修正模型修正了傳統(tǒng)平面接觸模型中的誤差。
　　 (3)提出并研究了高分辨率的雙向直線運動駐波型超聲波電機新結(jié)構(gòu)，并形成其設(shè)計和制造技術(shù)。研究了電機振子結(jié)構(gòu)，并對電機結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化，對驅(qū)動足位置進行合理布置。實驗測得電機余弦振型時最大速度220mm/s，最大出力1.8N;正弦振型時最大速度270mm/s，最大出力2N，分辨率在兩方向上分別達到了197nm和187nm。結(jié)果表

5、明該電機具有雙向性能較均衡、高分辨率和結(jié)構(gòu)簡單等特點。
　　 (4)建立了若干應(yīng)用的高精度、集成化、微型化的超聲波電機驅(qū)動控制技術(shù)，對傳統(tǒng)驅(qū)動方法進行優(yōu)化開發(fā)新原理的驅(qū)動控制技術(shù)，提出了提高整體效率的能量回饋型超聲波電機驅(qū)動控制器。研制用于微電機驅(qū)動和步進控制，兩自由度機械臂的高精度驅(qū)動控制及空間飛網(wǎng)收口機構(gòu)驅(qū)動及智能化功能實現(xiàn)的驅(qū)動控制器。研制通過直接低通濾波實現(xiàn)正弦信號，經(jīng)功率放大驅(qū)動超聲波電機的小型高精度驅(qū)動控制系統(tǒng)。研究

6、超聲波電機能量回饋型驅(qū)動控制系統(tǒng)原理和實現(xiàn)方法。
　　 (5)提出并研制一種采用行波型超聲波電機驅(qū)動的智能化空間飛網(wǎng)自適應(yīng)收口機構(gòu)，建立了質(zhì)量塊執(zhí)行空間捕獲操作時的力學模型，形成了基于超聲波電機的收口機構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計理論。利用超聲波電機斷電自鎖的優(yōu)點降低收口機構(gòu)的體積、質(zhì)量和能耗。采用差動輪系設(shè)計自適應(yīng)收口機構(gòu)適應(yīng)負載變化。研究由傳感器、無線通訊和微控制器組成的空間飛網(wǎng)收口機構(gòu)即超聲波電機的驅(qū)動伺服控制系統(tǒng)，確定啟停觸發(fā)信號。根據(jù)收