多自由度行波型超聲波電機的基礎研究.pdf

1、多自由度超聲波電機是電機研究領域的前沿課題，也是超聲波電機研究領域的前沿課題。近年來，多自由度超聲波電機得到了長足的發(fā)展，是實現多自由度驅動的首選電機。經過近十年的努力，國內外已對這類電機的基本原理、結構和驅動控制等作了一定的探索。由于多自由度超聲波電機具有低速大力矩、響應快、精度高和可直接驅動等特點，是電磁感應球電機無法比擬的，近來已成功應用于腹腔手術、機器人和假肢的關節(jié)驅動、二自由度的CCD云臺驅動等領域。本文圍繞多自由度行波型超聲

2、波電機數學模型、結構和工藝實現、驅動控制等基礎問題展開系統(tǒng)研究。 第一章簡要地回顧了多自由度超聲波電機的發(fā)展歷史和現狀，探討目前幾種典型電機的結構、機理、性能、控制方法、應用前景和發(fā)展趨勢，比較其優(yōu)缺點，最后指出多自由度行波型超聲波電機具有一定的比較優(yōu)勢，并提出需要解決的一些問題。 第二章針對球轉子三自由度行波型超聲波電機，建立了它的驅動數學模型。通過對球轉子進行靜力學分析，給出了定轉子接觸圓周的接觸力關系式，建立了球轉

3、子和各個行波定子的力平衡方程，得到球轉子球心的微位移和行波定子的軸向壓緊量與行波定子預緊力的關系，在此基礎上，分析了行波定子與球轉子接觸點的摩擦驅動力和摩擦阻力，根據運動穩(wěn)定時球轉子的力和力矩平衡，以及行波定子的軸向力平衡關系，給出三自由度行波型超聲波電機的驅動數學模型。最后，通過仿真分析結構參數和行波定子轉速對電機機械特性的影響，檢證了上述模型的準確性。 第三章主要介紹基于DSP的超聲波電機動態(tài)特性測試及其控制系統(tǒng)。單自由度行

4、波型超聲波電機的測控是多自由度行波型超聲波電機控制的基礎。該系統(tǒng)用于超聲波電機的動態(tài)響應特性測試。針對超聲波電機強非線性時變等特點，提出了使用神經元自適應PID算法實現行波超聲波電機的速度和位置控制。由于神經元自適應PID可以在線調整其參數值，因此當電機運行情況發(fā)生變化時可以通過改變控制參數來實現速度和位置的快速跟蹤。實驗表明，使用神經元自適應PID控制策略與傳統(tǒng)的PD控制相比有較高的精度。 第四章探討了二自由度行波型超聲波電機

5、的實現問題。然后根據第二章三自由度行波型超聲波電機的建模思想，建立了二自由度行波型超聲波電機的驅動數學模型，并結合研制的樣機仿真分析了驅動模型的準確性。隨后提出了對心對中壓緊調節(jié)機構、外緣大傾角內緣線接觸的行波定子和微調定子外緣傾角的調諧方法。研制的樣機球轉子直徑為45mm，定子直徑為30mm，實現的堵轉力矩為120mNm，空轉轉速12r/min，且各方向運轉平穩(wěn)，輸出性能較一致。 第五章探討了二自由度行波型超聲波電機的驅動控制